陳 勝 ，姜曉明 ，趙麗平 ，魏耀麗

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3. 北京慧盟信通技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100036）

0 引言

智慧應(yīng)用是當(dāng)前各個(gè)行業(yè)信息化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，各個(gè)行業(yè)都提出了對智慧的理解和應(yīng)用實(shí)踐，這些智慧概念包括智慧城市、農(nóng)業(yè)、交通和水利等。什么樣的信息化系統(tǒng)屬于智慧應(yīng)用，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域也都有自己的認(rèn)識和見解。羅乾鵬等[1]認(rèn)為智慧城市基礎(chǔ)特征體現(xiàn)在對城市全面透徹的感知、無所不在的泛在互聯(lián)、各類智能融合應(yīng)用、統(tǒng)一協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。王丙剛[2]認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一種智慧農(nóng)業(yè)的表現(xiàn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對信息進(jìn)行分析、整合、共享，極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。蔣濤等[3]認(rèn)為智能化技術(shù)可在交通運(yùn)輸領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，形成智慧交通應(yīng)用。趙然杭等[4]認(rèn)為智慧水利是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧模型等為代表的新信息技術(shù)，融合數(shù)據(jù)采集、分析、決策、控制、反饋等信息流程為一體，實(shí)現(xiàn)自主生存、思考、應(yīng)對、學(xué)習(xí)的面向水利應(yīng)用的規(guī)模信息生態(tài)系統(tǒng)。王雪松[5]認(rèn)為智慧水利就是利用信息化、智能化、數(shù)據(jù)化幫助傳統(tǒng)水利邁向現(xiàn)代化水利的一個(gè)過程。蔡陽[6]認(rèn)為智慧水利旨在應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水利對象及活動(dòng)的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用與泛在服務(wù)，從而促進(jìn)水治理體系和能力現(xiàn)代化。王超鋒等[7]認(rèn)為智慧水利是由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、各類通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)成的水利網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)環(huán)境。已有的研究中智慧應(yīng)用較多關(guān)注于物聯(lián)網(wǎng)、信息互聯(lián)互通、人工智能[8]等通用應(yīng)用技術(shù)的研究，在各個(gè)領(lǐng)域的具體智慧應(yīng)用技術(shù)研究較少。

水利信息化應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是服務(wù)于防汛抗旱、水資源管理等實(shí)際業(yè)務(wù)工作，目的是提高工作效率和效果。結(jié)合人工智能等新技術(shù)發(fā)展的趨勢，研究水利行業(yè)的智慧應(yīng)用的目的是讓水利相關(guān)工作和服務(wù)過程更加自動(dòng)化、智能化、人性化。水利行業(yè)的智慧應(yīng)用是結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算能力方面的優(yōu)勢，融合現(xiàn)代的智能感知、信息處理、人工智能、可視化等技術(shù)，使各類信息可以更加容易、高效地獲取，同時(shí)信息表達(dá)形式更加豐富、直觀，信息本身也更加準(zhǔn)確、可靠，并具有更多的應(yīng)用價(jià)值。智慧防汛是智慧水利的組成部分，以江西省小流域智慧防汛系統(tǒng)（以下簡稱為智慧防汛系統(tǒng)）項(xiàng)目建設(shè)為例，介紹智慧水利的具體應(yīng)用技術(shù)，并進(jìn)一步從技術(shù)領(lǐng)域研究探討這幾類技術(shù)。

1 智慧應(yīng)用技術(shù)研究

江西省小流域智慧防汛系統(tǒng)建設(shè)總體思路是：圍繞“會(huì)下多少雨，會(huì)來多少水，影響哪些人，采取哪些應(yīng)對”[9]，形成支持監(jiān)測預(yù)警、防汛會(huì)商、應(yīng)急響應(yīng)和響應(yīng)反饋的一體化防洪減災(zāi)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。智慧防汛系統(tǒng)部署在云平臺上，實(shí)現(xiàn)省級部署、多級使用，即在省級部署應(yīng)用系統(tǒng)，省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)四級用戶均可使用該系統(tǒng)，功能模塊包括監(jiān)測預(yù)警、洪水預(yù)報(bào)、水庫調(diào)度、應(yīng)急響應(yīng)、三維展示和系統(tǒng)管理等。江西省水利信息化在云服務(wù)平臺、智慧水利方面已有相對較好的建設(shè)基礎(chǔ)[10]，為更好地服務(wù)防汛搶險(xiǎn)工作，智慧防汛系統(tǒng)在語音播報(bào)、智能化預(yù)案、智能檢索和語音對話機(jī)器人等方面進(jìn)行了智慧應(yīng)用技術(shù)的研究和初步應(yīng)用。

