智慧型流域建設探討

沈宏 焦軍

智慧型流域建設探討

沈宏 焦軍

一、智慧型流域內涵與發展

“智慧地球”（SmartEarth）這一理念的主要內容是把新一代IT技術充分運用到各行各業中，即把傳感器裝備到人們生活中的各種物體中，并且連起來，形成“物聯網”（InternetofThings），并通過云計算（CloudComputing）將“物聯網”整合起來，實現網上數字地球與人類社會和物理系統的整合。智慧地球是個嶄新的概念，將大大推進信息化和工業化的進程，IBM商業價值研究中心提出了對電力、醫療、城市、交通、供應鏈和銀行等六大行業的智慧方案，為智慧地球從理念提出到付諸實踐奠定了基礎。

智慧流域是在智慧地球的概念下局部的、更專業化的智慧系統。所謂智慧流域，是指把新一代IT技術充分運用于流域綜合管理，把傳感器嵌入和裝備到流域各個角落的自然系統（如降雨、蒸發、徑流、地下水、植被等觀測地）和人工系統（如水源地、輸水、供水、用水、排水和各類水利工程等各種物體）中，并通過普遍連接形成“流域物聯網”，而后通過云存儲和云計算將“流域物聯網”整合起來，以水利專業應用平臺為支撐，完成數字流域與物理流域的無縫集成；通過智慧決策服務平臺和移動設備將數字流域界面友好地展示給決策者、技術人員和普通民眾，使人們能以更加精細和動態的方式對流域水利狀態進行認知、設計、規劃和管理，從而達到流域的“智慧”狀態。其核心是利用一種更智慧的方法通過新一代信息技術來改變政府、企業和人們相互交互的方式，以便提高交互的明確性、效率、靈活性和響應速度。智慧流域具有與智慧地球共同的特征：更透徹的感知、更廣泛的互聯互通、更深入的智能化。

智慧流域是“數字流域”與“物理流域”的智能化結合。數字流域強調各種數據與地理坐標聯系起來，以圖形或圖像的方式來展示，然后提供三維、航空和地面多視角等多維位置服務。智慧流域以物體基礎設施和IT基礎設施的連接為特色，數字代表信息和服務，智慧代表智能與自動化。數字流域以信息資源的應用為中心，智慧流域以自動化智能應用為中心。智慧流域不但具有數字流域特點，更強調人類與物理流域相互作用，實現流域物理世界中人與水、水與水、人與人之間的便利交流。

二、智慧型流域建設的意義

智慧型流域有望進一步推動流域現代化、信息化建設，有望成為全新的流域綜合管理戰略理念。實施智慧型流域可以提高數據的完備性和利用效率。目前，水利管理和決策所需的數據還不夠完整，并且利用效率很低。通過“智慧流域”建設，進一步完善數據的采集手段和采集點，保證數據的完備性和及時性，并通過對數據的整合和同化，數據的有機整合等，提高數據的共享能力，從而充分地利用數據，進一步提高數據的利用效率，以幫助人們更從更為廣闊細致的角度透視水文循環的時空變化過程，理解流域水利活動的規律。

實施智慧型流域有望提高水利管理和決策的水平。“智慧流域”能直觀地、全方位地、及時地為水利管理和決策提供所需依據，同時也能為廣泛參與的人民大眾提供更為生動形象的水利信息查詢閱讀，使人們更為直觀地認識身邊的水事活動及更為廣泛地參與到水行政主管部門和技術部門共同決策中，從而幫助管理人員和決策者提高水利管理和決策的水平。對于提高防汛管理、水資源優化調度、水土保持、水環境治理、水行政管理等的水平都能起到重要的作用。

三、智慧型流域建設整體框架

智慧型流域是在新一代IT技術的支撐下，將流域水利專業應用平臺作為手段，以智能決策支持和人性化的交互服務為目標的高度數字化、高度仿真、高度智能化的流域。流域運轉更加智能化。智慧型流域主要有感知層、基礎設施網絡層、專業應用平臺層、智慧決策服務層組成，如圖1所示。

