王志東 魏至勝 孫赟惲 楊 帆

（北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

智慧水利是智慧社會(huì)的重要組成部分，也是水利信息化發(fā)展的新階段。智慧水利作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，具有管理層級(jí)多、業(yè)務(wù)范圍廣、技術(shù)要求高等特點(diǎn)，智慧水利建設(shè)需在統(tǒng)一的總體框架體系下分階段、分目標(biāo)、分層次循序推進(jìn)，必須加強(qiáng)智慧水利內(nèi)涵與框架體系的研究。

1 我國水利發(fā)展階段

“工程水利”階段（1949—1999年）以水工程建設(shè)、大規(guī)模開發(fā)利用水資源為目標(biāo)和指導(dǎo)思想開展水利工作。

“資源水利”階段（2000—2012年）重視水資源的合理利用，促進(jìn)人水和諧發(fā)展。

“生態(tài)水利”階段（2013—2020年）以生態(tài)保護(hù)、建設(shè)生態(tài)文明為目標(biāo)開展水利工作。水利工作以節(jié)水、水生態(tài)保護(hù)、水文化建設(shè)為重點(diǎn)發(fā)力方向，開始進(jìn)行智慧水利的研究、技術(shù)準(zhǔn)備工作[1]。

“智慧水利”階段（2021—2050年）以豐富的水利經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，充分利用新一代信息技術(shù)使傳統(tǒng)水利向智慧水利轉(zhuǎn)型。智慧水利的發(fā)展受信息化戰(zhàn)略和新時(shí)代水利發(fā)展改革要求的驅(qū)動(dòng)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等為代表的新技術(shù)成為水利行業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的先導(dǎo)力量，智慧水利是新時(shí)期水利發(fā)展的重要方向。

智慧水利在前期已積累的水利建設(shè)和治水經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧水利研究成果，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案[2]功能的智慧水利體系。

2 智慧水利內(nèi)涵與特征

2.1 智慧水利內(nèi)涵

智慧水利綜合利用各種信息技術(shù)，達(dá)到能夠自動(dòng)即時(shí)地探測、記錄、存儲(chǔ)水及其存在環(huán)境、物理大氣水文過程及其他水利工程的元素指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過智能化手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，根據(jù)分析結(jié)果做出最佳決策，發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令，支撐操作者和設(shè)備做出有效的反應(yīng)，達(dá)到有效解決水利中存在的各類問題、提升對(duì)水資源的利用率及防范抵御水旱災(zāi)害能力的目的。智慧水利的內(nèi)涵為利用新一代信息技術(shù)，對(duì)水利對(duì)象、水利活動(dòng)進(jìn)行透徹感知、全面互聯(lián)、深度挖掘從而支撐水利智慧應(yīng)用[3]。

2.2 智慧水利特征

智慧水利為新一代信息技術(shù)在水利行業(yè)的高度集成應(yīng)用，具備透徹感知、全面互聯(lián)、深度挖掘、智慧應(yīng)用等特征。

透徹感知通過水利感知網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，水利感知網(wǎng)依托前端感知設(shè)備對(duì)涉水對(duì)象及其環(huán)境信息進(jìn)行感知和接收，是水利大腦的“感知系統(tǒng)末梢”，為水利大腦獲取信息提供信息獲取的渠道。

全面互聯(lián)基于水利信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，是智慧水利的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，構(gòu)建水利大腦與“感知系統(tǒng)末梢”的連接。

深度挖掘通過水利大腦實(shí)現(xiàn)，水利大腦由水利云、水利數(shù)據(jù)資源池以及使能支撐平臺(tái)構(gòu)成，為水利大腦的思考和記憶提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

智慧應(yīng)用依托水利業(yè)務(wù)的智慧應(yīng)用體系實(shí)現(xiàn)，智慧化應(yīng)用是水利大腦的“功能表現(xiàn)層”，智慧應(yīng)用涵蓋水利具體業(yè)務(wù)，如水資源、水災(zāi)害、水工程、水生態(tài)、水監(jiān)督、水行政以及水公共服務(wù)等，是水利大腦的智慧能力在具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮作用的交互窗口。

3 智慧水利總體框架體系研究

智慧水利總體框架體系以水利感知網(wǎng)和水利信息網(wǎng)為基礎(chǔ)，以“一云一池兩平臺(tái)”構(gòu)成的水利大腦為核心，以智慧應(yīng)用為標(biāo)志，以網(wǎng)絡(luò)安全體系和綜合保障體系為保障。

智慧水利總體框架體系邏輯如圖1所示。

圖1 智慧水利總體框架體系邏輯

從水利業(yè)務(wù)的視角分析，智慧水利建設(shè)充分運(yùn)用信息技術(shù)，建立全要素真實(shí)感知的物理水利，構(gòu)建多維、多時(shí)空、高保真的各類水利模型，強(qiáng)化物理水利與數(shù)字水利之間全要素、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、暢通交互和深度融合，推進(jìn)數(shù)字水利與物理水利的實(shí)時(shí)同步仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)洪水、干旱、江河湖泊、水土流失、水利工程建設(shè)、水利工程運(yùn)行、水資源開發(fā)利用、城鄉(xiāng)供水、節(jié)水等上層業(yè)務(wù)的“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能。