1.1 語音播報(bào)應(yīng)用

語音播報(bào)應(yīng)用是將系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)信息，通過語音的形式播報(bào)出來。傳統(tǒng)的汛情監(jiān)視界面通過圖標(biāo)閃爍或報(bào)警聲發(fā)出預(yù)警，語音播報(bào)可以將文字信息通過語音信息提醒給用戶，即使用戶不在監(jiān)控計(jì)算機(jī)面前也可以及時(shí)獲得預(yù)警的描述信息，預(yù)警信息包括預(yù)警發(fā)生的地點(diǎn)（危險(xiǎn)區(qū)）、時(shí)間和影響人數(shù)。智慧防汛系統(tǒng)中語音播報(bào)的實(shí)現(xiàn)流程包括語音播報(bào)事件的觸發(fā)、播報(bào)內(nèi)容文本的組織、語音合成及播報(bào)等過程。

語音播報(bào)應(yīng)用的基礎(chǔ)是語音合成（TTS）技術(shù)。語音合成是通過機(jī)械的、電子的方法產(chǎn)生人造語音的技術(shù)，基本結(jié)構(gòu)包括語言（如分詞處理、語義分析）、韻律和聲學(xué)處理。語音播報(bào)應(yīng)用一般利用專門語音合成引擎實(shí)現(xiàn)，如 SAPI（The Microsoft Speech API）語音合成引擎。智慧防汛系統(tǒng)為 B/S 應(yīng)用系統(tǒng)，使用 Speech Synthesis API 作為語音合成引擎，支持 HTML5 的瀏覽器都可以利用 Speech Synthesis API 進(jìn)行語音合成。語音播報(bào)應(yīng)用包括 2 個(gè)基本過程，首先系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要編排文字信息，如組織要播報(bào)的預(yù)警信息內(nèi)容；然后調(diào)用 Speech Synthesis API 接口合成并播放語音。Speech Synthesis API 語音引擎還提供接口控制播放語音的速度、語調(diào)、音量，用于在不同應(yīng)用場景下播放不同語速、語調(diào)的語音。

在智慧防汛系統(tǒng)中，語音播報(bào)主要包括以下 2 個(gè)功能：1）自動(dòng)播報(bào)預(yù)警信息。預(yù)警計(jì)算服務(wù)在后臺持續(xù)運(yùn)行著，計(jì)算服務(wù)根據(jù)實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)的水位、雨量，以及預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警分析計(jì)算，當(dāng)達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警信息（預(yù)警發(fā)生時(shí)間和區(qū)域、等級、影響人數(shù)等）組織文本，然后利用語音合成引擎自動(dòng)發(fā)出語音預(yù)警提醒相關(guān)人員。2）實(shí)現(xiàn)部分功能界面的文本誦讀。在智慧防汛系統(tǒng)中部分功能界面還提供語音播放按鈕，如預(yù)警短信發(fā)送界面，用戶可以通過語音播放短信的內(nèi)容，當(dāng)系統(tǒng)中顯示的文字字號較小時(shí)，或用戶存在閱讀障礙時(shí)可以使用此功能。

語音播報(bào)技術(shù)相對比較成熟，除了比較成熟的語音合成技術(shù)外，還須研究如何組織待播報(bào)的信息內(nèi)容（播報(bào)什么），以及進(jìn)行播報(bào)的方式（何時(shí)播報(bào)、播報(bào)頻次等）。

