“智慧淮河”設(shè)想及總體框架

楊運(yùn) 苗建中

“智慧淮河”設(shè)想及總體框架

楊運(yùn) 苗建中

一、“智慧流域”概念的產(chǎn)生

“智慧地球”這一理念擬將新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)中，即將傳感器嵌入和裝備到人們生活中的各種物體中，使得醫(yī)院、電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、供水系統(tǒng)、大壩等互聯(lián)形成“物聯(lián)網(wǎng)”，在此基礎(chǔ)上通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將物聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，從而便于人類以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，實(shí)現(xiàn)全球的“智慧”狀態(tài)。伴隨著“智慧地球”概念的提出，IBM相繼推出了各種“智慧”解決方案，包括智慧的城市、智慧的電力、智慧的醫(yī)療、智慧的交通、智慧的供應(yīng)鏈、智慧的銀行業(yè)等，其中智慧城市是IBM“智慧地球”策略中最重要的一個(gè)方面。智慧城市的核心是以一種更智慧的方法通過(guò)利用以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等為核心的新一代信息技術(shù)來(lái)改變政府、企業(yè)和人們相互交往的方式，對(duì)于包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的各種需求做出快速、及時(shí)、智能的響應(yīng)，提高城市運(yùn)行效率，為居民創(chuàng)造更美好的城市生活。如今，智慧城市的建設(shè)已在全球廣泛興起，2012年全球600多個(gè)城市正在建設(shè)智慧城市，98%分布于歐美韓日等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)約193個(gè)城市被住建部確定為全國(guó)智慧城市試點(diǎn)建設(shè)城市，2014年國(guó)務(wù)院《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》進(jìn)一步要求大力推進(jìn)智慧城市建設(shè)。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及全球氣候變化、人類活動(dòng)加劇，水資源供需矛盾日益突出，極端水文氣象、地質(zhì)災(zāi)害、水污染等事件造成了水資源短缺、洪災(zāi)旱災(zāi)并重和生態(tài)環(huán)境惡化等復(fù)雜水資源情勢(shì)。而水作為一種自然資源和環(huán)境要素，其形成和運(yùn)動(dòng)具有明顯的地理特征，以流域?yàn)閱卧乃Y源統(tǒng)一管理模式為世界上多數(shù)國(guó)家所采用。為應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，推動(dòng)流域管理的信息化、現(xiàn)代化、可持續(xù)發(fā)展，在智慧城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從流域?qū)哟沃贫ㄖ腔刍桨复呱恕爸腔哿饔颉薄?011年，蔣云鐘、王浩等借鑒“智慧地球”的理念提出了把新一代IT技術(shù)運(yùn)用于流域綜合管理的“智慧流域”概念。所謂“智慧流域”，即把傳感器嵌入和裝備到流域各個(gè)角落的自然系統(tǒng)如降雨、蒸發(fā)、徑流、地下水、植被等觀測(cè)地，以及人工系統(tǒng)如水源地、輸水、供水、用水、排水和水利工程等各種物體中，并通過(guò)普遍連接形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”，而后通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將“流域物聯(lián)網(wǎng)”整合起來(lái)，以多源耦合的氣象水文信息保障平臺(tái)、二元水循環(huán)及伴生過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)、水資源數(shù)值調(diào)控平臺(tái)、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺(tái)、流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)等為支撐，并將其與數(shù)字流域耦合起來(lái)，完成數(shù)字流域與物理流域的無(wú)縫集成，使人類能以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式對(duì)流域進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理，從而達(dá)到流域的“智慧”狀態(tài)。這樣的智慧流域具有更透徹的感知、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能化等特征。通過(guò)智慧流域建設(shè)，流域?qū)⒏叨葦?shù)字化、高度仿真、高度智能化，個(gè)人、各級(jí)水行政主管部門、企業(yè)、組織、自然和社會(huì)之間的互動(dòng)將更為便利，流域防汛抗旱管理、水資源管理保護(hù)、水土保持與農(nóng)村水利管理、河道采砂管理、工程建設(shè)管理等將實(shí)現(xiàn)智能化，流域綜合管理水平得到極大提升。

