何雨田，白美健，張寶忠，姚 彬，史 源

（1.水利部數字孿生流域重點實驗室 中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054）

0 引 言

新的社會經濟發(fā)展形勢下，灌區(qū)服務向著多元化、多維度、精細化、智能化發(fā)展。水資源調度、農業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)供水、生態(tài)供水、防汛抗旱、工程運維等灌區(qū)相關業(yè)務管理服務越來越綜合，管理人員老齡化和不足現(xiàn)象日益凸顯，依靠經驗和人力的傳統(tǒng)灌區(qū)管理方式已難以滿足現(xiàn)階段灌區(qū)管理需求，亟需借助新的技術手段，創(chuàng)新管理服務新模式，加快發(fā)展灌區(qū)智慧化，支撐新時代背景下經濟社會對灌區(qū)的新需求。

“十四五”開始，國家逐步啟動大中型灌區(qū)現(xiàn)代化改造工作，《“十四五”重大農業(yè)節(jié)水供水工程實施方案》優(yōu)先推進124處大型灌區(qū)實施續(xù)建配套和現(xiàn)代化改造和30處新灌區(qū)建設，明確了十四五期間加強灌區(qū)信息化、智慧化建設，提升灌區(qū)供用水管理能力。近年來，隨著大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目和灌區(qū)信息化建設試點及農業(yè)水價綜合改革項目實施推進，大多數灌區(qū)在量測水設施配備、閘門∕泵站控制系統(tǒng)提升改造、業(yè)務應用平臺開發(fā)等方面有了一定基礎，部分灌區(qū)也在積極推動和探索灌區(qū)智慧化建設。

比如，位山灌區(qū)建成了以灌區(qū)業(yè)務信息管理系統(tǒng)、灌區(qū)一張圖和移動智能終端APP為主要模塊的灌區(qū)E平臺，并以灌區(qū)E平臺為核心搭建了智慧灌區(qū)框架體系，初步實現(xiàn)了灌區(qū)信息采集的自動化、信息存儲的數字化、遠程控制管理的網絡化和分析決策的智能化[1]。疏勒河灌區(qū)在現(xiàn)有物聯(lián)網信息化系統(tǒng)基礎上，應用大數據理論開發(fā)智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了灌區(qū)供需水量的智能分析及配水方案的優(yōu)化，推進了疏勒河智慧灌區(qū)建設[2]。人民勝利渠灌區(qū)利用基于NB-IoT的信號無線傳感器節(jié)點、基于物聯(lián)網的云檢測與云計算和基于深度學習的系統(tǒng)診斷等關鍵技術，搭建了人民勝利渠多源信息傳輸的拓撲結構及灌渠系統(tǒng)智慧管理平臺框架[3]。都江堰東風渠灌區(qū)提出建設包括水資源管理模塊、防汛抗旱模塊、工程管理模塊和運維管理模塊的智慧灌區(qū)系統(tǒng)，并基于智能優(yōu)化算法和3S技術，通過大數據收集、分析與修正以及云服務，實現(xiàn)水資源高效利用和水利工程的現(xiàn)代化管理[4]。新疆三屯河灌區(qū)初步完成了以信息采集點建設和灌區(qū)e平臺建設為核心的智慧灌區(qū)整體框架的搭建，基本實現(xiàn)了水、雨情信息的自動監(jiān)測和閘門、視頻的遠程監(jiān)控，并利用軟件進行智能分析為決策提供支持[5]。安徽淠史杭灌區(qū)，立足“數字淠史杭”，構建信息化平臺，初步完成了以防汛抗旱、灌溉調度、決策支持為核心的智慧管理系統(tǒng)建設[6]。昆山花橋天福灌區(qū)探索基于物聯(lián)網技術，建設以數據源、基礎平臺、業(yè)務支撐、應用系統(tǒng)和用戶接口層5部分組成總體架構的現(xiàn)代化生態(tài)智慧灌區(qū)[7]。

不同地域圍繞灌區(qū)智慧化建設所進行的探索對促進智慧灌區(qū)發(fā)展具有重要意義，但多數灌區(qū)受制于項目投資規(guī)模和建管制度，以及灌區(qū)智慧化內涵和整體架構缺乏等問題，灌區(qū)智慧化建設缺乏頂層布局，工程建設碎片化嚴重，不同時期所建的硬軟件設施兼容性差，感知數據難以真正支撐灌區(qū)業(yè)務管理。為此，本文擬在對標城市、交通、農業(yè)、水利智慧化發(fā)展內涵基礎上，提出我國灌區(qū)智慧化發(fā)展內涵及架構。通過分析來自不同地區(qū)的典型灌區(qū)智慧化建設現(xiàn)狀，提出當前灌區(qū)智慧化發(fā)展存在的主要問題和應對措施，以期為灌區(qū)智慧化發(fā)展提供參考。