1.2 智能化預(yù)案應(yīng)用

根據(jù)防汛工作的需求，全國各省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，以及重點(diǎn)防洪工程管理單位和行政村都編制了防洪應(yīng)急預(yù)案，防洪應(yīng)急預(yù)案的內(nèi)容確定了在特定的防洪形勢下，由何人（防汛責(zé)任人）執(zhí)行何事（應(yīng)急響應(yīng)）。編制的防洪應(yīng)急預(yù)案一般為文本格式的文件，當(dāng)汛情發(fā)生時(shí)，相關(guān)人員依據(jù)防洪預(yù)案的規(guī)定執(zhí)行相應(yīng)的工作。為了更方便、高效地執(zhí)行防洪應(yīng)急預(yù)案，近年來也有研究將防洪應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理[11-13]，以便于防洪應(yīng)急預(yù)案的管理和應(yīng)用。智慧防汛系統(tǒng)的智能化預(yù)案應(yīng)用以預(yù)案結(jié)構(gòu)化為基礎(chǔ)，當(dāng)發(fā)生洪水預(yù)警時(shí)系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)生的汛情自動(dòng)關(guān)聯(lián)相關(guān)預(yù)案信息，自動(dòng)確定何種情況下，由何人，做何事。智能化預(yù)案的實(shí)現(xiàn)流程如圖 1 所示。

圖 1 智能化預(yù)案實(shí)現(xiàn)流程

智能化預(yù)案的處理過程是自動(dòng)的、快速的，相關(guān)的響應(yīng)措施根據(jù)洪水影響區(qū)域（危險(xiǎn)區(qū)）、預(yù)警等級自動(dòng)關(guān)聯(lián)和生成，在一定程度上體現(xiàn)了預(yù)案執(zhí)行的智能化，即智能化預(yù)案應(yīng)用。智能化預(yù)案應(yīng)用給實(shí)際工作提供了方便，提高了工作效率和防汛相關(guān)人員之間的協(xié)作能力。智能化預(yù)案應(yīng)用除了實(shí)現(xiàn)防洪預(yù)案結(jié)構(gòu)化存儲外，其功能主要體現(xiàn)在應(yīng)急響應(yīng)部分。應(yīng)急響應(yīng)，即當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)情時(shí)，組織相關(guān)人員及時(shí)采取相應(yīng)的防洪搶險(xiǎn)措施。當(dāng)預(yù)警發(fā)生后，如果啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，智能化預(yù)案應(yīng)用部分會(huì)自動(dòng)根據(jù)結(jié)構(gòu)化預(yù)案，自動(dòng)組織包括防汛責(zé)任人、防汛人員、應(yīng)急工作的相關(guān)信息并提供給用戶。用戶可以依據(jù)系統(tǒng)提供的信息快速組織人員應(yīng)對險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)情，如分配防汛人員相應(yīng)的搶險(xiǎn)任務(wù)。任務(wù)分配后，工作人員通過響應(yīng)反饋功能反饋任務(wù)執(zhí)行情況，防汛指揮人員可以跟蹤各項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行情況，使防洪搶險(xiǎn)工作進(jìn)展可監(jiān)控，過程可追溯。

智能化預(yù)案應(yīng)用在以下幾個(gè)方面還可以進(jìn)一步深入研究及探討：

1）進(jìn)一步研究智能化預(yù)案存儲技術(shù)，探索更有效的智能化預(yù)案存儲方式，如按照知識圖譜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，可以支持復(fù)雜的知識推理，從而形成更加聰明的智能化預(yù)案引擎。

2）智能化預(yù)案的相關(guān)預(yù)案信息還比較有限，需要通過自動(dòng)化、智能化的技術(shù)進(jìn)行完善和更新，如通過機(jī)器識別、知識挖掘等技術(shù)自動(dòng)提取相關(guān)預(yù)案信息，以及進(jìn)行相關(guān)預(yù)案信息的及時(shí)更新。

3）智能化預(yù)案除了在應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)使用，還應(yīng)拓展其他應(yīng)用場景，如和推演系統(tǒng)[14-15]進(jìn)行關(guān)聯(lián)和交互，推演不同場景下的防洪應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行效果，從而形成更加科學(xué)、合理的防洪應(yīng)急預(yù)案。

