智慧水利關鍵技術及系統設計

張 臻，高 正，張 鵬，李淑祎，曹迪凡

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 問題的提出

隨著2015年國務院《促進大數據發展行動綱要》的頒布，推動大數據技術與最新IT信息技術深度融合，細化大數據技術在各個傳統行業的創新，成為水利行業未來發展的方向。而“智慧水利”則是水利信息化發展的更高級階段，從信息化水利到智慧水利，不僅是技術的進步，更重要的是水文化的超越。正確認識信息化水利與智慧水利的關系，有助于透過表象而理性、科學地把握水利科技發展的內在規律，從而推動水利智慧化發展。

目前，基于數字化、信息化水利的成果，在國內某些大型項目和新區水利建設中已經運用相關技術，探索智慧化水利的可行性。部分學者也將大數據、物聯網等新興技術與傳統水利工程結合，研究水利工程的多維度跨越[1-4]。高英[5]提出“BIM+”智慧水利技術，主要針對設計方面聯合互聯網思維實現創新；陳鳳[6]等人提出基于物聯網技術搭建智慧水利系統的基本思路；邊馥苓[7]對數字工程的原理與方法進行深入研究；王志堅[8]針對智慧化發展提出水利、數字、業務三和諧的系統構架。本文在結合前人研究的基礎上，依據靈江擴排工程實例中所應用的關鍵技術和水利智慧化內涵，對智慧水利系統框架進行設計和探討。

2 智慧水利

2.1 智慧水利概念

智慧水利是智慧地球的思想與技術應用于水利行業的結果。它基于數字信息化水利成果，并利用物聯網技術，泛在、自動、實時地感知水資源、水環境、水過程及各種水利工程的各關鍵要素、關鍵點、關鍵位置和關鍵環節數據；通過信息通信網絡傳送到在線的數據庫、數據倉庫和云存儲中；在虛擬水空間，利用云計算、知識挖掘、自然計算等智能計算技術進行數據處理、建模和推演。并針對突發事件、自然災害等做出科學優化的判斷和決策，并反饋給人或設備，采取相應的措施和行動有效地解決水利科技和水利行業的各種問題，提高水資源的利用率、水利工程的效果和效益以及工作效率，有效保護水資源與水環境，防災減災，實現人水和諧。具體體現為:“物聯感知”“互聯互通”“科學決策”“智慧管理”。

2.2 從水利信息化到水利智慧化

從水利信息化到水利智慧化，不僅僅是技術的進步，更是諸多理念、要素的跨越和拓展。

（1）靜態到動態的跨越。信息化水利是以靜態管理存在的問題，現在可以通過包括遙感在內的傳感網解決，因為傳感網可以實現信息的自動、實時更新。

（2）從三維到多維的跨越。信息化水利所構建的虛擬水空間是準靜態的三維空間；而智慧水利的信息是隨時間自動更新的，因而智慧虛擬水空間是空間三維加時間維的四維動態空間。

（3）從產品到服務的跨越。信息化水利所生產的產品是向特定目標用戶提供的，相互之間的連接、信息共享和功能互操作很薄弱，基本處于孤島狀態。而智慧水利是基于網絡、云端等分布式計算的網絡服務，不再表現為特定中心化的信息系統，而是一種基于物聯網的扁平結構，擁有部分去中心化的功能作用。

2.3 智慧水利層級

智慧水利的構建層級，首先以BIM+GIS為信息基數，建立起三維空間模型和時空信息的有機孿生體信息模型；其次基于水利大數據庫，以智能算法、AI技術為支撐，實現區域內水利問題的實時智能決策；最終通過終端物聯網設備與互聯網整合，匯集規劃、建設、運維全周期數據，實現精細、深度化的智慧管理。

3 關鍵技術

依托靈江擴排工程[中國電建集團華東勘測設計研究院（以下簡稱“華東院”）設計]，提出智慧水利系統從底層數據建立到物聯互通、輔助決策、智慧運營管理各階段所需關鍵技術主要為:BIM+GIS技術、低成本物聯網傳感技術、無人機+衛星遙感技術、云計算及物聯網技術。

目前，在靈江工程實際運用中，已經在大閘部分模型建立中充分運用“BIM+GIS”技術，實現三維BIM+傾斜攝影宏觀模型搭建，并且已在阮家洋分洪洞施工過程中埋設相關低成本物聯網傳感設備；同時計劃在未來運行管理中接入遙感信息，依托物聯網基礎數據及云計算能力，實現整個工程的智能決策和運維。

