物联网在智慧水利领域的应用

宋倍 朱子建 张昴

摘要 “智慧水利”这一新兴概念，是由物联网与传统水利业务相碰撞而产生的。 “智慧水利”虽已在流域信息感知、数据智能处理、业务智能分析决策等方面获得了一定成果，但与物联网在其他领域的应用研究相比，尚处于起步阶段。本文对物联网在“智慧水利”的应用研究现状进行梳理，分析并提出了若干尚待解决的关键问题。

[关键词]物联网 智慧水利

物联网、云计算、大数据技术的发展，为水利信息化建设注入了新的活力。具有“感知化、互联化和智能化”特点的物联网及其广泛应用，极大地提升了各行业信息化服务的规范性、高效性和易用性，使水利信息化发展进入了新的阶段。

1 物联网与智慧水利

物联网概念提出以来，通过在交通、物流、电力、医疗、农业、城市管理等领域的应用实践，形成了众多理论成果，产生了巨大的经济社会效益。

受物联网广泛应用的启发，结合水资源供需与配送具有物流的典型特征的特点，王光谦等提出了智慧水利的概念。智慧水利也被称为智慧水网、水联网等。但是，水流又不同于物流，传统上对水流“场”和“质”的双重描述使水联网在研究和应用上，与物联网相比面临着更复杂和特殊的困难。智慧水利基于物联网思想，实现对整个水循环过程进行实时感知、过程跟踪和动态模拟，对市场水网和物理水网进行信息融合和数据挖掘，实现水资源的优化配置和智能监管，从而提升水资源效能。

水资源短缺、水环境污染等问题日益突出，极端天气导致的洪旱灾害等对社会民生产生极大影响，传统水利行业面临严峻考验。物联网相关技术的发展应用，为智能化解决水利问题提供了有效措施。

2 智慧水利研究进展

物联网相关技术在智慧水利领域的研究和应用，主要集中在实时感知、水信互联、过程跟踪、智能处理等方面。利用物联网的数据获取和环境感知技术，研究和提升各类水信息监测设备数据获取的时效性和准确性;借鉴物联网在智能识别、跟踪定位和监控管理等方面的成果，对流域水资源调配过程、水环境变化过程、水文要素演变过程及其他水利要素的运动过程进行全方位跟踪监控，从时间和空间上实现精细化管理;利用物联网在动态、开放和不可控的环境下从流域各业务系统获取和处理数据的能力，完成流域水信息共享;利用物联网在工业智能控制、领域知识处理及大数据分析等方面的研究成果，提升水利业务处理效率和准确性，逐步实现智慧水利。

2.1 水利信息全面感知

通过物联网技术获取更全面、更完整的信息，使智慧水利的智能传感系统覆盖自然和社会水循环的全过程。

在水环境监测领域，通过利用大量随机分布的无线传感器，实现对复杂水域，尤其是很少或者没有布设基础设施的地区，进行水环境进行监测，并利用物联网相关技术解决数据处理、通信传输、传感器网络维护等问题;在水下传感器通信组网方面，通过研究水下传感器网络关键协议、信息处理技术，解决水下信道低带宽、高延迟和可靠性低等问题;在土壤墒情监测和智能灌溉方面，利用物联网相关通信技术，实现低功耗、高稳定性的持续监测。

利用物联网的实时全面感知技术和多载体自动组网、异构网络单元的互联技术，提高流域信息实时全面感知能力。

2.2 水利数据智能处理

通过物联网技术对异构数据的分析、集成和标准化技术，实现水信息异构数据预处理。由于传感器及监测指标的多样性，采集数据具有不同的名称、格式和数据结构，不便于直接存储或处理，监测站和监控中心之间存在着多种类型的海量信息传输，对数据实时处理有严格要求。研究海量数据的高效压缩、分布式数据存储、混合多层次索引技术以及构建智能搜索引擎，以提高数据库存储效率、减少网络传输量、实现快速搜索。

在水利数据资源整合方面，利用面向对象概念建立水利数据模型，实现对水利对象的唯一描述，解决领域数据“一数多源”问题，保证信息广泛共享。在领域知识发现处理方面，利用在线数据挖掘技术进行在线数据分析，建立知识发现模型，从各类涉水数据或相关领域数据发现自然和社会水循环规则。整合现有孤立数据，深入挖掘新收集数据，为科学决策和及时反应提供有效支持。

2.3 水利业务智能分析决策

随着全球气候变化，极端天气频发，基于历史资料的传统预报模型准确率受到很大影响，极大影响了业务决策的准确性。利用物联网技术提高数据感知能力，结合大数据分析、领域知识库和智能分析，有效提高预测精度、延长预测期、提高决策分析准确度。

基于加强感知的物理水网和市场水网的各类水信息，以及气象、遥感、社会经济情况等相关数据资源，通过大数据挖掘分析发现规则，建立领域知识库。利用云计算的高效率、高可靠性、低成本的计算服务能力，以及广泛获取的实时信息和历史资料，集成模拟水循环各环节过程，增加自然水循环相关预报以及社会经济和自然生态需水预报的预见期、提高预报的准确性。

物联网与智慧水利结合产生的众多科研成果和技术创新，很大程度上改变了传统水利行业模式，水利业务智能决策能力逐渐提升。

3 智慧水利研究应用展望

智慧水利的研究应用正全面铺开，但相比智慧城市、智慧电力、智慧交通、智慧医疗等领域还有很大差距，还处在起步阶段。完善智慧水利的理论和方法，拓展智慧水利应用体系，逐步形成完整的智慧水利理论，还有很多方向需要探索。

（1）建立智慧水利地理空间框架，将空间信息和业务应用统一建模，把标准不统一、建設分散的水利地理空间信息资源进行整合，使空间信息资源在智慧水利各业务中达到最大效果的共享共用。

（2）建立水利要素身份特征标识体系，对每一个水利要素编码，提升传感器多载体自动组网和异构网络单元的互联技术，研究传感器的数据自过滤和自动提取模式，尤其是利用各类智能识别技术对水流流场进行识别，建立水联网体系。

（3）对传统水利信息化框架进行重构，实现功能互操作、数据全面共享、网络泛在、智能感知，尤其是要实现解释、分析、挖掘水利领域知识，研究利用知识驱动整个智慧水利框架运转的智慧引擎，从根本上实现水利行业的智慧化。

参考文献

[1]王光谦，王忠静，王建华等，基于水联网及智慧水利提高水资源效能[J]，水利水电计算，2013，44 （01）：1-6.

[2]杨明祥，蒋云钟等.智慧水务建设需求探析[J].清华大学学报（自然科学版）， 2014， 54 （01）：133-136，144.

[3]倪建军，汤敏，詹万林等，水联网与水利信息化理论探讨及应用实践[J].水利信息化，2016 （04）：32-35.