1.3 智能檢索應(yīng)用

智能檢索應(yīng)用通過關(guān)鍵字可以調(diào)用相關(guān)業(yè)務(wù)功能，查詢相關(guān)業(yè)務(wù)信息，如輸入防汛責(zé)任人的姓名，智慧防汛系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用出該防汛責(zé)任人的即時(shí)通工具或聯(lián)系方式；輸入水庫名稱后系統(tǒng)自動(dòng)提示該水庫的實(shí)時(shí)水位過程、特征值等信息的查詢?nèi)肟冢到y(tǒng)能自動(dòng)感知用戶的業(yè)務(wù)查詢需求。在進(jìn)行智能檢索應(yīng)用時(shí)，首先通過全文檢索機(jī)制根據(jù)關(guān)鍵字自動(dòng)補(bǔ)全用戶的輸入信息，列出用戶查找的潛在各類業(yè)務(wù)對象（人員、各類水利工程對象）；然后對業(yè)務(wù)對象所屬的類別進(jìn)行判別，得到不同業(yè)務(wù)對象可能檢索的業(yè)務(wù)功能；再將可能的功能列表提示給用戶，如“小灣水庫庫容曲線”“小灣水庫實(shí)時(shí)水情”等，用戶選擇功能項(xiàng)后系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能。智能檢索的處理過程如圖 2 所示。

圖 2 智能檢索應(yīng)用的處理過程

智能檢索與全文檢索不完全相同，全文檢索是對信息的檢索，不涉及業(yè)務(wù)功能的調(diào)用。與傳統(tǒng)系統(tǒng)從功能界面中選擇對象再查詢相關(guān)業(yè)務(wù)信息相比，智能檢索調(diào)用系統(tǒng)功能及獲取業(yè)務(wù)信息更加方便、快捷，在防汛應(yīng)急會(huì)商決策時(shí)能夠滿足各類業(yè)務(wù)信息快速、準(zhǔn)確獲取的需求。智慧防汛系統(tǒng)將各類對象建立索引形成對象集合，每類對象有自身的類別屬性，對象類別和系統(tǒng)功能形成對應(yīng)關(guān)系，如圖 3 所示。智能檢索通過業(yè)務(wù)對象、對象類別、功能列表相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立業(yè)務(wù)對象與功能之間的快速通道，使業(yè)務(wù)信息檢索過程更加自動(dòng)化與智能化。

圖 3 智能關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)說明

智能檢索在智慧防汛系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)的對象包括水庫、河道、雨量站等水文站點(diǎn)，以及防汛人員、防洪保護(hù)對象等，相應(yīng)的功能也是針對各個(gè)對象組織的，如水庫特征值、人員聯(lián)系方式、防洪保護(hù)對象基本信息等。

智能化檢索應(yīng)用的目的是實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)功能或信息的自動(dòng)、高效調(diào)用，還可以在以下幾個(gè)方面深入研究：

1）考慮防洪相關(guān)對象之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，如站點(diǎn)的上下游關(guān)系，業(yè)務(wù)功能之間的遞進(jìn)查詢關(guān)系（如查詢了水庫泄洪過程，可能還想進(jìn)一步查詢水庫泄洪對下游的影響情況），研究如何使對象和業(yè)務(wù)功能（或業(yè)務(wù)信息）之間的關(guān)聯(lián)更加智能化的技術(shù)。

2）考慮讓智慧防汛系統(tǒng)自動(dòng)記錄用戶的操作過程，研究如何根據(jù)用戶操作步驟之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動(dòng)向用戶推送相關(guān)業(yè)務(wù)功能和信息。

3）研究水利業(yè)務(wù)知識圖譜的構(gòu)建，形成業(yè)務(wù)對象、功能之間的邏輯關(guān)系，通過知識推理，讓用戶更加快捷、智能地調(diào)用業(yè)務(wù)功能，獲取業(yè)務(wù)信息。

