智慧型流域建设探讨

沈宏 焦军

智慧型流域建设探讨

沈宏 焦军

一、智慧型流域内涵与发展

“智慧地球”（SmartEarth）这一理念的主要内容是把新一代IT技术充分运用到各行各业中，即把传感器装备到人们生活中的各种物体中，并且连起来，形成“物联网”（InternetofThings），并通过云计算（CloudComputing）将“物联网”整合起来，实现网上数字地球与人类社会和物理系统的整合。智慧地球是个崭新的概念，将大大推进信息化和工业化的进程，IBM商业价值研究中心提出了对电力、医疗、城市、交通、供应链和银行等六大行业的智慧方案，为智慧地球从理念提出到付诸实践奠定了基础。

智慧流域是在智慧地球的概念下局部的、更专业化的智慧系统。所谓智慧流域，是指把新一代IT技术充分运用于流域综合管理，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）和人工系统（如水源地、输水、供水、用水、排水和各类水利工程等各种物体）中，并通过普遍连接形成“流域物联网”，而后通过云存储和云计算将“流域物联网”整合起来，以水利专业应用平台为支撑，完成数字流域与物理流域的无缝集成；通过智慧决策服务平台和移动设备将数字流域界面友好地展示给决策者、技术人员和普通民众，使人们能以更加精细和动态的方式对流域水利状态进行认知、设计、规划和管理，从而达到流域的“智慧”状态。其核心是利用一种更智慧的方法通过新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。智慧流域具有与智慧地球共同的特征：更透彻的感知、更广泛的互联互通、更深入的智能化。

智慧流域是“数字流域”与“物理流域”的智能化结合。数字流域强调各种数据与地理坐标联系起来，以图形或图像的方式来展示，然后提供三维、航空和地面多视角等多维位置服务。智慧流域以物体基础设施和IT基础设施的连接为特色，数字代表信息和服务，智慧代表智能与自动化。数字流域以信息资源的应用为中心，智慧流域以自动化智能应用为中心。智慧流域不但具有数字流域特点，更强调人类与物理流域相互作用，实现流域物理世界中人与水、水与水、人与人之间的便利交流。

二、智慧型流域建设的意义

智慧型流域有望进一步推动流域现代化、信息化建设，有望成为全新的流域综合管理战略理念。实施智慧型流域可以提高数据的完备性和利用效率。目前，水利管理和决策所需的数据还不够完整，并且利用效率很低。通过“智慧流域”建设，进一步完善数据的采集手段和采集点，保证数据的完备性和及时性，并通过对数据的整合和同化，数据的有机整合等，提高数据的共享能力，从而充分地利用数据，进一步提高数据的利用效率，以帮助人们更从更为广阔细致的角度透视水文循环的时空变化过程，理解流域水利活动的规律。

实施智慧型流域有望提高水利管理和决策的水平。“智慧流域”能直观地、全方位地、及时地为水利管理和决策提供所需依据，同时也能为广泛参与的人民大众提供更为生动形象的水利信息查询阅读，使人们更为直观地认识身边的水事活动及更为广泛地参与到水行政主管部门和技术部门共同决策中，从而帮助管理人员和决策者提高水利管理和决策的水平。对于提高防汛管理、水资源优化调度、水土保持、水环境治理、水行政管理等的水平都能起到重要的作用。

三、智慧型流域建设整体框架

智慧型流域是在新一代IT技术的支撑下，将流域水利专业应用平台作为手段，以智能决策支持和人性化的交互服务为目标的高度数字化、高度仿真、高度智能化的流域。流域运转更加智能化。智慧型流域主要有感知层、基础设施网络层、专业应用平台层、智慧决策服务层组成，如图1所示。

感知层：该层是智慧流域的神经末梢和人性化交互界面。包含两方面的感知内容，一方面通过传感器、射频标签和监测探头能够实时获取天然水循环信息和社会水循环信息，将其装备到水利设施中还可以实时采集大坝变形参数、堤岸安全系数和管网压力系数等信息，实现对物理流域的数字化采集和传输，将物理世界中正在发生的水利事件通过基础网络设施层传递给流域专业应用平台层进行仿真、模拟和优化。另一方面，流域管理和决策人员以及广大的参与者可以通过手机、个人电脑等移动终端设备从智慧决策服务层获取需要了解的水文、水利、水环境、水工程的整体状态，人性化的感知流域的存在及其运动变化过程，更好地理解人类活动对自然状态的影响，以便实现人与水的充分感知、充分交流。

基础设施网络层：该层是智慧型流域系统内信息输入、信息交换和人机交互的通讯技术保障。如果说感知层是神经元，那么基础设施网络层就是神经网，这些网络通信技术为智慧型流域系统的互联互通奠定了基础。

图1　智慧型流域整体框架

专业应用平台层：该层是综合应用各类数据采集信息、构建面向流域水利专业的虚拟仿真模型。主要包括基于多源耦合的气象水文信息模拟平台、二元水循环及伴生过程数值模拟平台、流域数据同化系统平台、流域虚拟现实系统平台、流域洪水演变分析平台等，相当于智慧型流域系统水利专业的计算器。