1 智慧化的內涵

1.1 不同行業(yè)智慧化發(fā)展特點

經濟高速發(fā)展與科技創(chuàng)新席卷全球，互聯(lián)網、物聯(lián)網、大數據、云計算、人工智能等信息技術滲透到各行各業(yè)，為各行業(yè)發(fā)展提供了前所未有的新動能。各行各業(yè)業(yè)務功能特點不同，對智慧化的詮釋和應用也不盡相同，表1歸納總結了城市、交通、農業(yè)和水利等智慧化發(fā)展內涵和特征。

表1 各行業(yè)智慧化發(fā)展內涵、特征及目標Tab.1 Connotation, characteristics and objectives of intelligent development in various industries

灌區(qū)智慧化與城市、交通、農業(yè)、水利智慧化不同點主要體現(xiàn)在行業(yè)發(fā)展特點及目標對象的不同，城市是人類活動的載體，是人與物互動互聯(lián)的空間，其智慧化高度強調人與物廣泛即時的互聯(lián)能力和政府管理與服務的智能化；交通是一個由交通基礎設施、運輸設備和被載的人或物共同構成的一個綜合系統(tǒng)，其智慧化的目的是能為載送的人或物提供高效靈活便捷安全的一體化綜合運輸服務；農業(yè)領域涵蓋了農作物整個生長過程相關的所有生產活動，其智慧化主要強調農業(yè)生產過程全鏈條管理智能化水平的提升；水利行業(yè)涵蓋所有涉水主體，包括自然水系，工程體系和管理體系等，其智慧化強調行業(yè)行政管理和工程管理智能化水平的提升。雖然各行業(yè)智慧化發(fā)展內容略有不同，但核心都是利用新一代信息技術與其發(fā)展深度融合，改變或優(yōu)化現(xiàn)有管理模式，實現(xiàn)信息對象全面互聯(lián)、決策科學智慧、管理智能高效，提高行業(yè)發(fā)展水平。

灌區(qū)作為國家水網的最后一公里，可視為一個點-線-面相結合的特殊水利工程，其功能主要是為灌區(qū)控制范圍內的生產、生活和生態(tài)提供供水服務，同時部分灌區(qū)也面臨洪澇災害、水污染等水治理問題。參考其他幾個行業(yè)智慧化發(fā)展情況，灌區(qū)智慧化發(fā)展主要也是借助新一代信息技術，優(yōu)化現(xiàn)有管理模式，提升其業(yè)務管理和服務能力。

1.2 灌區(qū)智慧化發(fā)展內涵與建設架構

1.2.1 灌區(qū)智慧化發(fā)展內涵

灌區(qū)是由水源-輸配水渠系和排水溝網-控制建筑物-農田構成的點-線-面復雜網絡系統(tǒng)，灌區(qū)管理的核心是通過對水流在灌排系統(tǒng)的運動過程進行精準調控，從而完成灌溉供水調度和防汛抗旱等主要業(yè)務功能，所涉及的關鍵要素包括工程靜態(tài)信息和水流動態(tài)信息，工程調控動作和由此引起的水流過程變化，以及調控決策和調控結果評價等。因此，灌區(qū)智慧化發(fā)展旨在利用高新技術和設施，建成集智慧感知、智慧決策、智慧應用，智能控制和智慧支撐于一體的“綠色、高效、安全”灌區(qū)；通過數字賦能灌區(qū)管理，大幅提升水旱態(tài)勢感知預報、險工險段及時預警、水流過程實時推演、管理方案智慧決策的能力，大幅提高工程建設運維管理、對外數據交互的標準化規(guī)范化水平，實現(xiàn)灌區(qū)工程和供用水管理的數字化、網絡化和智能化，其基本特征是“感知全面、決策智慧、調控智能、灌排精準、管理高效、運行安全”。

1.2.2 灌區(qū)智慧化建設架構

灌區(qū)智慧化建設架構由物理空間層、信息感知層、信息傳輸層、數據處理層、模擬決策層和智能調控層組成。物理空間層是信息感知層的感知對象；信息傳輸層將感知信息傳輸到數據處理層；模擬決策層對數據處理層處理過的信息進行仿真模擬，根據模擬及再學習結果做出決策；智能調控層根據決策指令對調控設備進行智能調控；感知層會對調控運行情況進行再感知，再傳輸至模擬決策層進行分析優(yōu)化，形成不斷優(yōu)化不斷學習的閉環(huán)智慧化管理（見圖1）。