3.1 “BIM+GIS”技術

傳統二維GIS地圖缺少對局部工程的細節展示，僅有工程的BIM模型則難以從宏觀層面把握實際情況。因此將BIM與GIS技術的有機結合進行運用是本方案實施的一大特征。宏觀層面的信息展示上借助GIS系統完成，通過點擊等方式可以直接跳轉到工程實際位置。充分利用BIM的三維可視化優勢幫助管理者快速熟悉環境，了解當前狀態的系統全貌，是仿真運行歷史以及虛擬推演假設情景的最佳展示環境。靈江擴排工程實際模型搭建成果見圖1。

圖 1 靈江擴排工程“BIM+GIS”模型圖

本部分技術的核心難點在于將BIM模型輕量化以及確認需要保留的信息類別。對于工程設計人員BIM模型更多地關注實際設計問題，但是對“智慧水利”系統，許多設計信息在運維管理中并不需要，隱藏即可。因此需要通過對甲方管理需求的充分調查對接以確認BIM模型輕量化的技術標準并發布相關地區標準文件以方便設計方執行。“BIM+GIS”技術示意見圖2。

圖 2 “BIM+GIS”技術示意圖

3.2 低成本物聯網傳感技術

目前許多精密測量用的傳感器終端的價格比較高，因此傳統的水利監測也往往局限于“少而精”的布局體系。但要讓平臺發揮作用需要更大量的數據，有必要研發低成本、便于布設的物聯網傳感器終端。靈江項目在阮家洋分洪洞先行段施工階段充分利用各種傳感器，并為后期接入物聯網，匯入系統平臺做準備。低成本物聯傳感器布設見圖3。

圖 3 低成本物聯傳感器布設圖

本部分技術要點在于找到數據精度與傳感器成本之間的平衡。事實上，在一般水利測量中，以水位為代表的物理量測量其精度要求并未高到需要使用激光測量儀的程度。因此物聯網傳感終端的技術構成應以低精度低成本測量傳感器為主，搭配以Zigbee芯片為代表的低成本低功耗信息傳輸設備以及小型太陽能電池板為代表的可持續供電裝置，充分降低布設成本，以大量獲得監測數據，擴大監測范圍。

3.3 “無人機+衛星遙感”的遙感協同技術

隨著無人機技術的日益普及，一般的無人機巡檢漸已成常態。但隨著遙感儀器（如高光譜儀）的體積日益減小，機載遙感與衛星遙感協同也漸成為可能。相比傳統衛星遙感受到云層、拍攝時間、拍攝精度等條件的限制，機載遙感的靈活性將為其在近地層觀測中獲得一席之地[9]。“無人機+衛星遙感”的遙感協同技術示意見圖4。

圖4 “無人機+衛星遙感”的遙感協同技術示意圖

本部分技術難點在于無人機與衛星遙感之間的協同配合機制。為了高度實現無人機巡檢遙感的自動化，需要由平臺依據對衛星遙感、水質實測數據分析得到的重點觀察區域來計算無人機巡檢范圍的自動劃定。同時，在無人機航測完成后，由平臺自動將無人機的GPS數據疊加到無人機遙感數據中，經云端反演計算后，自動疊加到已有水質遙感圖中，完善重點區位的水質遙感信息。

3.4 基于云計算的模擬技術

當前分布式模型等應用廣泛的模型大多缺少對實時數據的響應，有的因為算法原因導致計算耗時過長，計算結果缺少時效性。這種方式下的模型計算難以為信息平臺快速方便地提供數據。

為解決這一問題，需要將所獲取的大量數據與計算程序均在云端進行，充分利用云計算的算力去完成傳統線下單臺計算機完成的工作。該部分技術難點在于將前期數據處理工作自動化，并將已有模型輕量化:通過完善云端模型輸入輸出接口、輕量化已有模型算法或進一步利用卷積神經網絡等算法替代已有算法等，實現基于云計算的模型計算功能。

4 系統框架設計

本次計劃設計的靈江擴排項目智慧水利系統，將按照1+N的平臺框架打造，建立一個部分去中心化的水利構架系統。主要分為感知層、傳輸儲存層、支撐層以及應用層。強化核心平臺功能，開發基于智慧水利平臺管理決策需求的強相關功能模塊，覆蓋靈江擴排工程規劃建設全過程管理。

