張建新，蔡 陽

（水利部信息中心（水利部水文水資源監(jiān)測預(yù)報中心），北京 100053）

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針的大背景下，隨著智慧社會建設(shè)快速推進(jìn)，水利智慧化需求越來越強烈?！八こ萄a短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)要求盡快補齊水利信息化短板。

智慧水利作為智慧社會的重要組成部分，必將推動水利科技創(chuàng)新，推進(jìn)新一代信息技術(shù)在水利行業(yè)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)建江河水系和水利基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)體系，提高國家防洪、供水、糧食、生態(tài)的安全保障水平。智慧水利是水利信息化發(fā)展的一個嶄新階段，建設(shè)智慧水利，將會促進(jìn)水利信息化提檔升級。

智慧水利具有透徹感知、全面互聯(lián)、深度挖掘、智能應(yīng)用及泛在服務(wù)等特征，各個部分互關(guān)聯(lián)、彼此耦合，從業(yè)務(wù)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、水利云、網(wǎng)絡(luò)、安全等方面及之間的關(guān)系形成一個完整體系[1]。

水利感知網(wǎng)是智慧水利的基礎(chǔ)部分，在頂層設(shè)計中需要重點思考和研究感知什么（感知的對象和內(nèi)容）、怎樣感知（感知的技術(shù)和手段）、水利感知網(wǎng)是什么（水利感知體系）、感知成果怎樣破除壁壘及建設(shè)途徑等關(guān)鍵問題。

1 需求分析

1.1 感知對象和要素

水利業(yè)務(wù)種類繁多，主要分為洪水、干旱、水工程安全運行、水工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、城鄉(xiāng)供水、節(jié)水、江河湖泊及水土流失等九大業(yè)務(wù)，以及對行業(yè)和業(yè)務(wù)的監(jiān)管共 10 個方面。水利九大業(yè)務(wù)領(lǐng)域和監(jiān)管對感知數(shù)據(jù)和信息的需求是，不僅要掌握 1 個點、1 條江河、1 個流域（區(qū)域）及全國的情況，還要掌握每個業(yè)務(wù)領(lǐng)域過去、現(xiàn)在及未來的情況[2]。

水利對象是水事活動中涉及的水行政主管部門事權(quán)范圍內(nèi)的實體或概念，如河流、水庫大壩、水利行業(yè)單位等實體和水資源分區(qū)，水土保持區(qū)劃等概念。水利感知對象是指需要采集或監(jiān)測其狀態(tài)、現(xiàn)狀或動態(tài)屬性的水利對象，而感知要素是指被采集或監(jiān)測的，能夠描述水利對象當(dāng)前狀態(tài)的動態(tài)屬性或指標(biāo)，對象信息是涉及感知對象發(fā)生的現(xiàn)象、事件、行為等。數(shù)據(jù)和信息是被感知對象的屬性、特征的表達(dá)。

1.2 感知需求

水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息可以分為 4 類，即基礎(chǔ)的、歷史的、行業(yè)外部的和水利感知系統(tǒng)獲取的。對于感知數(shù)據(jù)和信息，不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域關(guān)注的感知對象及要素不盡相同，對數(shù)據(jù)類型、精度、頻次等要求，以及對信息的種類、內(nèi)容深度等要求也不一樣。

從水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域需求的數(shù)據(jù)和信息類型來看，主要可以分為要素類監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)視視頻和遙感影像三大類。要素類監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為現(xiàn)地傳感終端采集的實時要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)視視頻為視頻采集終端采集的視頻流及視頻智能解析的感知對象信息或數(shù)據(jù)，遙感影像包括影像及其解析解譯成果數(shù)據(jù)和信息。

在許多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)、信息監(jiān)測受技術(shù)和條件等制約，仍然存在空白和不足，隨著感知和通信技術(shù)的發(fā)展，感知監(jiān)測站網(wǎng)形式、布局和測點部署需要進(jìn)一步優(yōu)化，需要因地制宜地采用新的技術(shù)和無人機、無人船、機器人、衛(wèi)星等手段。

需要提升感知終端的集約化程度、體積、功耗、通信接入、維護(hù)保養(yǎng)等；需要提升感知通信的帶寬、降低時延和增強接入能力；需要建立對感知終端、通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控機制。