二、智慧流域建設(shè)概況

“智慧城市”概念興起較早，全球已經(jīng)廣泛開(kāi)展有關(guān)建設(shè)，尤其是歐美韓日等國(guó)已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。如美國(guó)迪比克市實(shí)現(xiàn)了水、電、油、氣、交通等方面的感知互聯(lián)；瑞典斯德哥爾摩市實(shí)現(xiàn)了智慧交通系統(tǒng)，解決了交通擁擠問(wèn)題；荷蘭在智慧水管理方面實(shí)現(xiàn)了各級(jí)水管理部門信息資源的共享和業(yè)務(wù)操作的協(xié)同；韓國(guó)仁川在智慧醫(yī)療方面實(shí)現(xiàn)了所有醫(yī)院的數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程會(huì)診、便捷制定診療方案等。同樣，在全球智慧風(fēng)暴和國(guó)家政策的鼓勵(lì)下，國(guó)內(nèi)北京、上海、廣東、南京、沈陽(yáng)、成都等省市也把“智慧城市”列入了重點(diǎn)研究課題。如北京啟動(dòng)了“感知北京”的示范工程建設(shè)，廣東與IBM公司合作在智慧醫(yī)療、人才培養(yǎng)、水資源管理等方面進(jìn)行探索發(fā)展現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)，南京市提出從交通、醫(yī)療和電力三個(gè)方面入手建設(shè)服務(wù)型政府，打造智慧南京，成都利用物聯(lián)網(wǎng)建立了水資源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)等。

而“智慧流域”這一全新的理念，目前還缺乏具體的實(shí)踐應(yīng)用，主要還處于研究和設(shè)想階段，如長(zhǎng)江流域、黃河流域以及浙江省等基于上述智慧流域的概念，分別提出了建設(shè)自身智慧化流域的構(gòu)想。

（1）智慧黃河。2013年，黃河水利委員會(huì)結(jié)合“數(shù)字黃河”總體框架及建設(shè)情況，提出到2020年基本建成“智慧黃河”。該項(xiàng)工作主要包括編制“智慧黃河”總體規(guī)劃、構(gòu)建黃河物聯(lián)網(wǎng)、建設(shè)黃河云、基于大數(shù)據(jù)技術(shù)建立黃河數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)等內(nèi)容。黃委擬通過(guò)“智慧黃河”建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)黃河水沙情勢(shì)可感知，資源配置可模擬，工程運(yùn)行可掌握，調(diào)度指揮可協(xié)同，實(shí)現(xiàn)治黃現(xiàn)代化的要求。

（2）智慧長(zhǎng)江。長(zhǎng)江水利委員會(huì)為構(gòu)建更加智能的信息化綜合體系，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江水利委員會(huì)“保障防洪安全、合理配置水資源、維護(hù)河湖水體潔凈、防止水土流失、促進(jìn)生態(tài)文明”的政務(wù)目標(biāo)提供信息化支撐，提出了“智慧長(zhǎng)江”的建設(shè)構(gòu)想。根據(jù)長(zhǎng)委信息化頂層設(shè)計(jì)，“智慧長(zhǎng)江”建設(shè)將按照“五年打基礎(chǔ)，十年見(jiàn)成效”的總體部署，分兩個(gè)階段實(shí)施：第一階段為2013～2018年，開(kāi)展并完成信息化資源的有效整合與共享，實(shí)現(xiàn)有機(jī)協(xié)同、共建共享的“數(shù)字長(zhǎng)江”；第二階段為2018～2023年，以“數(shù)字長(zhǎng)江”為依托，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建“114”結(jié)構(gòu)體系，最終實(shí)現(xiàn)支撐深度融合、綜合管理現(xiàn)代化的“智慧長(zhǎng)江”。長(zhǎng)委擬通過(guò)“智慧長(zhǎng)江”建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江河勢(shì)水情可感知、管理對(duì)象可核查、資源配置可模擬、工程運(yùn)行可掌控、調(diào)度指揮可協(xié)同的要求。