感知層:所有信息的來源與基礎，主要包含水雨情信息、水質信息、工情信息、管理信息、遙感信息、視頻信息等的采集。本層既能依托大量物聯網傳感器以及攝像頭等終端從現實中獲取水情工情等數據，又能利用數據提取程序從合法接口接入其他已存在的數據庫（如氣象局氣象數據庫、遙感衛星影像數據庫等）以獲取對應信息，還可以基于PC與個人手機終端填報、采集相關管理信息。通過這3種途徑完成感知層任務。

傳輸儲存層:主要依靠無線網絡、有線網絡在程控交換系統、加密系統的輔助下，依托公網或者專網進行數據傳遞。同時存放所有數據，主要包括基礎數據庫（儲存如三維地形數據、基本水系數據等地理信息基本數據）、水情數據庫、工情數據庫、水質數據庫、管理數據庫（存放如河湖長制管理的相關資料）、遙感數據庫（存放用于遙感分析的影像）等。

支撐層:為應用層提供技術支撐的部分，通過BIM平臺（主要提供工程建筑物幾何與屬性信息）、GIS平臺（主要提供宏觀地理信息）、數模分析組件（主要為基于云計算的水文水質計算模型以及未來依靠AI開發的決策輔助程序）、遙感分析組件（主要提供對遙感數據的反演計算功能）等提供應用層所需的各類信息。

應用層:直接面對用戶的部分。底層收集到的數據經支撐層相關應用的處理后，將數據與結論根據不同應用場景的需要提供給用戶，完成信息服務。應用層提供綜合信息、水情信息、工情信息、水質信息、應急指揮、日常管理等服務。靈江智慧水利系統設計框架見圖5。

圖5 靈江智慧水利系統設計框架圖

圍繞靈江智慧水利主平臺構架，在應用層重點打造規劃系統、建管系統及運維系統，實現水利工程全生命周期監測與管理、科學與智能決策。

4.1 規劃報批系統

規劃報批系統能夠匯集各類規劃信息，實現多維疊加，為報審報批提供支撐。主要分為總規BIM模塊、控規BIM模塊和方案BIM模塊。

總規BIM模塊:建立流域規劃范圍內的規劃、地理、地質3大基礎模型，形成“多規合一”“多源合一”的全信息數字沙盤，真正實現“一張藍圖干到底”。在GIS影像上建立平面區塊規劃，在流域級范圍上反映水利系統的布局。靈江總規BIM模塊“多源合一”數字沙盤見圖6。

圖6 靈江總規BIM模塊“多源合一”數字沙盤圖

控規BIM模塊:靈江項目涉及范圍廣，工程子項多，在總規基礎上將其分解為引水工程控規BIM模塊、義城港河道控規BIM模塊、各擴排段控規BIM模塊、大閘部分控規BIM模塊等次流域級模塊直接在平面總規BIM模塊基礎上進行規劃模型建立，并依靠BIM+GIS技術，由GIS推演場地規劃及工程土方利用效率，使得區塊場地的占用和清退靈活多變。控規對象擁有近似形狀模型，具有關鍵輪廓控制尺寸，包含其最大尺寸和最大活動范圍，區塊控制性屬性賦予。

方案BIM模塊:針對控制性規劃要求，具體對項目中的單元工程進行多方案、更深程度的BIM模型建立。同時，依靠神經網絡、遺傳算法等智能算法，在總規和控規模塊的基礎上，自動判斷多方案中范圍及規劃屬性的正確性，并針對錯誤進行智能修正，由BIM+GIS技術的算量優勢快速篩選出規劃最優方案。

4.2 建設管理系統

靈江擴排項目建管系統負責管理平臺上所有在建水利項目，通過統籌、協調、監管、評價4個方面全方位對項目投資、設計、施工進度、施工質量、安全評價等進行統一協調、高效分析、支撐決策。由整體統籌板塊、科學協調板塊、智能監管板塊及多維評價板塊組成。

整體統籌板塊:①通過合作方式、工程方案比選，尋找合理方案和最佳模式進行各階段、各區域級別的資金統籌；②依據區塊要求、征地要求及施工工序要求等，建立擁有最佳效果的建設時序方案；③統籌業主及各合作方、參建方，多方對比，尋找最佳的參建單位資源。

基于上述資金、時序、參建方等方面，通過AI技術智能推演最佳建設方案。

科學協調板塊:通過平臺將政府部門、業主單位及參建各方的信息進行實時互聯，并對信息實行智能分級管理制度，在保證各級權限的前提下，最大程度地做到協調調度和信息共享的高效性，盡可能地避免由于各方組織不科學而出現的資源利用率低下問題。

