□張蕓

地球上約有3/4的面積覆蓋著水，全球水的總體積約有13億8600萬km3，但人類真正能夠直接利用的水資源，僅是江河湖泊以及地下水中的部分，據(jù)統(tǒng)計可用水量不足4.5萬km3。隨著全球水資源短缺日益加劇，世界各地紛紛運用信息化手段，保護水資源、治理水環(huán)境。傳統(tǒng)的治水方式已無法解決現(xiàn)代環(huán)保所面臨的一系列新問題，科學技術日新月異，5G時代已經(jīng)到來，現(xiàn)通過傳統(tǒng)治水和5G智慧治水方式的對比、5G技術在現(xiàn)代治水中的實用性、5G智慧治水發(fā)展前景分析，探討治水新技術，為新時期治水提供技術參考。

1.5G智慧治水與傳統(tǒng)治水對比

1.1 傳統(tǒng)治水短板

1.1.1 采樣監(jiān)測受限

有些水源地處偏僻的野外，路途遙遠，交通不便，工作人員采集水樣、進行監(jiān)測非常困難，監(jiān)控管理成本高昂。

1.1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)時效性、利用率有待提高

監(jiān)測站點部署和監(jiān)測數(shù)據(jù)指標不夠全面，信息采集間隔長，缺少實時性，無法較為準確的反映出水體的動態(tài)變化情況，由于分析模型單一，采集的數(shù)據(jù)未能充分發(fā)揮作用，缺乏多參數(shù)的綜合分析評估手段。

1.1.3 管理效率急需提升

采用的監(jiān)測設備分處管理，數(shù)據(jù)分散存儲，導致運行維護成本高。很多水源與多個管理單位大范圍交織在一起，關系復雜，權責不清，配套監(jiān)管系統(tǒng)各自為政，從監(jiān)測、預警到治理無法聯(lián)動，反而相互掣肘，影響治水力度，阻礙對水資源的保護。

1.2 5G智慧治水優(yōu)勢

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術逐漸成熟，5G網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)必將引領產(chǎn)業(yè)變革，加速推進各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G網(wǎng)絡具有大帶寬、低時延、高密度等特性，使得廣域環(huán)境下的VR/AR、高清視頻、海量連接成為可能，在當前全球水環(huán)境治理的大背景下，運用5G新技術的優(yōu)勢，立足水文監(jiān)測和水生態(tài)治理領域，打造出智慧治水新模式，從而實現(xiàn)了智慧治水里程碑式的變革，是時代發(fā)展的必然趨勢。

1.2.1 全天候、多維度、大范圍的立體化水質(zhì)監(jiān)控

傳統(tǒng)治水方案監(jiān)測手段單一，只有水質(zhì)數(shù)據(jù)，缺乏實體環(huán)境的立體情況，5G智慧治水方案提供低成本、易部署、免維護的微型在線水質(zhì)監(jiān)測設備，同時通過5G網(wǎng)絡回傳高清實時監(jiān)控視頻，實現(xiàn)全方位立體化監(jiān)測。

1.2.2 智能化信息平臺支撐下快速準確的水情預測

傳統(tǒng)治水方案數(shù)據(jù)利用率低，大量珍貴數(shù)據(jù)沒有被挖掘內(nèi)在價值，5G智慧治水方案提供融合的智慧治水平臺，提供AI智能化分析工具，實現(xiàn)有效地預警和預測，強力輔助治水科學決策。

1.2.3 多環(huán)節(jié)聯(lián)動、全民參與、合力治水

傳統(tǒng)治水方案各級管理系統(tǒng)隔離，缺乏自動化業(yè)務流程和接口打通工具，各種治水環(huán)節(jié)有所沖突。5G智慧治水方案提供功能豐富、高效的管理信息平臺，依據(jù)各地頒布的政策法規(guī)，實現(xiàn)多系統(tǒng)調(diào)度、多地區(qū)聯(lián)動，使各行業(yè)管理部門形成合力，有效地治污水、防洪水、排澇水、保供水、抓節(jié)水，提升水質(zhì)，實現(xiàn)五水共治，將傳統(tǒng)治水提升到更高層次，對水環(huán)境智能化治理意義非凡。

2.5G智慧治水實用性分析

2.1 5G低時延—賦能智慧治水更快速的遠程控制

在智慧治水業(yè)務中引入5G新技術，快速將遠程控制變成現(xiàn)實。相對于4G網(wǎng)絡而言，5G網(wǎng)絡時延大大降低，可達毫秒（ms）級別，這對于很多實時應用影響巨大。在智慧治水業(yè)務中，很多基于云AR/VR的遠程控制服務對網(wǎng)絡時延要求極高，同時需要大量的數(shù)據(jù)傳輸，在4G網(wǎng)絡條件下很難實現(xiàn)，但5G網(wǎng)絡低時延、大帶寬的特性改變了這一現(xiàn)狀，使這項服務得以實現(xiàn)。