圖1 灌區(qū)智慧化建設架構Fig.1 Intelligent construction architecture of irrigation area

2 我國灌區(qū)智慧化發(fā)展現(xiàn)狀

本文在對全國436個大型灌區(qū)調研數據分析基礎上，又重點針對感知體系建設情況對124個典型灌區(qū)在水情、工情等方面的監(jiān)測情況進行了調研分析。

436個灌區(qū)的調研數據表明，水量計量點量測設施覆蓋率約為17%，配套有信息化管理平臺的灌區(qū)約占79%，其中信息平臺中具備灌區(qū)一張圖模塊的占62%，具備項目建設管理模塊的占39%，具備工程運行管理模塊的占60%，具備用水管理模塊的占78%，具備防汛調度模塊的占42%，具備水費計收模塊的占42%，具備辦公OA模塊的占39%。各功能模塊占比情況在全國不同區(qū)域的分布見表2，不同區(qū)域劃分依據《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中的灌溉分區(qū)[18]?？傮w來看，建立信息化平臺的灌區(qū)占比較高，平臺中業(yè)務功能占比最高的為用水管理系統(tǒng)、其次是一張圖和工程運行管理，據此也可說明對不同區(qū)域所有灌區(qū)而言一張圖的展示查詢功能，和灌區(qū)工程運維與供用水管理功能都是最為重要的業(yè)務需求，而其他防汛調度受地域影響最為明顯，工程建設、水費計收和辦公OA等與不同地域的社會經濟水平、管理機制和管理理念等密切相關，整體而言南方地區(qū)信息平臺和各管理系統(tǒng)內容的占比要高于北方地區(qū)。

表2 不同灌溉分區(qū)灌區(qū)管理應用軟件系統(tǒng)開發(fā)情況Tab.2 Development of application software system for irrigation area management in different irrigation zones

近20年來灌區(qū)信息化建設內容主要集中在感知體系和平臺開發(fā)，為了進一步了解不同區(qū)域灌區(qū)感知內容及其占比情況，本文又進一步選出了124個灌區(qū)對感知體系建設情況進行調研，圖2給出了124個樣本灌區(qū)的空間分布圖，表3給出了不同區(qū)域灌區(qū)水情、工情和其他監(jiān)控設施建設情況。調研數據表明，監(jiān)測內容主要是水情和工情，水情監(jiān)測的分界點通常在專管（灌區(qū)管理局管理）和群管（地方政府管理）的分界點，目前看來分界點以上專管的關鍵節(jié)點是過去量測水設施配套建設的重點，除華南和西南外其他區(qū)域的變化幅度為0%～100%，表明即便是同一區(qū)域，不同灌區(qū)間差異很大，但配套率均值都不高，最高的西北地區(qū)為46.73%，最低的華南地區(qū)為17.66%，其次是黃淮海地區(qū)為37.93%。結果表明，水資源越短缺的地區(qū)，量測水設施的配套率越高。專管與群管分界點是灌區(qū)內不同用水管理單元配水量的計量點，目前從調研的數據來看計量率也并不高，這個配套率的高低與當地農業(yè)灌溉水費征收方式密切相關，華南沿海多數地方水費是財政支付，相應的計量率也很低。泵∕閘等工程信息的遠程自動監(jiān)控占比總體也不高，黃淮海均值最高為22.05%，西北次高為21.02%，華南最低為5.14%，東北次低為10.91%，同一地區(qū)（除華南外）不同灌區(qū)的變幅較大。水功能區(qū)監(jiān)測率整體也不高，長江中下游地區(qū)最高為22.94%，東北地區(qū)最低為5.93%。綜上表明，設施配套占比率受需求牽引影響最大，同時也會受制于灌區(qū)經濟狀況和管理水平，比如水資源短缺地方，水費的收繳率相對最高，用水定額管理需求更大，用水計量也更被重視和關注。

表3 灌區(qū)信息感知建設情況Tab.3 Information perception construction in irrigation area

圖2 樣本灌區(qū)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of sample irrigation area

3 我國灌區(qū)智慧化發(fā)展存在的主要問題

從對全國大中型灌區(qū)信息化建設現(xiàn)狀的摸底數據來看，灌區(qū)信息化水平總體不高，基本上處于量測水等硬件設施的配套階段，支撐智慧決策的算據、算法和算力方面的建設基本處于初級階段，因此灌區(qū)智慧化建設是一個長期的過程，從智慧灌區(qū)最終應該達成的全面感知、智能調控、智慧決策和灌排精準來看，當前灌區(qū)智慧化建設主要存在以下不足。