感知的范圍需求有點、線、面，因此，感知手段從傳統(tǒng)的以傳感器直接監(jiān)測為主的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲?、定位、視頻、遙感等技術(shù)綜合，空天地一體化的監(jiān)測模式，形成新型的一體化的感知體系。需要形成基礎(chǔ)常規(guī)、體檢掃描式和重點核查式監(jiān)測的多模式融合。

水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息需求由單一業(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)和信息需求，傳統(tǒng)的分業(yè)務(wù)領(lǐng)域建設(shè)監(jiān)測系統(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)匯聚和（視頻、遙感等）信息匯集平臺。

2 感知對象與要素分析

水利感知的目標(biāo)是及時、準(zhǔn)確、全面地獲取各類數(shù)據(jù)和信息，直接或間接地利用于各水利活動。感知對象可按照屬性或特征進(jìn)行劃分，感知結(jié)果可表達(dá)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化信息。

從自然、工程、管理 3 個方面將涉及各水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域的水利感知對象劃分為江河湖泊水系，水利工程設(shè)施和管理活動 3 種類型，每類感知對象可再細(xì)分為若干中類和小類。

1）江河湖泊水系類。江河湖泊水系類對象主要感知河流湖泊等自然水系的水文、氣象、水質(zhì)水環(huán)境、水生態(tài)、水域環(huán)境及流域水系相關(guān)地形地貌信息等，可以分為自然水系和地形地貌 2 個中類。自然水系分為空中水、地表水、地下水和壤中水 4 個小類；地形地貌為侵蝕溝道 1 個小類，共計 5 個小類。

2） 水利工程設(shè)施類。水利工程設(shè)施類對象感知內(nèi)容主要包括工程安全、工程安防監(jiān)控，以及工程相關(guān)的水雨情、環(huán)境等信息，可以分為獨立工程、組合工程和輔助工程 3 個中類。獨立工程分為水庫大壩、橡膠壩、堤防、水閘、泵站、水電站、地下水取水井等 16 個小類；組合工程分為水庫、灌區(qū)、引調(diào)水工程、農(nóng)村供水工程 4 個小類；輔助工程分為水位站、蒸發(fā)站、氣象站等 6 個小類，共計 26 個小類。

3） 水利管理活動類。水利管理活動類對象感知內(nèi)容主要包括水利核心業(yè)務(wù)管理工作關(guān)注的事件、行為、現(xiàn)象，以及水利工程運行期間的機電設(shè)備運行工況、工程運行調(diào)度等信息，可以分為防汛抗旱、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、河湖管理、工程管理 6 個中類，11 個小類。

3 概念設(shè)計

水利感知體系在概念上最小單元為智能感知終端，其次為感知系統(tǒng)，然后為感知體系。水利感知網(wǎng)是水利感知體系的實體表現(xiàn)。

3.1 智能感知終端

感知終端主要包含各種智能傳感、控制執(zhí)行和精準(zhǔn)計量等設(shè)備，主要功能是獲取水利感知對象及感知體系自身的各種感知要素信息，以及對水利感知對象和感知體系物聯(lián)終端執(zhí)行控制操作。實現(xiàn)固定、移動和機動感知模式，數(shù)據(jù)監(jiān)測和圖像、視頻、音頻等信息采集聯(lián)動,以及模塊化、微型化、低功耗、少維護(hù)、易校準(zhǔn)的感知終端標(biāo)準(zhǔn)升級。智能感知終端應(yīng)包含 6 個主要指征：感（傳感）、算（計算）、儲（存儲）、通（通信）、安（安全防護(hù)）、控（可控制）。

3.2 感知系統(tǒng)

每個獨立的感知系統(tǒng)分為 3 個層次，即由感知終端、感知通信網(wǎng)絡(luò)和感控平臺構(gòu)成，如圖1 所示。感控平臺包含監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚和視頻監(jiān)視管控中心，提供數(shù)據(jù)處理、設(shè)備管控、通信監(jiān)控三大功能。感知通信網(wǎng)絡(luò)通過有線、無線、衛(wèi)星等不同的通信組網(wǎng)方式構(gòu)建傳感物聯(lián)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)和應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型傳輸和場景應(yīng)用需求。感知終端主要包含水位計、雨量計、滲壓計等各種傳感設(shè)備，以及攝像頭、電子圍欄、巡檢機器人等終端設(shè)備，主要功能是采集和感應(yīng)水利對象的各種要素、狀態(tài)和事件信息。