從信息技術(shù)的視角分析，智慧水利建設(shè)主要通過水利感知網(wǎng)采集感知江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動(dòng)以及其他信息，經(jīng)過水利信息網(wǎng)匯聚至水利云，形成水利數(shù)據(jù)資源池。通過治理池中數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)，基于智慧使能平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)為水利大腦提供預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”基礎(chǔ)能力，從而支撐上層的各類智慧化應(yīng)用。

3.1 水利要素感知體系

水利感知網(wǎng)是構(gòu)建各類水利要素的智能感知體系，負(fù)責(zé)獲取涉水對(duì)象屬性信息及其環(huán)境數(shù)據(jù)。

水利感知網(wǎng)使用各類感知設(shè)備、技術(shù)手段和方法，實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)測水利感知對(duì)象的業(yè)務(wù)特征和事件信息，形成物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，如無人機(jī)及衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)、導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過基礎(chǔ)加工處理后，分級(jí)分類通過水利信息網(wǎng)、各級(jí)匯集平臺(tái)進(jìn)入水利云平臺(tái)，為水利大腦提供全面可靠的感知大數(shù)據(jù)。

3.2 水利網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系

水利信息網(wǎng)連接智慧水利中的各種主客體，為智慧水利各類數(shù)據(jù)在主客體中的傳遞提供傳輸服務(wù)，構(gòu)建智慧水利的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系。

水利信息網(wǎng)根據(jù)不同環(huán)境條件，依托國家電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)、租賃公共網(wǎng)絡(luò)、自建專用網(wǎng)絡(luò)等多種方式構(gòu)建，連通國家、流域、省、地市、區(qū)縣等各級(jí)水行政主管部門、各級(jí)各類水利水務(wù)企事業(yè)單位。

水利信息網(wǎng)包括水利業(yè)務(wù)網(wǎng)和水利工控網(wǎng)，水利業(yè)務(wù)網(wǎng)覆蓋各級(jí)水利部門，承載各類水利信息系統(tǒng)，水利工控網(wǎng)覆蓋各水利工程及其各級(jí)管理單位，承載各類水利工程控制系統(tǒng)，水利業(yè)務(wù)網(wǎng)與水利工控網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立。

3.3 水利智慧大腦體系

水利智慧大腦體系是一套以水利云為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、機(jī)器視覺、智能算法、水利模型等能力，在開放平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)江河湖泊與水利工程的大規(guī)模計(jì)算和智慧決策的人工智能系統(tǒng)。

水利智慧大腦體系的核心由“一云一池兩平臺(tái)”構(gòu)成。一云指水利云，利用公共云和建設(shè)專有云的混合方式，為水利大腦提供彈性化的大規(guī)模存儲(chǔ)和計(jì)算能力；一池指數(shù)據(jù)資源池，匯聚和治理水利系統(tǒng)內(nèi)外的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建海量異構(gòu)多元的數(shù)據(jù)資源體系，兩平臺(tái)指智慧使能平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)。

（1）水利云。

水利云建設(shè)基于公專結(jié)合的混合云模式，進(jìn)一步擴(kuò)展計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源的服務(wù)能力。應(yīng)加強(qiáng)水利云災(zāi)備中心建設(shè)，形成可靠的互備架構(gòu)[4]，保障數(shù)據(jù)及應(yīng)用的安全性和可靠性。

（2）數(shù)據(jù)資源池。

數(shù)據(jù)資源池是建立在水利云上的海量的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和服務(wù)管理體系，數(shù)據(jù)資源池通過分布式數(shù)據(jù)任務(wù)調(diào)度、分布式數(shù)據(jù)監(jiān)控管理、分布式存儲(chǔ)資源管理、分布式計(jì)算作業(yè)調(diào)度，完成非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一服務(wù)和管理。數(shù)據(jù)資源池匯聚各類水利數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、融合、轉(zhuǎn)換、治理、服務(wù)等環(huán)節(jié)，深度挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值，構(gòu)建中臺(tái)式的全域數(shù)據(jù)資源體系，為水利大腦思考和決策提供數(shù)據(jù)輸入。

（3）智慧使能平臺(tái)。

智慧使能平臺(tái)使用數(shù)據(jù)挖掘、業(yè)務(wù)建模、融合分析、規(guī)則應(yīng)用、知識(shí)應(yīng)用等技術(shù)手段進(jìn)行視覺智能、數(shù)據(jù)智能和決策智能的開發(fā)與能力輸出，為水利大腦提供預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”基礎(chǔ)能力。平臺(tái)內(nèi)容包括水利模型庫、學(xué)習(xí)算法庫、感知使能庫、知識(shí)圖譜庫[5]等，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供預(yù)測、模型、算法等智慧能力的統(tǒng)一服務(wù)。