3.1 數據支撐不夠

灌區(qū)智慧化決策需要通過感知體系獲得數據支撐，目前數據支撐不夠體現(xiàn)在三方面，一是感知覆蓋不全面，這個受制于工程投資等影響，同時在有限的投資下感知點的優(yōu)化布設方面做得也不夠，導致本不多的感知點能真正服務于業(yè)務需求的更少；第二是感知設施不正常讀數，部分感知點有設施，但存在設施不正常讀數或讀數不合理等情況，這個與量測設施運維專業(yè)性強有關，灌區(qū)在信息工程方面運維技術能力相對較弱；第三是數據不可用，許多感知設備能正常讀數，但數據傳回管理系統(tǒng)后，沒有數據治理，管理者能看到設備數據狀態(tài)，但缺少將觀測數據用于業(yè)務管理的中間連接處理部分，所以數據不可用?；谝陨先矫?，目前在各灌區(qū)中感知數據能真正支撐業(yè)務應用的較少，導致感知設施工程效益相對較低。

3.2 算法支撐不夠

盡管調研數據表明，大型灌區(qū)信息化管理平臺建設占比達到79%，但在這些平臺建設中有模型庫和知識庫模塊支撐管理決策的幾乎沒有。灌區(qū)供-輸配-灌-耗-排水循環(huán)過程是一個極為復雜的水動力過程，且受復雜輸配水網絡上眾多閘控節(jié)點的人為干預影響顯著，目前多數灌區(qū)的水資源配置調度和防汛抗旱決策主要依靠傳統(tǒng)手段和經驗判斷，難以做到水資源的靈活便捷動態(tài)調配和高效利用，難以做到洪旱災害的提前預警和應急處理決策及時化。灌區(qū)要實現(xiàn)智慧決策，則必須加強來水預報、需水預測、水資源配置、輸配水聯(lián)合調度、田間灌排及水旱災害防御等專題模型的研發(fā)。

3.3 多專業(yè)融合協(xié)作不足

灌區(qū)智慧化建設中感知體系和系統(tǒng)平臺集成離不開信息化公司，但專題模型開發(fā)和業(yè)務系統(tǒng)設計也必須要有專業(yè)人士參與，兩方面的專業(yè)人士必須通力協(xié)作，才可能建立能真正支撐灌區(qū)業(yè)務的智慧決策平臺。但以往灌區(qū)量測水設施的設計安裝和信息化平臺的開發(fā)主要由信息化公司來承接，公司的強項是硬件開發(fā)和系統(tǒng)集成等，但因為不懂水利專業(yè)知識，在設施安裝的規(guī)范性專業(yè)性方面存在較多問題，導致感知設備觀測數據時常不合理，業(yè)務系統(tǒng)集成時對灌區(qū)業(yè)務邏輯理解不到位，表單設計不合理，使得許多信息化平臺開發(fā)完后真正利用率低。十四五開始，灌區(qū)由續(xù)建配套與節(jié)水改造階段逐步進入現(xiàn)代化改造階段，灌區(qū)信息化發(fā)展迫切需要向數字化提升，在此背景下單靠信息化公司難以獨立完成灌區(qū)專題模型的開發(fā)，故水利專業(yè)與信息化專業(yè)的深度融合協(xié)作被大家所重視，為了更好的推動灌區(qū)智慧化發(fā)展，更多專業(yè)人士需要進一步探索一條長期協(xié)作的模式。

3.4 信息化工程專業(yè)化運維缺乏

量測水設施和信息化平臺等硬軟件工程的運維不同于傳統(tǒng)的渠道等基建工程，運維的專業(yè)性強，目前個別灌區(qū)在探索第三方托管等專業(yè)化運維方式，但多數灌區(qū)基本上是靠承包建設的公司免費維護2～3年，然后則自己運維，而灌區(qū)信息化方面專業(yè)人才的缺乏，使得許多信息化工程使用壽命較短，工程效益低。所以灌區(qū)要真正實現(xiàn)智慧化，保障信息化工程正常運維的體制機制必須完善，否則重建輕管，灌區(qū)智慧化系統(tǒng)很難可持續(xù)地良性運轉。

