高 鍵，張 智 涌，，劉 明 錦，張 修 陽，羅 亞 東，李 儒 兵

(1.四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州 611845 ；2.四川水利創(chuàng)新發(fā)展研究院，四川 崇州 611845；3.成都同飛科技有限責任公司，四川 成都 610031)

1 概 述

四川省位于西南腹地，地處長江上游，境內(nèi)以長江水系為主，較大的支流有雅礱江、岷江、大渡河、理塘河、沱江、涪江、嘉陵江、赤水河，湖泊有邛海、瀘沽湖和馬湖。支流和湖泊眾多，水系和氣候條件復雜。四川省水旱災害易發(fā)且頻發(fā)，防汛抗旱、水利建設、水資源管理等任務繁重[1]。

隨著信息技術的高度發(fā)展，云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術在各行各業(yè)的深度應用皆取得了較好的顛覆性效果。因此，如何將信息技術應用與水務管理工作相融合，打造四川省智慧水利體系，為四川省水利工作帶來實時準確的信息、高效的資源利用、上層的智能分析決策以及主動的社會民生服務等具有十分重要的建設與指導意義[2]。

所謂“智慧水利”，就是利用GIS技術、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術，對水利對象及水利活動進行透徹感知、全面互聯(lián)、智能應用、泛在服務，促進水治理體系和治理能力現(xiàn)代化的新理念和新模式，從而提高水利部門的管理效率和社會服務水平，推動水利信息化建設，逐步實現(xiàn)“信息技術標準化、信息采集自動化、信息傳輸網(wǎng)絡化、信息管理集成化、業(yè)務處理智能化、政務辦公電子化”[3-4]。

目前，四川省水利信息化在計算資源、數(shù)字資源、網(wǎng)絡聯(lián)通、數(shù)據(jù)收集等方面已經(jīng)取得一系列成果。初步完成了水利工作數(shù)字化的相關建設，能夠在日常管理工作中使用信息化手段來改善傳統(tǒng)工作效率[5]。

水利信息化的持續(xù)發(fā)展與建設，雖然有效地改善了傳統(tǒng)水利工作中各方面的陳舊問題，但是，新的問題又在水利信息化建設過程中逐漸暴露出來，如基礎數(shù)據(jù)采集仍靠人工收集，管理決策仍靠人為經(jīng)驗，各信息化系統(tǒng)中業(yè)務流轉(zhuǎn)阻塞以及“信息煙囪”等[6]。為解決上述問題，在水利信息化建設成果的基礎條件下，引進新技術、新理念、新思想，建設更合理、更科學、更智能的智慧水利是水利信息化發(fā)展的必然選擇[7]。通過智慧水利建設達到提升數(shù)據(jù)采集能力以及決策的科學性和業(yè)務服務的效率，從而消除“信息煙囪”現(xiàn)象。

2 四川省智慧水利體系構(gòu)建

2.1 業(yè)務需求

2.1.1 防汛抗旱預警能力提升

在現(xiàn)有的水利工程設施、水資源情況及氣象狀況的基礎上，通過合理的信息監(jiān)測手段，獲取防汛抗旱相關的實時數(shù)據(jù)信息。同時，綜合各項工情數(shù)據(jù)，及時對江河洪水、突發(fā)性洪水、干旱等異常事件做出預測與響應，聯(lián)動協(xié)調(diào)相關部門，共同應對出現(xiàn)的險情。

2.1.2 水資源集中統(tǒng)籌管理

為有效地整合資源，推進水資源科學化管理，亟需在現(xiàn)有信息系統(tǒng)基礎上，建立“數(shù)據(jù)采集、信息分析、監(jiān)控管理、移動聯(lián)動”的四位一體大數(shù)據(jù)共享利用平臺，實現(xiàn)水資源管理服務“同一平臺”、信息集成“同一數(shù)據(jù)庫”、直觀展示“同一張圖”、結(jié)果分析“同一應用”的資源共享和業(yè)務協(xié)同。

2.1.3 網(wǎng)絡化和電子化的水政執(zhí)法

水政監(jiān)察以書面材料保存，不僅使信息的查詢和統(tǒng)計相對困難，準確度受到影響，且基本不能滿足智慧城市和智慧水利對水政執(zhí)法全過程監(jiān)督的要求。實現(xiàn)水政監(jiān)察執(zhí)法管理的公開化、網(wǎng)絡化，提高執(zhí)法的力度和管理的科學性，同時，要將水政統(tǒng)計管理、水政監(jiān)察等相應案件情況傳輸?shù)搅饔蛑行倪M行統(tǒng)一管理。