利用5G網(wǎng)絡的優(yōu)勢，將AR/VR、無人機/無人船等技術融入智慧治水綜合解決方案，實現(xiàn)對水域的精確巡測及對水質(zhì)/水情的實時監(jiān)控，實現(xiàn)了更真實的交互體驗，更高效的水域治理。

在該流程中，遠程控制的操作人員利用AR設備和虛擬屏幕，可實現(xiàn)無人機/無人船的監(jiān)控巡更、水質(zhì)/水情實時監(jiān)測等業(yè)務。以無人機監(jiān)控巡更為例，無人機搭載高清攝像頭和5G CPE（Customer Premise Equipment），通過5G網(wǎng)絡將高清巡更視頻回傳業(yè)務平臺，利用云端服務器的數(shù)據(jù)存儲和高速計算能力，進行AR顯示；同時，遠程控制人員通過虛擬屏幕下達預設指令，操控無人機進行水域巡更，或者通過設置巡更路線進行自適應巡航。AR設備、無人機與智慧治水業(yè)務平臺通過5G網(wǎng)絡進行控制流與視頻流的交互，實現(xiàn)了快速遠程控制，保證水域治理更加可靠高效。

2.2 5G大帶寬—賦能智慧治水更清晰的視頻監(jiān)控

在智慧治水業(yè)務中，需要大量的視頻監(jiān)控，包括固定監(jiān)測點、移動巡檢等。在4G網(wǎng)絡下，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多路視頻傳輸?shù)拇笃溜@示，但是由于4G自身傳輸速率的限制，無法呈現(xiàn)4K/8K的高清監(jiān)控視頻，更難以實現(xiàn)對畫面質(zhì)量和時延都要求極高的VR實時直播體驗，因此4G網(wǎng)絡下，難以獲得較好的監(jiān)測效果，視頻識別因為采集的視頻清晰度、分辨率問題，導致識別效果不佳。5G網(wǎng)絡的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀。5G的另一大特點就是大帶寬，相對4G網(wǎng)絡，其傳輸速率提升10～100倍，峰值傳輸速率可達10Gbit/s，輕松地實現(xiàn)了高清視頻監(jiān)控的實時回傳，這一特點在“5G智慧治水”業(yè)務中被充分利用，在監(jiān)測水域設置多個固定監(jiān)測點，再利用無人機/無人船進行移動巡檢，保證水域的全天候多維度監(jiān)控。

同時，5G大帶寬的優(yōu)勢更好支持智慧治水AR遠程控制業(yè)務，保障VR實時直播巡檢業(yè)務的執(zhí)行。部署的360度全景4K攝像頭，將拍攝到的高清畫面通過5G空口，接入5G核心網(wǎng)，再經(jīng)過核心網(wǎng)絡和CDN節(jié)點之間的專線，實時傳送視頻信息。用戶在現(xiàn)場佩戴VR眼鏡，沉浸式觀看水源地的4K高清視頻VR直播，其依托5G網(wǎng)絡充分利用5G網(wǎng)絡大寬帶等特點，給用戶帶來沉浸式VR體驗，實時高清的進行水源地的遠程巡更。

除此之外，結合4K/8K超清視頻監(jiān)控畫面，進行高準確率的水情預警自動識別，如圖1所示?；谥腔壑嗡畼I(yè)務平臺的云計算能力和AI分析能力，采用視頻識別技術，對站點攝像頭回傳的水情視頻進行監(jiān)控識別，發(fā)現(xiàn)水情問題。例如，根據(jù)監(jiān)控視頻識別出水面有大量漂浮物，水質(zhì)顏色發(fā)生變化等水質(zhì)異常和污染問題，根據(jù)識別結果生成水情預警事件；同時，基于系統(tǒng)采集到的水情預警數(shù)據(jù)，進行AI分類模型訓練，利用訓練好的分類模型，進行預警的自動分類；基于水情預警分類結果，自動生成水情處理工單，支撐協(xié)調(diào)相關責任主體進行水情事件處理，以保證水域治理的高效、智能。