（3）2014年，浙江省針對(duì)其水資源管理目標(biāo)眾多，流域綜合管理與決策環(huán)境干擾因素復(fù)雜，傳統(tǒng)手段難以應(yīng)付的問(wèn)題，提出以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，構(gòu)建流域智慧化管理系統(tǒng)。浙江省的“智慧流域”建設(shè)同樣以新一代的智能傳感技術(shù)、智能傳輸技術(shù)、信息技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，擬建設(shè)完備的監(jiān)測(cè)、傳輸、模型體系，集成現(xiàn)代分析技術(shù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)，建立納污能力核定、河流健康評(píng)估、水資源調(diào)度、污染預(yù)警和處置、汛情模擬等智慧化業(yè)務(wù)決策支持平臺(tái)，使流域調(diào)控和管理由數(shù)字化、信息化向現(xiàn)代化、智能化方向發(fā)展，以提升流域水循環(huán)綜合調(diào)配水平，提高洪旱災(zāi)害管理和應(yīng)對(duì)突發(fā)水事件的能力，保障供水安全、保護(hù)水生態(tài)環(huán)境。

三、智慧淮河的設(shè)想

淮河流域地處南北氣候過(guò)渡帶，氣候復(fù)雜多變，平原廣闊，人口密集，土地開(kāi)發(fā)利用程度高，加之歷史上受黃河長(zhǎng)期奪淮的影響，洪澇旱災(zāi)害嚴(yán)重，防洪除澇與水資源利用等方面的關(guān)系十分復(fù)雜。特殊的氣候、地理和社會(huì)條件，決定了淮河流域綜合管理的艱巨性和復(fù)雜性。近20年來(lái)，隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，流域治理與開(kāi)發(fā)面臨許多新情況、新挑戰(zhàn)，流域水資源狀況、工程條件等發(fā)生了較大變化，適應(yīng)科技的發(fā)展，建設(shè)智慧化的流域綜合管理體系成為必然的需求，“智慧淮河”將為流域綜合管理提供更為現(xiàn)代化的手段。

“智慧淮河”是“智慧流域”在淮河的具體應(yīng)用，其內(nèi)涵得到進(jìn)一步延伸。智慧淮河建設(shè)應(yīng)當(dāng)在淮河數(shù)字化工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代IT技術(shù)，建設(shè)淮河流域物聯(lián)網(wǎng)感知終端、流域基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、淮河云平臺(tái)、流域應(yīng)用支撐平臺(tái)以及流域綜合管理應(yīng)用決策系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能傳輸、智能互動(dòng)、智能應(yīng)用，為淮河治理開(kāi)發(fā)、管理與保護(hù)、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)工作提供精細(xì)、合理、動(dòng)態(tài)的處理方式，達(dá)到淮河流域管理智慧化狀態(tài)。具體而言，淮河智慧化管理應(yīng)達(dá)到：流域情況實(shí)時(shí)可知、流域系統(tǒng)預(yù)測(cè)可靠、管理決策全面有效、流域管理協(xié)同高效。

四、智慧淮河總體框架

目前，淮河流域數(shù)字化工作已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)。2001年，淮委就提出數(shù)字淮河是新世紀(jì)淮河流域水管理的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)任務(wù)，要組織各方面的力量開(kāi)展開(kāi)放型和開(kāi)創(chuàng)性的數(shù)字淮河工作，以此提高流域管理現(xiàn)代化水平。2006年，淮委已建成氣象信息系統(tǒng)、水情信息采集和處理系統(tǒng)及防汛通信系統(tǒng)，并規(guī)劃建設(shè)水情、工情、災(zāi)情信息采集系統(tǒng)、防汛決策支持系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)。2011年，進(jìn)一步提出要從全面、系統(tǒng)、流域整體的角度出發(fā)，綜合考慮各種問(wèn)題之間的有機(jī)聯(lián)系，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合體系、數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺(tái)、水利專業(yè)模型系統(tǒng)、流域管理決策支持系統(tǒng)組成的淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域的信息化管理。

根據(jù)智慧淮河的內(nèi)涵及對(duì)智慧流域的初步認(rèn)識(shí)，結(jié)合淮河流域已具備的數(shù)字化工作基礎(chǔ)，筆者建議智慧淮河的總體框架應(yīng)包含五層架構(gòu)：動(dòng)態(tài)感知層、便捷傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用支撐層、智能應(yīng)用層。

