“智慧淮河”设想及总体框架

杨运 苗建中

“智慧淮河”设想及总体框架

杨运 苗建中

一、“智慧流域”概念的产生

“智慧地球”这一理念拟将新一代IT技术充分运用到各行各业中，即将传感器嵌入和装备到人们生活中的各种物体中，使得医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、供水系统、大坝等互联形成“物联网”，在此基础上通过超级计算机和云计算将物联网整合起来，从而便于人类以更加精细和动态的方式管理生产和生活，实现全球的“智慧”状态。伴随着“智慧地球”概念的提出，IBM相继推出了各种“智慧”解决方案，包括智慧的城市、智慧的电力、智慧的医疗、智慧的交通、智慧的供应链、智慧的银行业等，其中智慧城市是IBM“智慧地球”策略中最重要的一个方面。智慧城市的核心是以一种更智慧的方法通过利用以物联网、云计算、大数据分析、移动互联网等为核心的新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交往的方式，对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出快速、及时、智能的响应，提高城市运行效率，为居民创造更美好的城市生活。如今，智慧城市的建设已在全球广泛兴起，2012年全球600多个城市正在建设智慧城市，98%分布于欧美韩日等发达国家。我国约193个城市被住建部确定为全国智慧城市试点建设城市，2014年国务院《国家新型城镇化规划》进一步要求大力推进智慧城市建设。

随着我国社会经济的快速发展以及全球气候变化、人类活动加剧，水资源供需矛盾日益突出，极端水文气象、地质灾害、水污染等事件造成了水资源短缺、洪灾旱灾并重和生态环境恶化等复杂水资源情势。而水作为一种自然资源和环境要素，其形成和运动具有明显的地理特征，以流域为单元的水资源统一管理模式为世界上多数国家所采用。为应对上述问题，实行最严格水资源管理制度，推动流域管理的信息化、现代化、可持续发展，在智慧城市建设经验的基础上，从流域层次制定智慧化方案催生了“智慧流域”。2011年，蒋云钟、王浩等借鉴“智慧地球”的理念提出了把新一代IT技术运用于流域综合管理的“智慧流域”概念。所谓“智慧流域”，即把传感器嵌入和装备到流域各个角落的自然系统如降雨、蒸发、径流、地下水、植被等观测地，以及人工系统如水源地、输水、供水、用水、排水和水利工程等各种物体中，并通过普遍连接形成“流域物联网”，而后通过超级计算机和云计算将“流域物联网”整合起来，以多源耦合的气象水文信息保障平台、二元水循环及伴生过程数值模拟平台、水资源数值调控平台、流域数据同化系统平台、流域虚拟现实系统平台等为支撑，并将其与数字流域耦合起来，完成数字流域与物理流域的无缝集成，使人类能以更加精细和动态的方式对流域进行规划、设计和管理，从而达到流域的“智慧”状态。这样的智慧流域具有更透彻的感知、更广泛的互联互通、更深入的智能化等特征。通过智慧流域建设，流域将高度数字化、高度仿真、高度智能化，个人、各级水行政主管部门、企业、组织、自然和社会之间的互动将更为便利，流域防汛抗旱管理、水资源管理保护、水土保持与农村水利管理、河道采砂管理、工程建设管理等将实现智能化，流域综合管理水平得到极大提升。

二、智慧流域建设概况

“智慧城市”概念兴起较早，全球已经广泛开展有关建设，尤其是欧美韩日等国已经发展到较高的水平。如美国迪比克市实现了水、电、油、气、交通等方面的感知互联；瑞典斯德哥尔摩市实现了智慧交通系统，解决了交通拥挤问题；荷兰在智慧水管理方面实现了各级水管理部门信息资源的共享和业务操作的协同；韩国仁川在智慧医疗方面实现了所有医院的数据共享、远程会诊、便捷制定诊疗方案等。同样，在全球智慧风暴和国家政策的鼓励下，国内北京、上海、广东、南京、沈阳、成都等省市也把“智慧城市”列入了重点研究课题。如北京启动了“感知北京”的示范工程建设，广东与IBM公司合作在智慧医疗、人才培养、水资源管理等方面进行探索发展现代信息服务业，南京市提出从交通、医疗和电力三个方面入手建设服务型政府，打造智慧南京，成都利用物联网建立了水资源监测管理系统等。