感知層：該層是智慧流域的神經末梢和人性化交互界面。包含兩方面的感知內容，一方面通過傳感器、射頻標簽和監測探頭能夠實時獲取天然水循環信息和社會水循環信息，將其裝備到水利設施中還可以實時采集大壩變形參數、堤岸安全系數和管網壓力系數等信息，實現對物理流域的數字化采集和傳輸，將物理世界中正在發生的水利事件通過基礎網絡設施層傳遞給流域專業應用平臺層進行仿真、模擬和優化。另一方面，流域管理和決策人員以及廣大的參與者可以通過手機、個人電腦等移動終端設備從智慧決策服務層獲取需要了解的水文、水利、水環境、水工程的整體狀態，人性化的感知流域的存在及其運動變化過程，更好地理解人類活動對自然狀態的影響，以便實現人與水的充分感知、充分交流。

基礎設施網絡層：該層是智慧型流域系統內信息輸入、信息交換和人機交互的通訊技術保障。如果說感知層是神經元，那么基礎設施網絡層就是神經網，這些網絡通信技術為智慧型流域系統的互聯互通奠定了基礎。

圖1　智慧型流域整體框架

專業應用平臺層：該層是綜合應用各類數據采集信息、構建面向流域水利專業的虛擬仿真模型。主要包括基于多源耦合的氣象水文信息模擬平臺、二元水循環及伴生過程數值模擬平臺、流域數據同化系統平臺、流域虛擬現實系統平臺、流域洪水演變分析平臺等，相當于智慧型流域系統水利專業的計算器。

智慧決策服務層：該層主要目的是通過智慧決策為決策者提供基于一定規劃目標的均勻非劣的備選方案，并協助決策者對不同備選方案的優劣進行客觀比較，從而使決策者能夠做出正確的決策。通過智慧服務界面友好的與決策者、技術人員和廣大民眾進行溝通對話，為流域治理提供專業決策支持和信息服務。智慧決策服務層通過與決策者對話，輸入決策者的設想、偏好，根據一定的規則自動生成備選方案，然后調用專業應用平臺層對備選方案進行模擬運行，再將結果返回給決策者，協助決策者進行客觀認識和取舍，然后進一步優化決策思路、決策方法，進行下一輪的備選方案生成、模擬、優化、評估和再評估，直至生成滿意的方案。該層生成備選方案的規劃目標主要有防汛抗旱、水資源保護、水資源調度、水利工程規劃、水土保持、水生態修復、水資源配置、水環境評價等水事行為。

四、建設內容

1.防洪減災智慧系統

當流域可能發生特大洪水時，根據衛星傳感器傳送的云層信息，采用區域氣候模式預測可能的降雨量，將其作為輸入條件，利用云計算和云存儲技術讀取網絡上模型所利用的下墊面條件，啟動陸面過程模型和數據同化技術對整個流域的洪水進行實時計算，將模型計算結果、洪水淹沒過程和制定的防洪預案與調度方案以及可撤離路線通過可視化手段展現在三維虛擬場景中，然后通過網絡將這些信息以文字、圖片、視頻圖像、語音等多種方式實時發送到流域內居民的終端設備中。

2.抗御干旱智慧系統

智慧流域能夠利用由無線傳感器組成的天地一體化系統，對降水、風速、溫濕度、蒸發、土壤墑情等信息全天候連續不斷地進行智能監測和采集，實現對干旱的發生過程、危害程度進行定量監測，對干旱造成的各類損失進行評估，對未來的影響范圍、持續時間、強度變化等預報預警。同時對干旱區范圍內的水庫進行實時監測，計算水庫可能的存儲水量，由此制定水庫聯合調度方案，以應對干旱所帶來的水危機。

