楊運 苗建中

“智慧淮河”設(shè)想及總體框架

楊運 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)上通過超級計算機和云計算將物聯(lián)網(wǎng)整合起來，從而便于人類以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，實現(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方面。智慧城市的核心是以一種更智慧的方法通過利用以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、移動互聯(lián)網(wǎng)等為核心的新一代信息技術(shù)來改變政府、企業(yè)和人們相互交往的方式，對于包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出快速、及時、智能的響應(yīng)，提高城市運行效率，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)國家。我國約193個城市被住建部確定為全國智慧城市試點建設(shè)城市，2014年國務(wù)院《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》進一步要求大力推進智慧城市建設(shè)。

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及全球氣候變化、人類活動加劇，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。而水作為一種自然資源和環(huán)境要素，其形成和運動具有明顯的地理特征，以流域為單元的水資源統(tǒng)一管理模式為世界上多數(shù)國家所采用。為應(yīng)對上述問題，實行最嚴(yán)格水資源管理制度，推動流域管理的信息化、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角落的自然系統(tǒng)如降雨、蒸發(fā)、徑流、地下水、植被等觀測地，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，并通過普遍連接形成“流域物聯(lián)網(wǎng)”，而后通過超級計算機和云計算將“流域物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，以多源耦合的氣象水文信息保障平臺、二元水循環(huán)及伴生過程數(shù)值模擬平臺、水資源數(shù)值調(diào)控平臺、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺、流域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺等為支撐，并將其與數(shù)字流域耦合起來，完成數(shù)字流域與物理流域的無縫集成，使人類能以更加精細(xì)和動態(tài)的方式對流域進行規(guī)劃、設(shè)計和管理，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，個人、各級水行政主管部門、企業(yè)、組織、自然和社會之間的互動將更為便利，流域防汛抗旱管理、水資源管理保護、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)廣泛開展有關(guān)建設(shè)，尤其是歐美韓日等國已經(jīng)發(fā)展到較高的水平。如美國迪比克市實現(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現(xiàn)了智慧交通系統(tǒng)，解決了交通擁擠問題；荷蘭在智慧水管理方面實現(xiàn)了各級水管理部門信息資源的共享和業(yè)務(wù)操作的協(xié)同；韓國仁川在智慧醫(yī)療方面實現(xiàn)了所有醫(yī)院的數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程會診、便捷制定診療方案等。同樣，在全球智慧風(fēng)暴和國家政策的鼓勵下，國內(nèi)北京、上海、廣東、南京、沈陽、成都等省市也把“智慧城市”列入了重點研究課題。如北京啟動了“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踐應(yīng)用，主要還處于研究和設(shè)想階段，如長江流域、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“智慧黃河”建設(shè)基本實現(xiàn)黃河水沙情勢可感知，資源配置可模擬，工程運行可掌握，調(diào)度指揮可協(xié)同，實現(xiàn)治黃現(xiàn)代化的要求。

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

（3）2014年，浙江省針對其水資源管理目標(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)及云計算技術(shù)為基礎(chǔ)，擬建設(shè)完備的監(jiān)測、傳輸、模型體系，集成現(xiàn)代分析技術(shù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計技術(shù)，建立納污能力核定、河流健康評估、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，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)對突發(fā)水事件的能力，保障供水安全、保護水生態(tài)環(huán)境。

三、智慧淮河的設(shè)想

淮河流域地處南北氣候過渡帶，氣候復(fù)雜多變，平原廣闊，人口密集，土地開發(fā)利用程度高，加之歷史上受黃河長期奪淮的影響，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，隨著流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，流域治理與開發(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，進一步運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(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、流域應(yīng)用支撐平臺以及流域綜合管理應(yīng)用決策系統(tǒng)等，實現(xiàn)智能感知、智能傳輸、智能互動、智能應(yīng)用，為淮河治理開發(fā)、管理與保護、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)工作提供精細(xì)、合理、動態(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：流域情況實時可知、流域系統(tǒng)預(yù)測可靠、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長期戰(zhàn)略目標(biāo)任務(wù)，要組織各方面的力量開展開放型和開創(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)，綜合考慮各種問題之間的有機聯(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、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，實現(xiàn)對流域的信息化管理。

根據(jù)智慧淮河的內(nèi)涵及對智慧流域的初步認(rèn)識，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。

動態(tài)感知層：該層是基于物聯(lián)網(wǎng)的信息采集層，實現(xiàn)了流域情況可知。該層將射頻識別（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，進行信息交換和通信，動態(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、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)，實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)測、監(jiān)控。

便捷傳輸層：該層是基于移動網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸層，既保障了流域情況可知的實時性，又保障了人與人、水與水的互聯(lián)互通。通過無線傳感網(wǎng)、點對點網(wǎng)格、網(wǎng)格計算網(wǎng)等技術(shù)與Internet網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、最新移動通信技術(shù)等移動通信網(wǎng)絡(luò)融合，將各類信息進行有效傳送。

數(shù)據(jù)處理層：該層是基于云平臺的信息處理層，實現(xiàn)了流域內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和信息共享?；诨春釉破脚_，利用大數(shù)據(jù)處理、云計算等智能技術(shù)存儲和處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源、存儲資源等基礎(chǔ)設(shè)施的有效管理和自動調(diào)配，降低運行成本，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，主要包括基于多源耦合的氣象水文信息保障平臺、二元水循環(huán)及伴生過程數(shù)值模擬平臺、水資源數(shù)值調(diào)控平臺、水質(zhì)演變分析平臺、流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺、流域虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺等各類虛擬現(xiàn)實仿真模型，利用采集的海量數(shù)據(jù)進行分析計算、仿真模擬、趨勢預(yù)測等。

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、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)。通過該系統(tǒng)，智能感知的信息得以通過多種方式實時呈現(xiàn)，同時，各有關(guān)部門可定制各項專業(yè)服務(wù)，實現(xiàn)按需服務(wù)。如，自動獲取自身需要的各類信息；通過設(shè)定指標(biāo)閾值，及時進行預(yù)警；設(shè)定多個管理目標(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向群眾發(fā)布，并提供群眾參與平臺。

五、結(jié)語

智慧流域不但具有數(shù)字流域的特點，更強調(diào)人類與物理流域相互作用，是未來流域現(xiàn)代化、智能化管理發(fā)展的必然方向。通過智慧淮河建設(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)對突發(fā)水事件的能力，促進最嚴(yán)格水資源管理制度的落實，推動生態(tài)文明社會的建設(shè)。

然而，畢竟智慧流域仍然是一個新興的概念，缺乏有效的實踐指導(dǎo)，同時存在較多的技術(shù)難點，是一項具有長期性、復(fù)雜性的工作。對淮河流域而言，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，科學(xué)規(guī)劃，并爭取有效的投資渠道，加大關(guān)鍵技術(shù)研究，逐步實現(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233001）