動(dòng)態(tài)感知層：該層是基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集層，實(shí)現(xiàn)了流域情況可知。該層將射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備嵌入和裝備到流域內(nèi)的供水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、大壩、閘門、水文測(cè)站等各種物體和設(shè)施中。按約定的協(xié)議，把相關(guān)物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，動(dòng)態(tài)獲取流域內(nèi)降雨、蒸發(fā)、地表徑流、供水、用水、耗水、排水、大壩、水庫(kù)、閘門、泵站、河流、湖泊、飲用水源地、地下水井等各類相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控。

便捷傳輸層：該層是基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸層，既保障了流域情況可知的實(shí)時(shí)性，又保障了人與人、水與水的互聯(lián)互通。通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)格、網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)等技術(shù)與Internet網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、最新移動(dòng)通信技術(shù)等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合，將各類信息進(jìn)行有效傳送。

數(shù)據(jù)處理層：該層是基于云平臺(tái)的信息處理層，實(shí)現(xiàn)了流域內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和信息共享。基于淮河云平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算等智能技術(shù)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源等基礎(chǔ)設(shè)施的有效管理和自動(dòng)調(diào)配，降低運(yùn)行成本，提高服務(wù)水平。

應(yīng)用支撐層：該層是基于淮河流域模型系統(tǒng)的信息應(yīng)用層，保障了流域系統(tǒng)預(yù)測(cè)的可靠性。該層擬構(gòu)建面向水利專業(yè)應(yīng)用的服務(wù)平臺(tái)，主要包括基于多源耦合的氣象水文信息保障平臺(tái)、二元水循環(huán)及伴生過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)、水資源數(shù)值調(diào)控平臺(tái)、水質(zhì)演變分析平臺(tái)、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺(tái)、流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)等各類虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型，利用采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算、仿真模擬、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

智能應(yīng)用層：該層是面向用戶的專業(yè)應(yīng)用和決策支撐層，保障了管理決策的全面有效和流域管理的協(xié)同高效。該層根據(jù)防汛抗旱減災(zāi)、水資源管理與調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持、工程建設(shè)與管理、水行政管理等方面的不同需要，建立不同部門、不同層次的應(yīng)用系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，智能感知的信息得以通過(guò)多種方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，同時(shí)，各有關(guān)部門可定制各項(xiàng)專業(yè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)。如，自動(dòng)獲取自身需要的各類信息；通過(guò)設(shè)定指標(biāo)閾值，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警；設(shè)定多個(gè)管理目標(biāo)，能夠獲取最優(yōu)的決策建議；作出決策后，可布置到各有關(guān)部門，遠(yuǎn)程協(xié)作完成；流域水資源管理工作能夠及時(shí)向群眾發(fā)布，并提供群眾參與平臺(tái)。

五、結(jié)語(yǔ)

智慧流域不但具有數(shù)字流域的特點(diǎn)，更強(qiáng)調(diào)人類與物理流域相互作用，是未來(lái)流域現(xiàn)代化、智能化管理發(fā)展的必然方向。通過(guò)智慧淮河建設(shè)，能夠保障淮河流域防洪安全、供水安全、糧食安全和生態(tài)安全，有效提高流域內(nèi)各部門的工作效率和科學(xué)決策水平，提升流域水循環(huán)綜合調(diào)配水平和水資源利用效率，提高洪旱災(zāi)害管理和應(yīng)對(duì)突發(fā)水事件的能力，促進(jìn)最嚴(yán)格水資源管理制度的落實(shí)，推動(dòng)生態(tài)文明社會(huì)的建設(shè)。

然而，畢竟智慧流域仍然是一個(gè)新興的概念，缺乏有效的實(shí)踐指導(dǎo)，同時(shí)存在較多的技術(shù)難點(diǎn)，是一項(xiàng)具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性的工作。對(duì)淮河流域而言，應(yīng)該將智慧淮河的建設(shè)列入淮河流域水利信息化發(fā)展的中遠(yuǎn)期發(fā)展布局，做好頂層設(shè)計(jì)，科學(xué)規(guī)劃，并爭(zhēng)取有效的投資渠道，加大關(guān)鍵技術(shù)研究，逐步實(shí)現(xiàn)智慧淮河的遠(yuǎn)景建設(shè)目標(biāo)

（作者單位：淮河水利委員會(huì)233001）