3.污染治理智慧系統

智慧型流域系統通過遙感傳感器和地面觀測設施對河流、湖泊、水庫、飲用水水源地、地下水觀測點、近岸海域等流域內的現場水質進行連續自動監測，客觀地記錄水質狀況，及時發現水質的變化，進而實現對水域或下游進行水質污染預報，達到掌握水質和污染物通量，防治水污染事故的目的。水質量測傳感器將感知的水質參數傳遞給環境管理部門進行水質評價，并裝置報警傳感器。在某種污染物濃度超過閾值時，由水質量測傳感器自動與報警傳感器和控制供水傳感器相連，通過流域物聯網，啟動報警裝置并自動關閉供水管網，

4.水資源管理智慧系統

智慧流域通過取用水戶的取水和排水數據、行政分區的入境水量和出境水量數據、地下水數據等的互相智能校核，為實行“總量控制，定額管理”提供支撐，實現對水資源的科學調配和精細管理。在準確掌握水資源狀況的基礎上實現社會水循環過程與天然水循環過程的合理匹配，為實現水資源的優化配置、高效利用和科學保護，實現社會—經濟—自然的可持續協調發展提供技術支撐。

五、技術保障

1.射頻識別技術（R FID）

通過對流域中的水工建筑物、水文測站、量測設備等裝備射頻標簽，實現自動獲取水工建筑物的特征數據和水文測站信息，它和傳感器感知的水工建筑物運行數據和水文測站的實時水情信息通過“流域物聯網”經基礎設施網絡層發送至信息處理中心的專業應用平臺層。

2.無線傳感器網絡

通過裝備和嵌入到流域中的各類集成化的微型傳感器共同協作實時監測、感知和采集各種流域環境或監測對象信息，然后將這些信息以無線方式發送出去，從而實現物理流域、數字流域和人性化交互式流域的連通。

3.物聯網技術

物聯網具有基于標準和互操作通信協議的自組織能力，在流域中的具體應用就是將感應器嵌入和裝備到水質監測斷面、供水系統、輸水系統、用水系統、排水系統、大壩、水文測站等各種物體或設施中通過互聯網連接起來，形成“流域物聯網”。

4.云計算與云存儲

通過云計算，可將流域模擬程序拆分成無數個較小的子程序，通過網絡交由分布式計算機所組成的龐大系統計算分析之后將處理結果回傳給用戶，整個計算過程只需要幾秒就能完成。這意味著對局部河段或者流域干流的高精度的三維模擬從理想變成現實。通過云存儲技術，流域中海量的原型觀測、實驗數據和數學模型計算的歷史數據和實時數據以及流域管理的自然、社會、經濟等數據的存儲將不再受制于硬盤空間。

5.流域虛擬現實系統平臺

流域虛擬現實技術研究以構建流域三維仿真模擬系統為目標，融合流域內各種數字信息而建成系統平臺，形成流域及其相關現象的統一數字化體系，實現虛擬現實系統的沉浸感和交互性要求。在虛擬仿真系統支撐下，將全流域水循環及其伴生過程進行模擬，并將其結果通過復雜實體建模集成于三維流域環境中，直觀地展現水循環、泥沙沖淤及污染物遷移過程的動態變化。

6.探討性建議

智慧型流域建設是個復雜開放的巨系統工程，覆蓋面極廣，影響因素眾多，需要總體規劃、分步實施：

（1）在現有測站的基礎上統一規劃流域站網系統，建立降雨、蒸發、徑流、水質、溫度、土壤墑情、水源地、輸水、供水、用水、排水、水利工程等信息采集傳輸系統，構建流域物聯網。

（2）分步實施防洪減災智慧系統、抗御干旱智慧系統、污染治理智慧系統和水資源管理智慧系統，整合流域物聯網信息和專業應用平臺資源。

（3）建設流域智慧決策中樞，全面整合各目標水利管理智慧系統，提供智慧化的決策機制，協調流域社會、經濟、資源和水利發展關系。

要真正實現智慧流域的建設，就需要加大研發力度，提高傳感器監測要素全面性以及數據的采集精度，進一步開發可靠的智慧化系統支持

（作者單位：中水淮河規劃設計研究有限公司230601）