應(yīng)用支撐平臺(tái)為上層應(yīng)用的運(yùn)行提供支撐，包括集成環(huán)境的支撐、可視化能力的支撐。集成環(huán)境的支撐為水利應(yīng)用提供大量應(yīng)用基礎(chǔ)組件和通用服務(wù)能力，如統(tǒng)一日志、統(tǒng)一用戶、統(tǒng)一權(quán)限、統(tǒng)一認(rèn)證、工作流引擎等?？梢暬芰χ问且运粡垐D為智慧水利應(yīng)用提供地理信息和空間展示平臺(tái)。

3.4 智慧應(yīng)用體系

智慧應(yīng)用包括水資源、水災(zāi)害、水生態(tài)、水環(huán)境、水工程、水監(jiān)督、水行政和水公共服務(wù)[6]等。在水利大腦的支撐下，面向水利業(yè)務(wù)和水利監(jiān)督領(lǐng)域，基于天空地多元立體的智能感知，全面融合信息資源，聚焦水資源、水災(zāi)害、水生態(tài)、水環(huán)境，全面掌握江河湖泊庫綜合信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)測評(píng)估河湖生態(tài)狀況，實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配以及病險(xiǎn)水庫、河湖長制、水利工程運(yùn)行等業(yè)務(wù)的智慧化，基于水利大腦的支撐，以預(yù)報(bào)預(yù)警預(yù)案為基礎(chǔ)、預(yù)警為反饋、知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)政府監(jiān)管精細(xì)化、江河調(diào)度協(xié)同化、工程運(yùn)行自動(dòng)化、應(yīng)急處置實(shí)時(shí)化，大幅提升水利管理智能化水平。

3.5 智慧水利保障體系

智慧水利建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程。水利業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用體系、水利大腦體系以及水利感知體系與水利互聯(lián)體系間、體系內(nèi)各層間均需具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。智慧水利建設(shè)涉及具體的業(yè)務(wù)需求部門、信息化建設(shè)部門、設(shè)計(jì)咨詢單位以及實(shí)施單位，在建設(shè)過程中需要高效協(xié)同，構(gòu)建智慧水利保障體系，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、體制機(jī)制兩個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)籌謀劃。

完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系需要依據(jù)智慧水利總體框架和技術(shù)特點(diǎn)，制定智慧水利的標(biāo)準(zhǔn)體系。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系主要包括智慧水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和智慧水利評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。智慧水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)智慧水利建設(shè)的需要建設(shè)，覆蓋智慧水利建設(shè)全生命周期、全技術(shù)層級(jí)。智慧水利評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要從智慧水利的建設(shè)、應(yīng)用、維護(hù)等多個(gè)角度出發(fā)，按照技術(shù)提升、業(yè)務(wù)價(jià)值、使用效果、用戶體驗(yàn)等維度形成智慧水利的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

健全體制機(jī)制主要根據(jù)智慧水利建設(shè)總體要求及框架體系，針對(duì)水務(wù)感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利大腦、智慧應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全等建設(shè)內(nèi)容，在現(xiàn)有信息化管理制度基礎(chǔ)上優(yōu)化完善，制定適應(yīng)于智慧水利建設(shè)、應(yīng)用、推廣、維護(hù)等方面的管理制度。

3.6 網(wǎng)絡(luò)安全體系

在智慧水利建設(shè)過程中，網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要，且網(wǎng)絡(luò)安全覆蓋智慧水利框架體系各層，智慧水利各層內(nèi)容建設(shè)時(shí)需同步考慮各層安全能力的構(gòu)建。網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)施也需要統(tǒng)一的管理制度及標(biāo)準(zhǔn)體系。智慧水利網(wǎng)絡(luò)安全體系包括網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)能力建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)安全管控制度建設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)能力建設(shè)主要包括智慧水利的物聯(lián)網(wǎng)安全、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、大數(shù)據(jù)安全、云安全以及應(yīng)用平臺(tái)安全等多位安全技術(shù)能力。網(wǎng)絡(luò)安全管控制度根據(jù)智慧水利建設(shè)實(shí)際，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全組織的機(jī)制、安全運(yùn)營管理體系以及相關(guān)的管控制度進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一。網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)體系主要為安全技術(shù)能力的構(gòu)建提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)。

4 結(jié)語

智慧水利是我國水利發(fā)展的新階段。信息技術(shù)是智慧水利建設(shè)的核心動(dòng)能，在智慧水利進(jìn)行系統(tǒng)性建設(shè)時(shí)，需落實(shí)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的運(yùn)用，完善智慧水利感知體系及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系建設(shè)，落實(shí)水利智慧大腦體系下的各類信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以提高水利數(shù)據(jù)采集、處理、挖掘、分析的能力，為新時(shí)期智慧水利的建設(shè)和發(fā)展提供支撐保障。