摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)有水利信息化系統(tǒng)的短板不斷凸顯，當(dāng)前水利信息化的支撐能力已無法滿足及時(shí)高效的了解水利信息的最新需求，本文主要對(duì)水利物聯(lián)感知的應(yīng)用進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);人工智能;智慧水利;水利物聯(lián)

一、水利感知網(wǎng)的現(xiàn)狀及問題

水利業(yè)務(wù)管理涉及的感知對(duì)象包括要素感知和事件感知。要素感知主要包括雨量、水位、水量、水質(zhì)等采集監(jiān)測(cè)要素，現(xiàn)階段主要通過設(shè)備監(jiān)測(cè)和人工填報(bào)方式獲取，信息采集的自動(dòng)化程度較低，數(shù)據(jù)采集工作量大，時(shí)效性低，與智慧水利各項(xiàng)工作的整體需求不相適應(yīng)。事件感知主要包括水旱災(zāi)害、工程險(xiǎn)情、河湖四亂、土壤侵蝕等涉及時(shí)間、地點(diǎn)、空間范圍、事件現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況和處理預(yù)案執(zhí)行狀況等事件要素，現(xiàn)階段主要通過人工填報(bào)和視頻監(jiān)控方式獲取。

在當(dāng)前的水利管理活動(dòng)（事件感知）中，取證難、取證滯后問題日益突顯，主要面臨兩大困難：一是水利監(jiān)管區(qū)域分布廣、跨度大、巡查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而事件問題機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，時(shí)有發(fā)生;二是許多水利監(jiān)管區(qū)域有河無路，同時(shí)受地面二維視角限制存在著大面積的盲區(qū)和死角。當(dāng)前采用的人工填報(bào)和視頻監(jiān)控（固定監(jiān)控）已不能滿足機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)、高效的智慧水利感知要求。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種信息傳感設(shè)備，采集聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等需要的信息，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)連接，形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接、方便識(shí)別、管理和控制。

智慧水利感知網(wǎng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的，能夠?qū)λ?、雨量、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總整理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水利信息的高效感知，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、監(jiān)控和管理 [2] 。

三、水利物聯(lián)感知應(yīng)用分析

（一）整體分析

智慧水利是為實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)的智慧化而建設(shè)的一套綜合業(yè)務(wù)體系，是通過大數(shù)據(jù)、大地圖、大模型、人工智能等技術(shù)，對(duì)水利信息數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的、動(dòng)態(tài)的、深層次的分析應(yīng)用，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)水利管理和決策的“智慧”。

從水利業(yè)務(wù)的需求分析，當(dāng)前水利感知數(shù)據(jù)主要通過采集感知獲取，可以從感知對(duì)象、感知要素、感知技術(shù)等三個(gè)方面進(jìn)行說明。感知對(duì)象主要包括江河湖泊、水利工程和水利管理活動(dòng)等三個(gè)類別，每類都包括多種感知對(duì)象，每個(gè)對(duì)象需要感知多個(gè)要素，每個(gè)要素可以通過一種或多種技術(shù)進(jìn)行感知。感知技術(shù)主要包括人工填報(bào)、在線監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測(cè)、應(yīng)急感知等。

在具體建設(shè)中，為避免重復(fù)建設(shè)和提高感知效率，需要統(tǒng)籌感知對(duì)象、要素和技術(shù)，在現(xiàn)有水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)充實(shí)大江大河及其支流、河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，補(bǔ)充建設(shè)重要防洪城市水文監(jiān)測(cè)設(shè)施和墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，同時(shí)，加強(qiáng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力建設(shè)。

打破“先采集、后業(yè)務(wù)、再指標(biāo)”的建設(shè)常規(guī)，在摸清已有數(shù)據(jù)家底的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)需求與已有數(shù)據(jù)支撐進(jìn)行匹配分析，結(jié)合水利業(yè)務(wù)需求，按照各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型、功能應(yīng)用、共享交換、更新方式等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)覆蓋不足、要素不全、更新不及時(shí)等問題進(jìn)行補(bǔ)充建設(shè)，避免資源投入的低效和浪費(fèi)。

水利感知網(wǎng)不斷擴(kuò)大感知范圍、構(gòu)建數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入管理平臺(tái)、提高智能感知水平（見圖1）。

1.擴(kuò)大感知范圍

圍繞水利業(yè)務(wù)需求和水利監(jiān)管要求，針對(duì)現(xiàn)有感知體系網(wǎng)絡(luò)布局、設(shè)備功能等，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、視頻監(jiān)控等技術(shù)手段實(shí)施改造，擴(kuò)大江河湖泊水系、水利工程設(shè)施的監(jiān)測(cè)范圍和水利管理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)感知，補(bǔ)充完善水文、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水土流失、工程管理、山洪災(zāi)害、水利管理活動(dòng)、水行政執(zhí)法等感知內(nèi)容，提升感知能力和技術(shù)水平。