2.1.4 貫徹最嚴格水資源管理制度

根據(jù)《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》—國發(fā)〔2012〕3號文件的意見，要嚴格規(guī)劃管理和水資源論證，要按照流域和區(qū)域統(tǒng)一制定規(guī)劃，要充分發(fā)揮水資源的多種功能和綜合效益。同時，要嚴格控制流域和區(qū)域取用水總量，加快制定主要江河流域水量分配方案，建立覆蓋流域和省市縣三級行政區(qū)域的取用水總量控制指標體系以實施流域和區(qū)域取用水總量控制[8]。

2.1.5 灌區(qū)信息化推進水權(quán)改革

利用物聯(lián)網(wǎng)技術推動“智慧灌區(qū)”的改造，將傳統(tǒng)灌區(qū)所產(chǎn)生的全量數(shù)據(jù)進行探測、分析、綜合應用，構(gòu)建利于農(nóng)林水產(chǎn)、工業(yè)、生活的新型“智慧”模式，為灌區(qū)管理者提供智能決策輔助，為用水消費者提供便捷、高效的智能服務[9]。

2.1.6 水利工程安全運行

加強水利工程設施管理，確保工程的安全運行，不斷提升水利工程運行效果，才能獲得最大的經(jīng)濟效益和社會效益[10]。因此，確保水利工程安全運行是水利管理職能部門的重要需求。

2.2 功能需求

2.2.1 建立水利信息監(jiān)測和傳輸體系

建立覆蓋四川省的水利相關信息的實時監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，主要包括水源地、取水工程、灌區(qū)取用水水量水質(zhì)，入河排污口水量水質(zhì)，地下水水位水質(zhì)，排水管網(wǎng)水位，主要江河的市級控制斷面的水量水質(zhì)，工情、旱情、墑情等信息。

2.2.2 建立統(tǒng)一的水利大數(shù)據(jù)中心平臺

建立四川省智慧水利大數(shù)據(jù)中心平臺，完成各類水資源信息的接收、轉(zhuǎn)換、存儲、計算和數(shù)據(jù)管理，從而生成相關的大數(shù)據(jù)應用，為相關決策、分析、統(tǒng)計提供堅實的數(shù)據(jù)依據(jù)和支撐。大數(shù)據(jù)中心平臺通過統(tǒng)一的ETL工具和數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)對前端采集的各類水利數(shù)據(jù)的接收和處理，分類存入各類業(yè)務數(shù)據(jù)庫中，提供統(tǒng)一的接口供其他系統(tǒng)使用。

2.2.3 建立水利業(yè)務管理平臺

完成取水管理、水源地管理、水費征收管理、水資源規(guī)劃管理、用水管理(含計劃用水管理和節(jié)約用水管理)、河湖管理、入河排污口管理、水質(zhì)監(jiān)測管理、水功能區(qū)管理、城市水生態(tài)建設管理、水政執(zhí)法管理和政策法規(guī)管理，及時制作并發(fā)布水利公報、水利年報，快捷、高效、智能地完成水行政主管部門日常業(yè)務管理工作，為四川省水利日常管理工作提供技術支持。

2.2.4 決策支持

決策支持主要實現(xiàn)水資源的精細化管理、精準化評價、承載能力分析、水資源跨時空跨地域的科學智能調(diào)度。實現(xiàn)洪水、干旱的精準化預測預報、災情的精準評價和應急指揮調(diào)度，全面提升水災害的主動防御能力。實現(xiàn)水生態(tài)的科學評估、趨勢預測和成因分析，提升水生態(tài)環(huán)境的精準治理能力。加強重大水土流失特定區(qū)域的監(jiān)測評價和監(jiān)督管理；實現(xiàn)水利工程建設運行維護全生命周期的管理、工程運行安全態(tài)勢的準確分析和預測，提升水工程建管和運行的綜合保障能力。圍繞行業(yè)監(jiān)督稽查、安全生態(tài)監(jiān)管、工程質(zhì)量監(jiān)督、項目稽查和監(jiān)督?jīng)Q策，構(gòu)建水監(jiān)督智能應用，全面提升水利監(jiān)督的智能化支撐能力。實現(xiàn)智慧資產(chǎn)監(jiān)管、移民智能監(jiān)管、扶貧智能監(jiān)管、項目智能規(guī)劃、智慧機關建設、財務智能管理，全面提升水行政管理工作的智慧化水平。

2.3 數(shù)據(jù)需求

2.3.1 數(shù)據(jù)縱向流程

數(shù)據(jù)縱向流程是指信息在監(jiān)測站、水利局數(shù)據(jù)中心、省級、水利部等上下級不同層級之間傳輸?shù)倪^程。監(jiān)測站與水利局數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)信息傳輸主要是通過移動網(wǎng)絡(GPRS/4G)、厘米波網(wǎng)絡或光纖網(wǎng)絡進行傳輸，各級水資源管理機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)信息傳輸主要依托保密內(nèi)網(wǎng)和政務外網(wǎng)。