圖1 感知系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1）感控平臺。感控平臺是智能感知體系的核心部分，將匯聚大量的感知終端、通信終端和感知數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)加工處理、通信監(jiān)控、終端監(jiān)控三大功能，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和融合處理，對感知和通信終端進(jìn)行設(shè)備管理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和智能控制，邏輯結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 感控平臺邏輯結(jié)構(gòu)

2）感知通信。感知通信網(wǎng)絡(luò)通過有線、無線、近距離、中距離、遠(yuǎn)距離各種不同的通信組網(wǎng)方式實現(xiàn)感知終端之間及感知終端到感控平臺之間的互聯(lián)互通，為各類感知終端采集的數(shù)據(jù)匯聚到感控平臺，感知終端之間的互聯(lián)互通，以及感知終端接收感控平臺發(fā)送的控制指令提供傳輸通道，實現(xiàn)自適應(yīng)、高速率、大數(shù)據(jù)量、大接入量、自愈合通信網(wǎng)絡(luò)。

4 感知體系框架設(shè)計

4.1 在智慧水利中的定位

智能感知體系是智慧水利的一個重要組成部分，是直接面向水利對象，對水利對象全面、真實、客觀、動態(tài)的直接反映。感知體系負(fù)責(zé)獲取動態(tài)的要素數(shù)據(jù)和對象信息，這些數(shù)據(jù)和信息分別采用傳感器、定位、遙感和音視頻采集及相應(yīng)專業(yè)內(nèi)容解析等技術(shù)獲取，經(jīng)過加工處理后，再通過監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺、視頻集控平臺和衛(wèi)星遙感接收處理分發(fā)中心傳至大數(shù)據(jù)中心。

智能感知體系可以針對某一個水利感知對象構(gòu)建，也可按照行政區(qū)劃、水利業(yè)務(wù)分類及其他需要的方式進(jìn)行構(gòu)建。與智慧水利其他部分的關(guān)系如圖3 所示，感知系統(tǒng)從水利感知對象獲取的感知數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過骨干網(wǎng)絡(luò)輸送到上層大數(shù)據(jù)中心，為智能應(yīng)用和公共服務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)和信息支撐；若干智能感知系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)中心互聯(lián)或級聯(lián)形成區(qū)域或全國范圍內(nèi)的感知大系統(tǒng)；同時遵循智慧水利統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、安全、密碼和保障體系[3-5]。

圖3 智能感知體系（水利感知網(wǎng)）在智慧水利中的定位

4.2 水利感知網(wǎng)總體架構(gòu)

水利感知網(wǎng)的主要功能是利用各種感知設(shè)備、技術(shù)手段和方法，動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測和信息采集江河湖泊水系、水利工程設(shè)施、水利管理活動三大類水利感知對象的要素，狀態(tài)和事件信息，形成物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，導(dǎo)航定位、衛(wèi)星無人機遙感等對地觀測數(shù)據(jù)，以及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)中心提供內(nèi)容全面、質(zhì)量可靠、傳輸穩(wěn)定的感知大數(shù)據(jù)。

水利感知網(wǎng)總體邏輯架構(gòu)如圖4 所示，其部署方式可分為 3 個層級，即全國中心、流域/省中心、現(xiàn)地（基層）感知系統(tǒng)；以智能感知體系涵蓋的感知數(shù)據(jù)和信息的內(nèi)容可分為 3 個部分，即常規(guī)要素監(jiān)測、視頻監(jiān)控和衛(wèi)星遙感接收處理。

4.2.1 水利感知網(wǎng)三級部署

1）水利部中心。包括監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、視頻集控、衛(wèi)星遙感接收處理分發(fā)等中心?？蓜討B(tài)獲取全國范圍內(nèi)水利監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視信息或抽取信息，統(tǒng)一接收處理衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，及時掌握全國范圍內(nèi)水利業(yè)務(wù)工作現(xiàn)狀。

2）流域、省中心。包括監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、視頻集控中心。可動態(tài)獲取區(qū)域范圍內(nèi)水利監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視或抽取信息，根據(jù)需求向部水利遙感接收處理中心申請并獲取分發(fā)的水利遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，隨時隨地掌握區(qū)域范圍內(nèi)水利業(yè)務(wù)工作現(xiàn)狀。