（1）擴(kuò)大河流湖泊監(jiān)測(cè)范圍。對(duì)已建人工測(cè)站數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行改造，在現(xiàn)有水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)基礎(chǔ)上，補(bǔ)充水位、流量等多要素線上監(jiān)測(cè);對(duì)水面面積常年在1km2以上的湖泊進(jìn)行全面監(jiān)測(cè);加強(qiáng)對(duì)河道采砂重點(diǎn)水域、河湖管理敏感河段的常規(guī)監(jiān)測(cè)。擴(kuò)大重點(diǎn)防洪區(qū)域、中小型水庫(kù)的多要素監(jiān)測(cè)，全面提升防汛抗旱預(yù)警預(yù)報(bào)水平和江河湖泊日常監(jiān)管能力。對(duì)建有水利工程的江河生態(tài)流量、國(guó)家重要水功能區(qū)、水土保持重點(diǎn)治理區(qū)等進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）擴(kuò)大水資源管理全面感知網(wǎng)絡(luò)。在水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目、國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程等項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，對(duì)重要水源地、取水用戶、水庫(kù)取水口、界河流斷面進(jìn)行水量監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)支撐水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的信息監(jiān)測(cè)。結(jié)合現(xiàn)有生態(tài)基流感知監(jiān)測(cè)站，采用衛(wèi)星、無人機(jī)等遙感影像，完善對(duì)生態(tài)基流的全要素監(jiān)測(cè)，提升對(duì)河道生態(tài)基流、電站泄放流量等的智能感知能力。

（3）擴(kuò)大水利工程設(shè)施監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)。對(duì)水庫(kù)、重要堤防、重要閘壩（節(jié)制閘）、規(guī)模以上泵站、大中型灌區(qū)、引調(diào)水等水利工程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè);補(bǔ)充和提升水庫(kù)、堤防（一級(jí)、二級(jí)）、重點(diǎn)水閘、淤地壩等水利工程安全及運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

（4）提升水利管理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)感知能力。全面提升水利核心業(yè)務(wù)管理活動(dòng)重要事件、行為過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)解析等動(dòng)態(tài)感知能力，滿足主要水利業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的各方面要求。

2.構(gòu)建統(tǒng)一的感知平臺(tái)，提供統(tǒng)一的感知服務(wù)

隨著水利由信息化向智慧化過渡，水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求由單一業(yè)務(wù)領(lǐng)域，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻I(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)需求，傳統(tǒng)的分業(yè)務(wù)領(lǐng)域建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模式已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展需要，需要建立水利系統(tǒng)綜合的數(shù)據(jù)匯聚管理平臺(tái)。

按照水利感知要素劃分，需要建立視頻信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感影像、無人設(shè)備、工控設(shè)施等統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯集、管理和服務(wù)平臺(tái)。

3.推進(jìn)先進(jìn)物聯(lián)技術(shù)在水利感知網(wǎng)的應(yīng)用，提升水利智能感知水平

水利業(yè)務(wù)的感知能力，受當(dāng)時(shí)技術(shù)和條件等制約，仍然存在空白和不足，隨著感知技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，感知監(jiān)測(cè)站網(wǎng)形式、站網(wǎng)布局需要進(jìn)一步優(yōu)化，需要因地制宜地采用高清視頻、無人機(jī)、衛(wèi)星遙感、人工智能等新型監(jiān)測(cè)手段的應(yīng)用，推進(jìn)感知終端的智能升級(jí)，強(qiáng)化5G、北斗通訊、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)（船）、AI、NB-IoT、LoRa等新一代物聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，全面提升水利智能感知能力和技術(shù)水平。

（二）業(yè)務(wù)感知分析

通過對(duì)水利業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)和管理需求進(jìn)行分類分析，整理出對(duì)點(diǎn)狀數(shù)據(jù)、線狀數(shù)據(jù)和面狀數(shù)據(jù)的感知需求，收集歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建智慧水利物聯(lián)感知體系。

1.洪水

歷史數(shù)據(jù)方面，深度挖掘水文整編、歷史洪澇災(zāi)害、蓄滯洪區(qū)歷史運(yùn)用、歷史暴雨圖集、歷史氣象等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起長(zhǎng)序列、完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)資源共享，為洪水業(yè)務(wù)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度以及災(zāi)情分析等提供模型參數(shù)率定、歷史比對(duì)分析等支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，通過采集實(shí)時(shí)雨水情況、工程視頻等點(diǎn)上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，河道地形、河湖岸線等線狀測(cè)繪數(shù)據(jù)，洪水淹沒范圍、城市內(nèi)澇影響區(qū)域、蓄滯洪區(qū)情況、流域區(qū)域蓄水情況等面上數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和資源共享，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理和按需調(diào)用。

2.干旱

歷史數(shù)據(jù)方面，匯集整理歷史氣象、歷史雨水情、歷史旱情等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，形成完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)資源共享，為干旱業(yè)務(wù)的抗旱形勢(shì)分析、旱情校核等提供歷史比對(duì)分析等支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，利用氣象、水文、遙感等技術(shù)手段廣泛收集氣象臺(tái)站、河道來水、水庫(kù)蓄水、土壤墑情等點(diǎn)上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，區(qū)域氣象產(chǎn)品和農(nóng)情、水體干涸、河道斷流等遙感監(jiān)測(cè)以及作物、飲水困難統(tǒng)計(jì)等面上數(shù)據(jù)。旱情遙感監(jiān)測(cè)方法具有監(jiān)測(cè)范圍廣、空間分辨率高、信息采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用性好等特性[3]，對(duì)旱情分析評(píng)估和掌握旱情形勢(shì)具有重要意義。