而“智慧流域”这一全新的理念，目前还缺乏具体的实践应用，主要还处于研究和设想阶段，如长江流域、黄河流域以及浙江省等基于上述智慧流域的概念，分别提出了建设自身智慧化流域的构想。

（1）智慧黄河。2013年，黄河水利委员会结合“数字黄河”总体框架及建设情况，提出到2020年基本建成“智慧黄河”。该项工作主要包括编制“智慧黄河”总体规划、构建黄河物联网、建设黄河云、基于大数据技术建立黄河数学模型系统等内容。黄委拟通过“智慧黄河”建设基本实现黄河水沙情势可感知，资源配置可模拟，工程运行可掌握，调度指挥可协同，实现治黄现代化的要求。

（2）智慧长江。长江水利委员会为构建更加智能的信息化综合体系，为实现长江水利委员会“保障防洪安全、合理配置水资源、维护河湖水体洁净、防止水土流失、促进生态文明”的政务目标提供信息化支撑，提出了“智慧长江”的建设构想。根据长委信息化顶层设计，“智慧长江”建设将按照“五年打基础，十年见成效”的总体部署，分两个阶段实施：第一阶段为2013～2018年，开展并完成信息化资源的有效整合与共享，实现有机协同、共建共享的“数字长江”；第二阶段为2018～2023年，以“数字长江”为依托，运用物联网、云计算、大数据、移动互联网等技术，构建“114”结构体系，最终实现支撑深度融合、综合管理现代化的“智慧长江”。长委拟通过“智慧长江”建设基本实现长江河势水情可感知、管理对象可核查、资源配置可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同的要求。

（3）2014年，浙江省针对其水资源管理目标众多，流域综合管理与决策环境干扰因素复杂，传统手段难以应付的问题，提出以物联网技术为支撑，构建流域智慧化管理系统。浙江省的“智慧流域”建设同样以新一代的智能传感技术、智能传输技术、信息技术及云计算技术为基础，拟建设完备的监测、传输、模型体系，集成现代分析技术和数据统计技术，建立纳污能力核定、河流健康评估、水资源调度、污染预警和处置、汛情模拟等智慧化业务决策支持平台，使流域调控和管理由数字化、信息化向现代化、智能化方向发展，以提升流域水循环综合调配水平，提高洪旱灾害管理和应对突发水事件的能力，保障供水安全、保护水生态环境。

三、智慧淮河的设想

淮河流域地处南北气候过渡带，气候复杂多变，平原广阔，人口密集，土地开发利用程度高，加之历史上受黄河长期夺淮的影响，洪涝旱灾害严重，防洪除涝与水资源利用等方面的关系十分复杂。特殊的气候、地理和社会条件，决定了淮河流域综合管理的艰巨性和复杂性。近20年来，随着流域经济社会的快速发展，流域治理与开发面临许多新情况、新挑战，流域水资源状况、工程条件等发生了较大变化，适应科技的发展，建设智慧化的流域综合管理体系成为必然的需求，“智慧淮河”将为流域综合管理提供更为现代化的手段。

“智慧淮河”是“智慧流域”在淮河的具体应用，其内涵得到进一步延伸。智慧淮河建设应当在淮河数字化工作的基础上，进一步运用物联网、云计算、大数据、移动互联网等新一代IT技术，建设淮河流域物联网感知终端、流域基础网络设施、淮河云平台、流域应用支撑平台以及流域综合管理应用决策系统等，实现智能感知、智能传输、智能互动、智能应用，为淮河治理开发、管理与保护、应急指挥等业务工作提供精细、合理、动态的处理方式，达到淮河流域管理智慧化状态。具体而言，淮河智慧化管理应达到：流域情况实时可知、流域系统预测可靠、管理决策全面有效、流域管理协同高效。