智能監管板塊:靈江項目系統監管板塊規劃設置人力資源管理、綜合管理、設計管理、技術管理、進度管理、質量管理、投資管理、安全管理、QHSE管理、合同管理、采購管理、系統管理等14個模塊，其中QHSE管理在華東院云建管平臺基礎上修改實現，合同管理與采購管理移植華東院云建管平臺模塊內容，數據信息打通。下面重點針對板塊中設計管理、質量管理、進度管理、投資管理及安全管理模塊5個方面進行闡述。

（1）設計管理模塊，納入現場設計產品報審流程，通過監理方現場負責人、監理專業審查人、建管局等多方流轉審查，最終完成設計產品的現場報批，提高設計文件報審效率。并通過平臺系統，實現報審流程全程監控。

（2）質量管理模塊，具有單元工程質量評定、數據統計展示分析等功能，并在平臺系統中，通過移動端現場完成各分序工作質量驗評，對質量問題實時跟蹤，對負責參建的人員第一時間進行質量落實提醒，提高質量管理效率、保證質量管理透明度。

（3）進度管理模塊，將三維全信息模型與工程進度信息結合，創建多維度信息模型，針對實際監測進度進行預警，并將預警結果直接反饋相關人員。模塊主要功能包括:工程進度信息的編錄、圖表展示、三維展示、進度對比展示、進度事件提醒等。

（4）投資管理模塊，依靠在單元工程的BIM模型中掛載工程量，由平臺系統自動完成工程量統計，并生成節點臺賬、投資對比、結算統計信息供各方統籌、協調、決策。

（5）安全管理模塊，基于物聯網技術獲取大量實時監測數據，并通過云計算和AI智能輔助預測預警安全隱患。

多維評價板塊:創建評估體系，建立供應商庫，利用大數據等信息化技術對參建單位進行多維動態評價，優勝劣汰，不斷提高全方位服務水平。評估體系本著公平、公正、公開原則，對參建方規劃設計、建設投資、監理咨詢、建筑施工各階段進行智能評分。

4.3 運維系統

運維系統基于BIM+GIS底層基礎數據，結合物聯網、云計算、大數據技術，及時分析處理水利數據、突發情況，并及時做出預警及決策建議，是水利工程從產品到綜合服務跨越的基石。本次靈江擴排項目運維系統，參照華東院深圳前海智慧城市成功案例，由綜合管理模塊、監測體系模塊、指揮控制模塊構成。

（1）綜合管理模塊:本模塊在日常正常運行情況下，為應對各部門快速、整體把握區域范圍內信息流而設計建立，包含研究區域內流域概況、數字孿生工程全景、體系組織構架、文檔文件綜合管理等功能。

（2）監測體系模塊:包含水雨情、水環境、各類工情、設備設施運行工作情況、災情等的物聯網實時監測，為指揮控制模塊系統奠定基礎。

（3）指揮控制模塊:以規劃、建管及監測系統為依托，構建一個現場指揮、多方聯動、高度集成的指揮控制系統。本模塊主要為了更好地滿足水利部門快速高效地完成日常工作、會議交流和處置突發公共事件，以物聯網視頻信息為基礎建立智慧調度系統（包括大屏模塊、桌面模塊和移動端模塊），實現規劃區域內的應急可視化指揮，并且通過智能算法和神經網絡進行災害模擬和輔助決策。深圳前海智慧城市運維智慧系統見圖7。

圖7 深圳前海智慧城市運維智慧系統圖

5 結 語

智慧水利是一個龐大的綜合體系，它實現了傳統水利工程從靜態到動態、從三維到多維、從產品到服務、從正確科學到智能科學的跨越。本文結合華東院靈江擴排工程實際，對智慧水利概念、層級、以及智慧化在水利行業的價值體現進行簡要分析；深入探討靈江擴排項目在實施過程中，已經運用和計劃運用的BIM+GIS、無人機+衛星遙感、云計算及物聯網等智慧水利關鍵技術，并針對相關技術提出優化方案；同時提出靈江擴排項目智慧水利系統1+N系統框架，結合關鍵技術，針對框架的內容及具體業務技術需求做出詳盡的構建，分析智慧化在水利行業的價值體現，為智慧化在水利行業的進一步推進發展提供研究資源和支撐。