3.水利工程安全運(yùn)行

歷史數(shù)據(jù)方面，匯集整理水利工程設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行管理、歷史險(xiǎn)情、安全鑒定、除險(xiǎn)加固等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起全生命周期的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)共享，為水利工程的安全鑒定、監(jiān)測(cè)預(yù)警、隱患排查等業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，收集整理工程安全監(jiān)測(cè)、水情監(jiān)測(cè)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、經(jīng)營(yíng)管理、巡護(hù)方案、調(diào)度方案、應(yīng)急預(yù)案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便評(píng)估和分析工程安全運(yùn)行和安全生產(chǎn)狀況。

4.水資源開發(fā)利用

歷史數(shù)據(jù)方面，需要匯集整理水資源調(diào)查評(píng)價(jià)信息、水資源綜合規(guī)劃、水資源保護(hù)綜合規(guī)劃、中小河流水能資源開發(fā)規(guī)劃以及水資源公報(bào)年報(bào)等歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)共享，為水資源開發(fā)利用業(yè)務(wù)的江河流域水量分配調(diào)度、重點(diǎn)工程水量調(diào)度等提供模型調(diào)算、歷史比對(duì)分析等支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，收集取水用戶取水量上報(bào)數(shù)據(jù)、省界、市界、縣界水量斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及跨行政區(qū)江河流域水量分配方案、重點(diǎn)江河湖泊以及重點(diǎn)工程水量調(diào)度方案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)水資源開發(fā)利用狀況。

5.城鄉(xiāng)供水

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理農(nóng)村供水工程規(guī)劃、計(jì)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理、城市水源規(guī)劃等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立起較完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)共享，為城鄉(xiāng)供水業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，收集城市集中式飲用水水源地監(jiān)測(cè)、農(nóng)村飲用水工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，以便監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)城鄉(xiāng)供水安全狀況。

6.節(jié)水

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理歷年的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、萬元工業(yè)增加值用水量、省市用水總量、節(jié)水型社會(huì)試點(diǎn)、節(jié)水宣教、法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，為節(jié)水業(yè)務(wù)的監(jiān)督管理等提供歷史比對(duì)分析和資料參考等支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，需要收集國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控用水單位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、灌區(qū)渠首取水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、用水計(jì)劃管理等，以及節(jié)水定額標(biāo)準(zhǔn)、用水紅線指標(biāo)、用水戶信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析用水情況，為節(jié)水監(jiān)管提供客觀可靠的數(shù)據(jù)。

7.江河湖泊

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集整理已發(fā)生的違法采砂案件處理數(shù)據(jù)、涉河湖違法違規(guī)項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)以及河湖歷史遙感影像、水下地形、大斷面測(cè)繪等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，形成系列數(shù)據(jù)，為江河湖泊業(yè)務(wù)提供歷史比對(duì)分析和典型案例查詢等支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，需要收集河湖水域岸線高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、采砂重點(diǎn)河段和敏感水域視頻監(jiān)控、水文站網(wǎng)監(jiān)測(cè)以及河長(zhǎng)湖長(zhǎng)巡河巡湖填報(bào)、社會(huì)公眾涉河湖輿情等數(shù)據(jù)，以便監(jiān)控和分析江河湖泊管理狀況。

8.水土流失

歷史數(shù)據(jù)方面，需要收集分散保管在各級(jí)水土保持部門的多樣化數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，建立完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)現(xiàn)共享，為水土流失業(yè)務(wù)提供歷史比對(duì)分析等數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，需要收集水土流失地面站網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、淤地壩安全運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，以便實(shí)時(shí)、定量和全面掌握天然和人為水土流失情況。

9.水利監(jiān)督

歷史數(shù)據(jù)方面，收集整理已發(fā)生的水利項(xiàng)目稽查、水利工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督、水利安全生產(chǎn)監(jiān)管、水利行業(yè)督查暗訪等數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化處理，為水利監(jiān)督業(yè)務(wù)提供歷史比對(duì)分析等數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)方面，需要收集河湖、水資源、水工程、水土保持等方面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和監(jiān)督檢查問題數(shù)據(jù)，以及遙感影像和相關(guān)的站網(wǎng)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和輿情數(shù)據(jù)，構(gòu)建監(jiān)督監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體系。

四、結(jié)束語(yǔ)

在江河湖泊、水利工程、水利管理活動(dòng)等智慧化建設(shè)過程中，運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)（船）、AI視頻、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，整合現(xiàn)有水利感知網(wǎng)，形成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資源共享。充分挖掘水利數(shù)據(jù)資源的使用價(jià)值，對(duì)推動(dòng)我國(guó)水利業(yè)務(wù)的信息化、智能化具有重要意義。

作者單位：陳琦睿? ? 長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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