1.4 語音對話機(jī)器人應(yīng)用

語音對話機(jī)器人已被廣泛的應(yīng)用，如百度的小度、小米的小愛同學(xué)等，用戶通過語音對話可以調(diào)用相關(guān)信息，如查詢天氣，播放歌曲。相對于通用的語音對話機(jī)器人，智慧防汛系統(tǒng)的語音對話機(jī)器人，是為了讓用戶通過語音指令快捷調(diào)用系統(tǒng)功能和業(yè)務(wù)信息，如向系統(tǒng)發(fā)出語音指令“執(zhí)行小灣水庫水文預(yù)報(bào)”，系統(tǒng)會(huì)直接打開小灣水庫的水文預(yù)報(bào)用戶界面。語音對話機(jī)器人涉及的技術(shù)過程包括語音識別、自然語音識別（Natural Language Processing，NLP）、指令執(zhí)行。其中語音識別技術(shù)一般使用已有語音識別引擎完成，如科大訊飛、IBM 的 ViaVoice 等語音識別引擎；自然語音處理的框架也比較多，如 OpenNMT，ParlAI 和 AllenNLP 等。經(jīng)過自然語音處理后形成的具有含義的語音指令，能與智慧防汛系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能和信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

語音對話機(jī)器人在智慧防汛系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了部分常用業(yè)務(wù)功能的調(diào)用。智慧防汛系統(tǒng)使用微信公眾號作為語音識別的處理引擎。為提高水利專業(yè)詞匯和對象的識別正確率，還對微信公眾號平臺識別的文本作了同音詞處理，即，將識別的文本中的部分文字替換為同音字的水利工程對象或?qū)Ｓ忻~，自定義 NLP 模塊進(jìn)行分詞處理和語義識別，然后調(diào)用對應(yīng)的系統(tǒng)功能，智能語音對話機(jī)器人的處理過程如圖 4 所示。

圖 4 智能語音對話實(shí)現(xiàn)過程

雖然語音、自然語音等識別技術(shù)已存在較多的研究和應(yīng)用，但是具體應(yīng)用時(shí)，還需要進(jìn)行以下研究和完善：

1）語音識別時(shí)，對防洪業(yè)務(wù)相關(guān)的專有名詞的識別需要進(jìn)行進(jìn)一步研究和處理，語音識別時(shí)系統(tǒng)容易將專有名稱識別為其他近似讀音的詞語，如“小灣”聽成“小碗”，“水位”識別為“誰為”，這時(shí)需要通過專業(yè)術(shù)語、水利工程對象名稱的語料庫對語音識別引擎進(jìn)行訓(xùn)練，從而提高專有名詞的識別能力。

2）自然語言處理對復(fù)雜語法處理還存在困難，如當(dāng)語音指令為“查詢小灣水庫上游最近 3 h 面降雨量”時(shí)，就需要智慧防汛系統(tǒng)能夠理解小灣上游的代表雨量站有哪些站點(diǎn)，然后查詢這些站點(diǎn) 3 h降雨量并進(jìn)行加權(quán)平權(quán)計(jì)算，得到所需的面雨量結(jié)果，此時(shí)需要研究更為復(fù)雜的知識庫體系推理和理解用戶的指令。

3）由于用戶的指令和查詢方式不受智慧防汛系統(tǒng)界面的約束，用戶調(diào)用業(yè)務(wù)信息的指令方式也會(huì)多種多樣，因而需要研究靈活的系統(tǒng)功能適應(yīng)各類語音指令的功能調(diào)用或業(yè)務(wù)信息的獲取。

2 結(jié)語

在江西省小流域智慧防汛系統(tǒng)中對語音播報(bào)、智能化預(yù)案、智能檢索、語音對話機(jī)器人等具體智慧應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，通過智慧應(yīng)用技術(shù)幫助用戶更加容易、快捷、準(zhǔn)確地獲取或傳遞業(yè)務(wù)信息，減少工作強(qiáng)度或提高工作效率。目前這些智慧應(yīng)用技術(shù)還處于初步階段，深度和廣度都還不夠，在防汛相關(guān)知識圖譜的構(gòu)建和應(yīng)用技術(shù)，水利行業(yè)專有名詞的自然語言處理技術(shù)，應(yīng)用系統(tǒng)本身的智慧架構(gòu)適應(yīng)性等方面都有待進(jìn)一步研究和探討。在智慧防汛系統(tǒng)未涉及的其他方面的智慧應(yīng)用技術(shù)也有待于進(jìn)一步探索和研究，如基于人工智能的圖像識別與智能預(yù)警，基于深度學(xué)習(xí)的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，基于對抗學(xué)習(xí)的防洪調(diào)度場景模擬與推演等。