浅谈“智慧水利”

郑灿堂，王庆华 ，张洪芳

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013；2.银泉科技有限公司，山东 济南 250101；3.滨州市海河管理局，山东 滨州 256600）

“智慧水利”是当前国内水利系统的热门话题，“智慧水利”研究和建设方兴未艾。笔者根据自己对“智慧水利”的认识和研究，谈一点肤浅体会，以期与有志于此者商榷。

1 “智慧水利”产生的背景

伴随着全球信息化浪潮，“智慧水利”这一词汇也渐入人们的视野。“智慧水利”是“智慧地球”、“智慧中国”、“智慧城市”理念的行业延伸。

“智慧地球”（Smarter Planet）这一理念，是 2008年11月6日，美国IBM公司董事长兼CEO彭明盛（Palmisano）在纽约召开的对外关系理事会上发表题为《“智慧地球”：下一代领导人议程》的讲话中，首次正式提出来的。“智慧地球”也称为“智能地球”，就是把感应器嵌入或装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓的“物联网”。然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合（百科名片）。在这个整合的网络中，存在能力强大的中心计算机集群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

目前，全国已有28个省、市将物联网作为新兴产业发展的重点之一。若干一级城市已经提出了建设“智慧城市”的详细规划，80%以上的二级城市也明确提出了类似的发展目标。

为了应对全球气候变化和人类剧烈活动导致的洪涝灾害、干旱缺水、水体污染、水土流失等复杂的水务问题,推动水利信息化水平向更高层次发展，我国水利工作者借鉴“智慧地球”的理念提出了“智慧水利”这一概念。

2 “智慧水利”在我国的发展概况

近年来，中国水利水电科学研究院以及江苏、浙江、福建、山东等地也纷纷上马“智慧水利”项目。2010年初，江苏省即借力物联网技术，开始打造“智慧水利”系统。上海市“十二五”规划中明确提出要建设“智慧水网”，现已取得了长足进展。山东省水利科学研究院与银泉科技有限公司双方共同研发的 《基于云计算架构的智慧水利》行业解决方案，荣获美国IBM公司系统与科技事业部大中华区2011年度“最佳行业方案奖”。双方共同研发的《基于云计算架构的莱芜市水利信息综合管理与决策支持系统》已安装就位，开始试运行。双方共同编撰的《山东省肥城市智慧水网规划建设实施方案》已完成待批。

3 “智慧水利”的定义

由于“智慧水利”是近几年出现的新概念，迄今尚无一个得到大家公认的定义，而且对于“智慧”一词比较权威的定义也不尽相同。例如，《新华字典》对“智慧”一词的定义是迅速、灵活、正确地理解事物和解决问题的能力。百度百科对“智慧”一词的定义是由智力体系、知识体系、方法与技能体系、非智力体系、观念与思想体系、审美与评价体系等，多个子系统构成的复杂系统。维基百科对“智慧”一词的定义是高等生物所具有的基于神经器官（物质基础）一种高级的综合能力，包含有：感知、知识、记忆、理解、联想、情感、逻辑、辨别、计算、分析、判断、文化、中庸、包容、决定等多种能力。

百度百科对“水利”的定义是：对自然界的水进行控制、调节、治导、开发、管理和保护，以防治水旱灾害，并开发利用水资源的各项事业和活动。

归纳上述定义，“智慧水利”可以理解为是基于物质基础的、由多个子系统构成的、能够迅速正确地感知、记忆、理解、计算、分析、判断、解决各种水利问题的高级综合能力。

参照上述内容，借鉴“智慧地球”的理念，可以从技术角度将“智慧水利”定义为：“智慧水利”是以水利设施设备和设置在其上的传感网、物联网设备，以及海量存储器、多媒体设备、计算机集群等实体信息设备为基础，以水利专网、卫星通讯网、互联网、泛在网等现代通信设施和技术为纽带,运用遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据处理、虚拟现实、实景增强、仿真模拟、智能分析，以及云计算等技术建立起来的客观感知、实时采集、安全传输、海量存储、信息集成、分析处理、科学决策、及时反馈、智能控制、信息共享的水利网络信息服务环境。其中，水利设施设备可包括水库大坝、江河堤防、涵闸泵站、井窖池塘、沟渠管线、工具车辆等，物联网设备可包括林林总总的传感器节点、射频标签、感知芯片、监控探头、卫星定位、手机、掌上电脑、个人电脑等信息终端。