3）現(xiàn)地（基層）感知系統(tǒng)。依據(jù)水利對象或業(yè)務(wù)管理需求靈活構(gòu)建感知系統(tǒng)，對感知系統(tǒng)范圍內(nèi)涉及的水利對象實現(xiàn)透徹感知。感知系統(tǒng)包括 3 層，即：感控平臺、通信網(wǎng)絡(luò)、終端。

4.2.2 水利感知網(wǎng)三類體系

1）水利要素監(jiān)測體系。針對傳感器監(jiān)測類別，實時獲取水利要素類監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過窄帶廣域、區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和匯集。

2）視頻監(jiān)控體系。針對視頻監(jiān)視類別，實時獲取視頻類監(jiān)視圖像信息，通過寬帶視頻專網(wǎng)實現(xiàn)視頻流傳輸和遠(yuǎn)程集中控制。

圖4 智能感知體系（水利感知網(wǎng)）在智慧水利中的定位

3）衛(wèi)星遙感接收處理分發(fā)中心。針對衛(wèi)星遙感影像類別，建設(shè)統(tǒng)一的水利衛(wèi)星遙感接收處理中心，從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心實時接收衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和相應(yīng)產(chǎn)品，經(jīng)自動處理形成水利衛(wèi)星遙感初級產(chǎn)品后按需分發(fā)給各業(yè)務(wù)司局和各區(qū)域水利主管單位。

5 討論

構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)應(yīng)圍繞洪水、干旱、水工程安全運行、水工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、城鄉(xiāng)供水、節(jié)水、江河湖泊、水土流失等九大業(yè)務(wù)和水利監(jiān)督工作，利用傳感、定位、視頻、遙感等技術(shù)，實現(xiàn)感知范圍全域覆蓋。擴大江河湖泊水系、水利工程設(shè)施、水利管理活動等實時在線監(jiān)測范圍，補充完善水文、水環(huán)境、水生態(tài)、水土流失、工程安全、洪澇災(zāi)害、水利管理活動等監(jiān)測內(nèi)容。增強衛(wèi)星、雷達(dá)、無人機、視頻、遙控船、機器人等多種監(jiān)測手段的應(yīng)用，和水利感知終端的智能升級。加強 NB-IoT，5G，小微波，LTE 等新一代物聯(lián)通信技術(shù)的應(yīng)用。水利感知網(wǎng)的建設(shè)從實用、安全出發(fā)，建議抓住以下 3 個重點：

1）擴大感知范圍。擴大江河湖泊水系的監(jiān)測范圍，擴大水利工程設(shè)施的監(jiān)測范圍，提升水利管理活動的動態(tài)感知能力。

2）構(gòu)建數(shù)據(jù)匯集與服務(wù)平臺。構(gòu)建感知數(shù)據(jù)匯集平臺，在水利部、流域和省分別建立三級感知數(shù)據(jù)匯集平臺；構(gòu)建視頻級聯(lián)集控平臺，建立三級級聯(lián)、多級應(yīng)用的水利視頻集控體系，并與現(xiàn)有水利視頻會議系統(tǒng)整合為一個系統(tǒng)，實現(xiàn)全國水利視頻聯(lián)網(wǎng)；建立遙感接收處理服務(wù)平臺，由水利部統(tǒng)一訂購和接收相應(yīng)衛(wèi)星應(yīng)用中心的遙感影像資源和產(chǎn)品，根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行圖像處理、信息提取、圖像解譯和數(shù)據(jù)分析等，提取可用的水利要素，制作相關(guān)專題圖，并建立數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)目錄，按照業(yè)務(wù)和區(qū)域等機制進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，供業(yè)務(wù)部門按需取用，為各級業(yè)務(wù)部門和流域管理機構(gòu)、各省和重點水利工程單位提供數(shù)據(jù)級和產(chǎn)品級的服務(wù)。

3）提升感知智能水平。加強衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感監(jiān)測手段的應(yīng)用，高清視頻監(jiān)控的應(yīng)用，無人機、遙控船、機器人等新型監(jiān)測手段的應(yīng)用，感知終端的智能升級，和新一代物聯(lián)通信技術(shù)應(yīng)用。