3.5 統(tǒng)籌發(fā)展能力不足

灌區(qū)智慧化建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，并且隨著信息技術不斷發(fā)展也是一個不斷更新迭代的過程，行業(yè)主管部門需要做好統(tǒng)籌引導、灌區(qū)管理主體需要做好頂層規(guī)劃布局，總體布局與分步實施同步推進，建設與建后運維管理要統(tǒng)籌考慮，不同時間段、不同地點、不同施工單位所建設的硬軟件接口標準要統(tǒng)籌規(guī)劃，但目前多數灌區(qū)做不到以上各方面的統(tǒng)籌布局，智慧化建設目標不清晰、任務不明確，信息工程建設“散、亂、雜”等問題突出，最終導致信息工程效益低下，部分信息工程建后閑置現(xiàn)象嚴重。

4 灌區(qū)智慧化發(fā)展推進建議

（1）重視頂層設計。灌區(qū)管理涉及多部門數據共享、多層級管理機構協(xié)同，灌區(qū)智慧化是一個連續(xù)和不斷更新迭代的過程，不可能一次投資完成，因此為了避免數據孤島、工程碎片化，從國家到地方管理部門都必須重視頂層設計。國家層面需對灌區(qū)智慧化的目標、內涵、建設架構、評估體系、關鍵信息工程建設標準等進行研究討論，形成全國性指導文件，從頂層掌好舵；地方灌區(qū)管理部門，對自己灌區(qū)的智慧化發(fā)展必須優(yōu)先做好頂層規(guī)劃布局，對于感知和控制等硬件設施要對測控點進行整體布局，對于業(yè)務平臺等軟件系統(tǒng)要首先設計好整體的框架，考慮后續(xù)功能模塊的擴充、存儲和算力提升、接口的統(tǒng)一等可持續(xù)更新需要，然后根據每年可投資經費情況，按照輕重緩急的思路分步推進。

（2）把以需求牽引為導向落到實處。對于上層批復項目的管理部門而言，要以地方的需求為主安排項目投資，對于地方管理部門而言，要以灌區(qū)業(yè)務的需求為導向安排工程建設內容，盡量避免建好的工程難以助力業(yè)務管理需求，導致部分工程建后長期被閑置荒廢，影響工程效益發(fā)揮。

（3）重視工程施工過程的專業(yè)咨詢。灌區(qū)智慧化建設涉及較多的新一代信息技術，需要信息化和水利專業(yè)的深度融合，比如量測水設施要確保測量精度，除了設備自身的測量精度外與安裝條件、參數率定等密切相關，前者設備公司負責，后者則需要有水利專業(yè)的人員負責把關，因此建設過程中，建設單位有必要成立由信息化專業(yè)和水利專業(yè)的人員組成的專家組，對于每一個工程節(jié)點的驗收都應該通過專家組確認后才可，這樣可避免不合規(guī)的安裝，避免設施安裝后因為參數率定工作不到位，數據不可用等情況。

（4）創(chuàng)新信息化工程運維管理模式。與傳統(tǒng)基建工程相比，信息化工程運維專業(yè)性強，技術更新快，并且工程互聯(lián)互通形成水聯(lián)網，一個節(jié)點出現(xiàn)故障，可能影響整個系統(tǒng)工程的運行，故障容忍度更低，為了減少信息化工程的故障率和提升故障解決效率，則必須要有專業(yè)人員進行維護，而當下多數灌區(qū)缺乏相關的專業(yè)人才和隊伍，因此如何確保信息化工程可持續(xù)良性運轉，則必須創(chuàng)新當下灌區(qū)工程的運維管理方式，探索第三方托管或灌區(qū)自己成立信息化專業(yè)隊伍等運維模式。

5 結 語

灌區(qū)作為農業(yè)灌溉的供水主體，其智慧化發(fā)展是助力農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，確保國家糧食安全的重要保障。受灌區(qū)工程和功能特點的影響，灌區(qū)智慧化發(fā)展進程除了工程建設投資外，與管理機制體制、社會經濟發(fā)展水平和管理者的思維意識等都密切相關，也決定了灌區(qū)智慧化發(fā)展是一個漫長的循序漸進的過程。在十四五國家全面進入社會主義現(xiàn)代化建設的當下，通過梳理灌區(qū)智慧化建設現(xiàn)狀，剖析存在的問題和不足，提出相應措施與建議對推動灌區(qū)智慧化發(fā)展是十分必要的。文章基于全國大型灌區(qū)信息化建設的調研數據重點從信息感知和平臺建設兩方面分析了全國不同區(qū)域的建設覆蓋情況，再結合灌區(qū)智慧化發(fā)展特點和走訪座談了解到的灌區(qū)智慧化發(fā)展情況，總結了當下灌區(qū)智慧化發(fā)展在數據和算法支撐、多專業(yè)融合、運維模式及統(tǒng)籌布局等方面的不足，重點從頂層設計、項目與工程選擇、建設過程管理和運維等方面提出了發(fā)展建議。