智慧决策服务层：该层主要目的是通过智慧决策为决策者提供基于一定规划目标的均匀非劣的备选方案，并协助决策者对不同备选方案的优劣进行客观比较，从而使决策者能够做出正确的决策。通过智慧服务界面友好的与决策者、技术人员和广大民众进行沟通对话，为流域治理提供专业决策支持和信息服务。智慧决策服务层通过与决策者对话，输入决策者的设想、偏好，根据一定的规则自动生成备选方案，然后调用专业应用平台层对备选方案进行模拟运行，再将结果返回给决策者，协助决策者进行客观认识和取舍，然后进一步优化决策思路、决策方法，进行下一轮的备选方案生成、模拟、优化、评估和再评估，直至生成满意的方案。该层生成备选方案的规划目标主要有防汛抗旱、水资源保护、水资源调度、水利工程规划、水土保持、水生态修复、水资源配置、水环境评价等水事行为。

四、建设内容

1.防洪减灾智慧系统

当流域可能发生特大洪水时，根据卫星传感器传送的云层信息，采用区域气候模式预测可能的降雨量，将其作为输入条件，利用云计算和云存储技术读取网络上模型所利用的下垫面条件，启动陆面过程模型和数据同化技术对整个流域的洪水进行实时计算，将模型计算结果、洪水淹没过程和制定的防洪预案与调度方案以及可撤离路线通过可视化手段展现在三维虚拟场景中，然后通过网络将这些信息以文字、图片、视频图像、语音等多种方式实时发送到流域内居民的终端设备中。

2.抗御干旱智慧系统

智慧流域能够利用由无线传感器组成的天地一体化系统，对降水、风速、温湿度、蒸发、土壤墒情等信息全天候连续不断地进行智能监测和采集，实现对干旱的发生过程、危害程度进行定量监测，对干旱造成的各类损失进行评估，对未来的影响范围、持续时间、强度变化等预报预警。同时对干旱区范围内的水库进行实时监测，计算水库可能的存储水量，由此制定水库联合调度方案，以应对干旱所带来的水危机。

3.污染治理智慧系统

智慧型流域系统通过遥感传感器和地面观测设施对河流、湖泊、水库、饮用水水源地、地下水观测点、近岸海域等流域内的现场水质进行连续自动监测，客观地记录水质状况，及时发现水质的变化，进而实现对水域或下游进行水质污染预报，达到掌握水质和污染物通量，防治水污染事故的目的。水质量测传感器将感知的水质参数传递给环境管理部门进行水质评价，并装置报警传感器。在某种污染物浓度超过阈值时，由水质量测传感器自动与报警传感器和控制供水传感器相连，通过流域物联网，启动报警装置并自动关闭供水管网，

4.水资源管理智慧系统

智慧流域通过取用水户的取水和排水数据、行政分区的入境水量和出境水量数据、地下水数据等的互相智能校核，为实行“总量控制，定额管理”提供支撑，实现对水资源的科学调配和精细管理。在准确掌握水资源状况的基础上实现社会水循环过程与天然水循环过程的合理匹配，为实现水资源的优化配置、高效利用和科学保护，实现社会—经济—自然的可持续协调发展提供技术支撑。

五、技术保障

1.射频识别技术（R FID）

通过对流域中的水工建筑物、水文测站、量测设备等装备射频标签，实现自动获取水工建筑物的特征数据和水文测站信息，它和传感器感知的水工建筑物运行数据和水文测站的实时水情信息通过“流域物联网”经基础设施网络层发送至信息处理中心的专业应用平台层。

2.无线传感器网络

通过装备和嵌入到流域中的各类集成化的微型传感器共同协作实时监测、感知和采集各种流域环境或监测对象信息，然后将这些信息以无线方式发送出去，从而实现物理流域、数字流域和人性化交互式流域的连通。

3.物联网技术

物联网具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，在流域中的具体应用就是将感应器嵌入和装备到水质监测断面、供水系统、输水系统、用水系统、排水系统、大坝、水文测站等各种物体或设施中通过互联网连接起来，形成“流域物联网”。

4.云计算与云存储

通过云计算，可将流域模拟程序拆分成无数个较小的子程序，通过网络交由分布式计算机所组成的庞大系统计算分析之后将处理结果回传给用户，整个计算过程只需要几秒就能完成。这意味着对局部河段或者流域干流的高精度的三维模拟从理想变成现实。通过云存储技术，流域中海量的原型观测、实验数据和数学模型计算的历史数据和实时数据以及流域管理的自然、社会、经济等数据的存储将不再受制于硬盘空间。

5.流域虚拟现实系统平台

流域虚拟现实技术研究以构建流域三维仿真模拟系统为目标，融合流域内各种数字信息而建成系统平台，形成流域及其相关现象的统一数字化体系，实现虚拟现实系统的沉浸感和交互性要求。在虚拟仿真系统支撑下，将全流域水循环及其伴生过程进行模拟，并将其结果通过复杂实体建模集成于三维流域环境中，直观地展现水循环、泥沙冲淤及污染物迁移过程的动态变化。

6.探讨性建议

智慧型流域建设是个复杂开放的巨系统工程，覆盖面极广，影响因素众多，需要总体规划、分步实施：

（1）在现有测站的基础上统一规划流域站网系统，建立降雨、蒸发、径流、水质、温度、土壤墒情、水源地、输水、供水、用水、排水、水利工程等信息采集传输系统，构建流域物联网。

（2）分步实施防洪减灾智慧系统、抗御干旱智慧系统、污染治理智慧系统和水资源管理智慧系统，整合流域物联网信息和专业应用平台资源。

（3）建设流域智慧决策中枢，全面整合各目标水利管理智慧系统，提供智慧化的决策机制，协调流域社会、经济、资源和水利发展关系。

要真正实现智慧流域的建设，就需要加大研发力度，提高传感器监测要素全面性以及数据的采集精度，进一步开发可靠的智慧化系统支持

（作者单位：中水淮河规划设计研究有限公司230601）