2.3.2 數(shù)據(jù)橫向流程

數(shù)據(jù)橫向流程是指數(shù)據(jù)信息在同一平臺的不同層級之間流動的過程。數(shù)據(jù)信息都是通過信息采集與傳輸層進入到數(shù)據(jù)資源層，業(yè)務應用層在支撐平臺層的基礎上，通過調(diào)用數(shù)據(jù)源層的采集數(shù)據(jù)和由支撐平臺層集成而來的外部交換數(shù)據(jù)進行業(yè)務處理，生成的業(yè)務數(shù)據(jù)通過應用交互層的兩大門戶為用戶提供服務。

2.3.3 數(shù)據(jù)清洗分類

對數(shù)據(jù)進行分類是實現(xiàn)智慧水利的重要基礎，沒有清晰的數(shù)據(jù)類目，則無法從數(shù)據(jù)中分析出潛在規(guī)律和問題，四川省智慧水利系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)分類流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)加工示意圖

水利數(shù)據(jù)通過各類現(xiàn)場采集點、人工錄入、業(yè)務系統(tǒng)等諸多情形生成，生成的數(shù)據(jù)匯入智慧水利大數(shù)據(jù)中心形成全量大數(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)清洗功能，將雜亂無序的水利大數(shù)據(jù)輸出為可利用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包含屬性數(shù)據(jù)、量質(zhì)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和時效數(shù)據(jù)等。

2.4 核心要素

2.4.1 數(shù)據(jù)建設

數(shù)據(jù)是一切的基礎，有了數(shù)據(jù)，上層應用和智慧分析才有基礎支撐。因此，通過數(shù)據(jù)主導應用，以數(shù)據(jù)為核心，再利用數(shù)據(jù)進行全域標識、狀態(tài)精準感知、數(shù)據(jù)實時分析、模型科學決策、智能精準執(zhí)行，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，構(gòu)建水利數(shù)據(jù)大腦，實現(xiàn)水利的模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制，以“一庫一平臺一張圖N應用”為核心架構(gòu)，構(gòu)建水利數(shù)據(jù)生態(tài)，創(chuàng)新業(yè)務應用(圖2)。以地面站網(wǎng)為基礎，以水循環(huán)為線索，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、

圖2 “一庫一平臺一張圖N應用”示意圖

遙感等通信技術，通過前端各類傳感器采集設備，實現(xiàn)水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等信息的立體高效監(jiān)測，構(gòu)建天、空、地全方位、一體化的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

2.4.2 數(shù)據(jù)異地災備和高可用系統(tǒng)

建立四川省智慧水利大數(shù)據(jù)中心平臺，數(shù)據(jù)集中存放和管理，管理上簡單高效，但也增加了一定的風險，單節(jié)點的故障會影響到整個大數(shù)據(jù)中心平臺的運行和數(shù)據(jù)安全。為了保證數(shù)據(jù)可靠性和高可用性，需要在異地增加相應的數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)。

四川省水利廳的1個主數(shù)據(jù)中心在都江堰，建議在相關高校設立大數(shù)據(jù)副中心作為數(shù)據(jù)和服務的備份以及業(yè)務高可用性，保障業(yè)務的不間斷連續(xù)運行。數(shù)據(jù)可實現(xiàn)異地備份和業(yè)務的高可用性(圖3)。通過TCP/IP協(xié)議，容災備份將本地的數(shù)據(jù)實時備份到異地服務器中,實現(xiàn)主備數(shù)據(jù)統(tǒng)一同步。需要進行數(shù)據(jù)恢復時，利用異地備份的數(shù)據(jù)遠程反向恢復到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)恢復進度(日期)可以進行調(diào)整，數(shù)據(jù)恢復中途可以回退，提高數(shù)據(jù)備份和恢復的靈活性和安全性。高可用系統(tǒng)是確保在主數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障且不能提供服務時，做業(yè)務服務的無縫切換和接管。

2.5 體系構(gòu)建

通過基于設計的研究方法，在梳理出核心要素的基礎上，構(gòu)建了四川省智慧水利體系架構(gòu)(圖4)。四川省智慧水利體系主要采用“五橫二縱”體系，“二縱”為水利業(yè)務標準規(guī)范體系和信息安全防護體系，“五橫”為基礎設施、數(shù)據(jù)資源、應用支撐、業(yè)務應用、用戶等五個層次。