2.3 5G大連接—賦能智慧治水更海量的設備接入

在智慧治水業(yè)務中引入5G新技術，支持海量的水質(zhì)檢測設備接入，在智慧治水中實現(xiàn)高密度、高頻率的水情信息采集。5G相對于4G網(wǎng)絡而言，連接設備密度增加了10～100倍，在智慧治水業(yè)務中，涉及了包括地表水、城市二次供水在內(nèi)的多種水質(zhì)監(jiān)測終端、洪澇水位監(jiān)測終端、流速監(jiān)測終端、無人機/無人船、高清監(jiān)控攝像頭等各類監(jiān)測終端。5G網(wǎng)絡的出現(xiàn)，保證了這些終端設備能夠順利的接入智慧治水業(yè)務平臺；同時也保證了更多種類、更海量的其他與業(yè)務相關終端可以接入網(wǎng)絡，各終端與云平臺之間能夠進行協(xié)同作業(yè)，完成對水環(huán)境大范圍、高密度、高頻率的水情信息收集感知。

在5G智慧治水方案架構中，采用IoT公共基礎平臺，上承應用，下連設備，匯聚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)；基于采集的海量水情信息，輔助工具、用戶、第三方系統(tǒng)，為終端設備提供有機的關聯(lián)與共享，推動更多的治水應用得以落地，實現(xiàn)了更好效果的水域治理。

2.4 5G云化微服務—賦能智慧治水在線監(jiān)測數(shù)據(jù)交換

智慧治水系統(tǒng)解決方案采用云化微服務的架構，B/S的應用模式，以保障系統(tǒng)軟件的跨平臺性和安全性；同時具備與國家水質(zhì)在線監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)設計為四層次體系結構，分別為水信息數(shù)據(jù)采集層、通訊傳輸層、數(shù)據(jù)接入層、智慧治水系統(tǒng)平臺層?？傮w框架按照設計方案中系統(tǒng)框架的具體要求進行設計，從縱向和橫向2個緯度搭建縱向具有層次性、橫向具有良好擴展性的框架結構。

智慧治水通過水質(zhì)監(jiān)測終端NB/3G/4G/5G通訊模組接入到無線基站，通過無線基站傳輸數(shù)據(jù)到核心網(wǎng)，進而發(fā)送數(shù)據(jù)到智慧治水系統(tǒng)平臺進行存儲、分析，通過智慧治水系統(tǒng)提供治水的業(yè)務服務，展示數(shù)據(jù)給用戶。水質(zhì)監(jiān)測終端與智慧治水系統(tǒng)平臺之間通過mod bus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以及restful接口完成集成對接。

3.5G智慧治水前景分析

聯(lián)合國已將水資源保護和水環(huán)境治理定為可持續(xù)發(fā)展目標，在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的水質(zhì)報告中（UNEP《Water Quality Outlook》）強調(diào)“對任何政府來說，監(jiān)測和管理水質(zhì)都是根本，據(jù)估計投入在治水和衛(wèi)生設施上的每1美元會帶來3～34美元的回報”，號召全球政府重視水資源問題和加大治水建設的投入。

我國自改革開放以來，高度重視水環(huán)境問題?！熬盼濉睂ξ廴緡乐氐摹叭尤睂嵤┲攸c治理；“十二五”明確將節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，全面推行“河長制”；國務院辦公廳2015年8月12日印發(fā)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡建設方案》(以下簡稱《方案》)以及發(fā)布治水的“水十條”計劃（《水污染防治行動計劃》）；將持續(xù)在水質(zhì)監(jiān)測、污染控制和污水治理等領域投資超2萬億元，規(guī)劃到2020年初步建成陸海統(tǒng)籌、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，城鎮(zhèn)污水處理設施全覆蓋，污水治理率達到95%。

無論國際還是國內(nèi)，水資源、水環(huán)境都是人類發(fā)展的重要支撐，保護水資源、治理水環(huán)境已成為全球生態(tài)發(fā)展的共識，智慧治水是智慧生態(tài)發(fā)展的重要一環(huán)，5G智慧治水提高了水資源保護和水環(huán)境治理的效率，有力推動了環(huán)保領域的技術進步和行業(yè)發(fā)展，在5G網(wǎng)絡技術不斷成熟以及商用進程的逐步推進下，必將引領全球新一輪的產(chǎn)業(yè)變革。

4.結論

推廣應用5G技術已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，中國將領跑5G的研究與建設，5G將以全新的網(wǎng)絡架構，提供至少10倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。5G將全面構筑經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵基礎設施，從線上到線下、從消費到生產(chǎn)、從平臺到生態(tài)，推動我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展邁上新臺階。隨著全球水資源短缺的日益加劇，水資源的保護治理已經(jīng)常態(tài)化，為了更好地實現(xiàn)綠水青山這一目標，5G智慧治水必將大有可為、大有作為。