4 “智慧水利”的愿景

随着无线传感网、物联网、普适计算、情景感知、实景增强等高新技术的发展和运用，世界万物在贴上射频标签或嵌入感知芯片后都变成了可以感知和自治的“智慧生物”。不管你是在家、在办公室，还是在工程现场，都可以手持掌上电脑（PDA）“感、视、令”各种“智慧生物”。如检测水库大坝，当把PDA朝向坝体时，会看到坝内渗压传感器当前的压力和安全范围、测缝传感器的缝隙量和预警范围。

测量土壤墒情时，将PDA对准麦田里的智慧传感器，马上会知道土壤水分含量、光照强度、麦子生长状况；当你想启动机井水泵、打开分水闸门时，轻触PDA中“智慧生物”的触觉，它就为你启泵、开闸。

当然，上述命令也可不必你亲自在PDA上下达：当“墒情智能生物”感到干渴时，它自己会通过物联感知网告诉“水泵智能生物”开泵抽水；当“墒情智能生物”喝饱后它又告诉“水泵智能生物”关机。现实中的你只需要通过PDA告诉“墒情智能生物”水分缺到什么程度时才需要发出喝水的请求，告诉智能雨量感应器“感雨智能生物”多久没有降雨就发出报警，告诉“水泵智能生物”在接到“墒情智能生物”、“感雨智能生物”、“作物感知智能生物’、数据中心气象预报未来雨情等阈值时请自动抽水灌溉。

你也可以预先通过PDA告诉这些“智能生物”在感觉“不舒服”的时候告诉“我”，这样，你就可以在家、办公室或其他任何地方感知它们的 “身体和工作”状况了，甚至还可以给它们“安慰和治疗”。

无所不在、无所不感、无所不治。麦子告诉渠道要喝水、渠道告诉水闸要输水，水闸听到互联网天气预报说今明两天大雨概率60%，它拿不定主意开不开闸放水，它又呼叫他的主人“水管PDA”给它做主，主人在PDA上发出先给最渴的麦田喝水，明天如果收到“感雨智能生物”雨量超过20 mm的报告就关闭闸门，如果小于20 mm就继续开闸。这就是泛在网，这就是智慧感知。人和贴上射频标签或嵌入感知芯片的物体都是“生物”，每时每刻、天涯海角的这些“生物”都在相互沟通，而你和我是智慧“生物”的“智慧思维程序”的开发者、输入者，是他们的主人。泛在的“智慧水利”就是人们想要的现代信息设备和技术与水利实体设施设备深度融合的模式。

5 “智慧水利”技术框架

“智慧水利”是架构在实体水利设施之上、现代信息设备和技术支撑下、以区域（省、市、县）或流域云服务平台为核心、以水利各专业应用与决策支持为目标的高度智能化的信息系统。该系统主要由信息采集层、通信网络层、信息处理层和应用服务层构成（见P64页附图）。

5.1 信息采集层

该层是“智慧水利”的基础。它包括传感器节点、射频标签、感知芯片、监控探头、卫星定位、手机、掌上电脑、个人电脑等信息终端，构成智能型分布式自动监测监控系统，用来监测监控水库大坝、江河堤防，涵闸泵站、井窖池塘，沟渠管线、工具车辆等实体水利设施，实时采集诸如水位、水质、流速、流量、闸门开度、供水压力以及水情、雨情、墒情、工情、灾情等数据信息。该层需要突出的重点是泛在互联、人物相联、物物相联、智慧推送、成本低廉、易于维护。