圖3 數(shù)據(jù)分布圖

2.5.1 基礎設施層

基礎設施層主要包括網(wǎng)絡層和采集感知設施。其中，網(wǎng)絡層包括水利業(yè)務網(wǎng)、水利工控以及外聯(lián)網(wǎng)；采集感知設施包括水文測站、視頻監(jiān)控站、北斗定位、衛(wèi)星遙感、移動監(jiān)測設備等。

2.5.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層主要包括基礎數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫。其中，基礎數(shù)據(jù)庫主要包括基礎地理、社會經(jīng)濟、河流湖泊、水利工程、水利行業(yè)單位等數(shù)據(jù)，業(yè)務數(shù)據(jù)庫主要包括九大業(yè)務和水利監(jiān)督業(yè)務的監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)以及其他相關數(shù)據(jù)等。

2.5.3 應用支撐層

應用支撐層主要包括基礎應用支撐和業(yè)務應用支撐。其中，基礎應用支撐主要包括身份認證、一張圖、圖像識別、語音輸入等通用基礎應用支撐，水利業(yè)務應用支撐主要包括水文模型、水動力模型、水質(zhì)模型、水利遙感模型等專業(yè)應用支撐。

2.5.4 業(yè)務應用層

圖4 四川省智慧水利體系架構(gòu)圖

業(yè)務應用層主要包括水旱災害防御決策支持系統(tǒng)、水工程建設與安全運行監(jiān)控平臺、節(jié)約用水與水資源監(jiān)控平臺、河湖長效保護與動態(tài)管控平臺、水生態(tài)與水土保持管理系統(tǒng)、水利綜合監(jiān)管平臺等六大重點業(yè)務應用平臺，以及公共服務綜合平臺。

2.5.5 用戶層

用戶層是水利業(yè)務系統(tǒng)相關應用主要面向的使用者，如水利廳、流域管理機構(gòu)、縣市級水利主管部門以及社會公眾等。

3 智慧水利建設關鍵技術

3.1 物聯(lián)感知技術

感知對象主要包括江河湖泊、水利工程和水利管理活動三個類別，每個類別都包括多種感知對象，每個對象需要感知多個要素，每個要素可以通過一種或多種技術進行感知。感知技術主要包括人工填報、設備監(jiān)測、視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測、導航定位和互聯(lián)網(wǎng)抓取等。

3.2 大數(shù)據(jù)技術

水利大數(shù)據(jù)支撐平臺是智慧水利建設工程的核心數(shù)據(jù)管理和服務平臺，是整個水利業(yè)務管理、數(shù)據(jù)分析和利用的基礎性工程。大數(shù)據(jù)技術包括數(shù)據(jù)存儲計算、大數(shù)據(jù)交換匯集、大數(shù)據(jù)治理、大數(shù)據(jù)共享服務、大數(shù)據(jù)智能分析、大數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)安全等。

3.3 數(shù)值分析技術

數(shù)值分析技術是通過現(xiàn)實問題加以分析，建立數(shù)學模型，并將各參數(shù)進行合理設置，最終通過一系列算法求出相應結(jié)果。

3.4 水利模型技術

水利模型技術能夠描述環(huán)境污染物在水中的運動和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為水資源保護服務，用于實現(xiàn)水利模擬和效果評價，進行水利預測和預報，實現(xiàn)水利設施建設控制。

3.5 水力模型技術

水力模型能夠模擬自然環(huán)境中的水的動態(tài)變化，預測當時環(huán)境給予某種影響時所發(fā)生的變化，確定各種現(xiàn)象和變化過程的因子，模擬水流、污染物等擴散規(guī)律和情況。

3.6 BIM+VR虛擬現(xiàn)實技術

構(gòu)建水利BIM模型，并結(jié)合到現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)中，利用虛擬現(xiàn)實硬件，實現(xiàn)沉浸式漫游瀏覽，采用互動式交互操作，實現(xiàn)模型的切割、漫游和修改等。

4 結(jié) 語

利用智慧水利可及時收集各類江河湖泊、水利工程與水務工作所產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)，并通過水利大數(shù)據(jù)中心對各類數(shù)據(jù)進行梳理與清洗，再運用相應算法模型生成可供管理者進行決策輔助的可視化結(jié)果，在提高我省水利工作高效性的同時，也能促進相關水利監(jiān)控、管理與實施的智能性。智慧水利體系的確定，不僅能夠促進水利水務的信息化發(fā)展，也為未來水利行業(yè)數(shù)字化建設提供了良好的理論支撐。智慧水利體系并非一個結(jié)構(gòu)固定的封閉體系，隨著信息技術的不斷發(fā)展，研究需要不斷融入新技術與新思想，以便智慧水利工程的建設呈良性的可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。