四、智慧淮河总体框架

目前，淮河流域数字化工作已经具备了一定的基础。2001年，淮委就提出数字淮河是新世纪淮河流域水管理的一项长期战略目标任务，要组织各方面的力量开展开放型和开创性的数字淮河工作，以此提高流域管理现代化水平。2006年，淮委已建成气象信息系统、水情信息采集和处理系统及防汛通信系统，并规划建设水情、工情、灾情信息采集系统、防汛决策支持系统等信息化系统。2011年，进一步提出要从全面、系统、流域整体的角度出发，综合考虑各种问题之间的有机联系，构建多源数据融合体系、数据管理服务平台、水利专业模型系统、流域管理决策支持系统组成的淮河流域管理数字化系统框架，实现对流域的信息化管理。

根据智慧淮河的内涵及对智慧流域的初步认识，结合淮河流域已具备的数字化工作基础，笔者建议智慧淮河的总体框架应包含五层架构：动态感知层、便捷传输层、数据处理层、应用支撑层、智能应用层。

动态感知层：该层是基于物联网的信息采集层，实现了流域情况可知。该层将射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备嵌入和装备到流域内的供水系统、输水系统、用水系统、排水系统、大坝、闸门、水文测站等各种物体和设施中。按约定的协议，把相关物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，动态获取流域内降雨、蒸发、地表径流、供水、用水、耗水、排水、大坝、水库、闸门、泵站、河流、湖泊、饮用水源地、地下水井等各类相关信息数据，实现智能化的识别、定位、跟踪、监测、监控。

便捷传输层：该层是基于移动网络的信息传输层，既保障了流域情况可知的实时性，又保障了人与人、水与水的互联互通。通过无线传感网、点对点网格、网格计算网等技术与Internet网、无线局域网、最新移动通信技术等移动通信网络融合，将各类信息进行有效传送。

数据处理层：该层是基于云平台的信息处理层，实现了流域内数据统一管理和信息共享。基于淮河云平台，利用大数据处理、云计算等智能技术存储和处理数据，实现网络资源、计算资源、存储资源等基础设施的有效管理和自动调配，降低运行成本，提高服务水平。

应用支撑层：该层是基于淮河流域模型系统的信息应用层，保障了流域系统预测的可靠性。该层拟构建面向水利专业应用的服务平台，主要包括基于多源耦合的气象水文信息保障平台、二元水循环及伴生过程数值模拟平台、水资源数值调控平台、水质演变分析平台、流域数据同化系统平台、流域虚拟现实系统平台等各类虚拟现实仿真模型，利用采集的海量数据进行分析计算、仿真模拟、趋势预测等。

智能应用层：该层是面向用户的专业应用和决策支撑层，保障了管理决策的全面有效和流域管理的协同高效。该层根据防汛抗旱减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持、工程建设与管理、水行政管理等方面的不同需要，建立不同部门、不同层次的应用系统。通过该系统，智能感知的信息得以通过多种方式实时呈现，同时，各有关部门可定制各项专业服务，实现按需服务。如，自动获取自身需要的各类信息；通过设定指标阈值，及时进行预警；设定多个管理目标，能够获取最优的决策建议；作出决策后，可布置到各有关部门，远程协作完成；流域水资源管理工作能够及时向群众发布，并提供群众参与平台。

五、结语

智慧流域不但具有数字流域的特点，更强调人类与物理流域相互作用，是未来流域现代化、智能化管理发展的必然方向。通过智慧淮河建设，能够保障淮河流域防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全，有效提高流域内各部门的工作效率和科学决策水平，提升流域水循环综合调配水平和水资源利用效率，提高洪旱灾害管理和应对突发水事件的能力，促进最严格水资源管理制度的落实，推动生态文明社会的建设。

然而，毕竟智慧流域仍然是一个新兴的概念，缺乏有效的实践指导，同时存在较多的技术难点，是一项具有长期性、复杂性的工作。对淮河流域而言，应该将智慧淮河的建设列入淮河流域水利信息化发展的中远期发展布局，做好顶层设计，科学规划，并争取有效的投资渠道，加大关键技术研究，逐步实现智慧淮河的远景建设目标

（作者单位：淮河水利委员会233001）