5.2 通信网络层

该层是信息的传输通道。它包括水利专网、卫星通讯网、因特网、电信运营商的2G-3G-4G移动通信网和 WiMax、Zigbee、WLAN 等无线网。

5.3 信息处理层

该层是信息汇集、存储、计算、分析、决策、反馈、处置的枢纽，是“智慧水利”的核心，相当于人的大脑。信息处理层实际上是基于云计算架构的数据中心，或称之为“云平台”。

云计算是一种基于互联网的、大众参与的计算模式，其计算资源（计算能力、存储能力、交互能力等）是动态、可伸缩且被虚拟化的，以服务的方式提供。这种新型的计算资源组织、分配和使用模式，有利于合理配置计算资源并提高其利用率，促进节能减排，实现绿色计算。云计算平台是云计算中心的内部支撑，处于云计算体系核心。对内将不同的计算资源和服务统一管理，隐藏了复杂的软硬件配置、扩展、升级，以及故障修复等，使用户无需面对系统软件、中间件和应用软件，而直接转向定制服务功能。对外提供了通用的、集成的、便捷的使用所有计算资源的手段和人机交互接口，让用户通过无所不在的网络方便高效地获取服务和进行信息处理；同时，他还可以根据需求的变化，自动地对计算资源进行分配和调度，实现高度“弹性”的缩放和优化使用。实际上，云计算平台实现了计算资源在组织和管理模式上的规模化、集约化和专业化。

大量传感器感知的海量数据通过通信网络层传输到云计算平台的云存储，云存储会按照国家标准和行业标准进行分类，按照类别将所有数据有序地存储在云计算数据中心，部署在云计算平台的防汛抗旱指挥、水利行政资源管理、水资源管理决策、水质监测与评价、水土保持监测与管理、水利工程建设与管理、农村水利建设与管理、水利规划设计管理、水利工程移民管理、水利专业数字图书馆、水利信息公众服务等软件系统，随时按照用户要求处理这些海量数据。

5.4 应用服务层

该层相当于人的思维和行动。应用服务层可以分为两个方面：一方面是自动响应，可以事先做好各种数学模型，对各种事务做好各种预案，一旦某种条件符合，系统会自动响应，向云计算平台发出请求，云计算平台会自动分析处理这些请求。比如蔬菜大棚的某种蔬菜，通过传感器感知光照不足，向云计算平台发出请求，云计算平台的相应软件系统根据相应的数据进行分析后，向该大棚的相关设备发出指令，在晚上光照不足时自动开启相关灯光补充照明；温度过高时会及时开启相关通风设备通风或通过喷淋设备喷水降温。另一方面是随时按照用户的请求，分析处理各种信息数据，为领导和相关人员提供决策依据。比如汛期，连续的阴雨天气已经使得某水库水位处于临界状态，对水库泄洪量的把握怎样决策，系统会根据当前水库上游各个雨量检测点的实时数据，以及当前水库水位状况，再根据天气预报情况，为决策者提供水库泄洪量的参考数据；根据预案和泄量，系统也会自动设定闸门开度，开闸泄洪。泄出的洪水对下游的影响会以三维地图的形式展现在决策者面前。

6 结语

水利行业是一个信息密集的行业，无论是水利工程建设还是水资源管理，都离不开建立在对相关信息进行大量采集、分析处理基础之上的科学决策。无论是防洪、排涝、蓄水、抗旱等方面的水利工作，还是供水、排水、污水处理、中水回用等各个环节的水利工作，都需要紧密联系，统一规划、统一建设、统一调度、合理配置；将区域（省、市、县）或流域范围内的地表水与地下水、城市水与农村水、水量与水质、水体与环境统筹考虑，综合管理，这就需要通过先进的信息技术对水资源的开发、利用、管理与保护的方方面面、时时刻刻产生的信息进行采集，通过传感网、物联网和互联网等传送到数据中心，通过仿真模拟等技术对上传的数据进行分析处理，科学决策，给相应对象以及时反馈，智能监控。相关信息和处置结果同时共享给政府、有关单位或社会公众。因此，深化“智慧水利”研究，加快“智慧水利”建设，是十分必要的。

［1］蒋云钟，冶运涛，王浩.智慧流域及其应用前景.系统工程理论与实践，2011（6）.

［2］陈阳宇.数字水利.北京：清华大学出版社，2011.

［3］刘庆涛，崔瑞玲，耿丁蕤.水利信息云建设初探.水利信息化，2012（2）.

［4］李德毅，林润华，李兵.2012云计算技术发展报告.北京：科学出版社，2012.