智慧南水北调建设思路探讨

钟慧荣，李志竑

（南水北调工程设计管理中心，北京 100038）

南水北调工程是缓解我国北方水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施，分别从长江下、中、上游向北方调水，形成南水北调东、中、西 3 条调水线路，3 条调水线路工程均需要分期实施[1]。目前，东、中线一期工程已正式通水运行。由于历史的原因，南水北调工程信息化项目的建设主要是以各个法人为单位独立进行，这种做法无论从南水北调信息化总体高度还是建设后的实际效果来讲，局限性都是显而易见的。随着全球物联网、云计算、大数据等信息技术的迅速发展和深入应用，信息化发展正酝酿着重大变革和新的突破，更高阶段的智慧化发展已成为必然趋势[2–3]。目前，智慧水利已有较多的研究[2–6]，同样，新一代信息技术浪潮给智慧南水北调带来了机遇和挑战。在梳理南水北调信息化建设现状的基础上，结合新一代信息技术的发展应用，对智慧南水北调建设思路进行初探，提出智慧南水北调建设目标、总体框架、主要建设内容及建设实施建议。

1 南水北调工程信息化现状

目前，南水北调东、中线一期工程正在由各项目法人（建管单位）分别组织建设东线山东段、江苏段，苏鲁省际，中线干线、水源及湖北省境内六大调度运行管理系统（以下简称六大调度运行管理系统）。六大调度运行管理系统主要是为了实现工程自动化调度运行管理，主要功能为：实时掌握泵站出口、交水断面、控制性闸站的流量，水位，水质及重要工程的安全和运行维护等信息，远程监控调水沿线控制性闸站，水量优化调度，水质水事处理和单位内部各级管理部门之间异地会商。目前南水北调信息化建设取得了丰硕成果，已投入运行的部分系统对工程运行管理发挥了重要作用，系统按批复内容建成后，可实现数字南水北调及部分智能南水北调。然而，与目前信息化技术日新月异的发展相比较，还有较大差距，主要体现在：

1）各系统相对独立，标准不统一，无法互联互通和信息共享。由于历史的原因，六大调度运行管理系统均由各项目法人（建管单位）组织建设，各系统相互独立，自成体系，技术路线及建设标准不完全一致，并尚未建立信息共享机制和服务体系，缺乏信息共享平台，造成南水北调系统内部上下级之间、平行管理单位之间（如东线一期工程江苏水源公司与山东干线公司之间）信息资源共享困难。

2）缺乏整个工程层面（顶层）运行信息系统。六大调度运行管理系统均基于对各自工程运行调度管理的需要，解决的是各所管辖工程的调度运行问题，尚未建设面向整个南水北调工程的顶层信息系统。南水北调工程主管部门（目前是国务院南水北调办公室）信息获取依然采用传统模式，使得获取的信息内容不全、及时性差，且尚未有高层次的信息综合应用和决策支持工具，直接影响工程宏观管理和决策的效果，致使南水北调工程主管部门在紧急情形下难于实现高效、准确的调度协调和指挥。

3）各系统信息监测不够全面，尚未建立与外部相关部门数据共享机制。工程六大调度运行管理系统已采集工程水位、流量、水质、工程安全及沿线的水情等信息，但信息采集站点布设不够均衡，布设密度不能支撑南水北调工程精细化管理的要求，设备的完好性、可用性和可靠性有待进一步增强和优化，监测均无冗余备份；尚未建立与相关部门、单位的信息共享机制与平台，尚不能便捷地获得与南水北调工程调度决策相关的水文、气候、经济等相关信息，影响决策的准确性。

4）信息系统业务单一，决策支持不够科学，服务不够主动。六大调度运行管理系统的业务系统大都为生产调度类，主要满足日常调度运行管理需要，业务功能单一，辅助决策类、统计分析类系统不足，不能有效满足调度运行决策、应急管理的需求。且未建立对内对外的主动与完善的服务体系，在主动性、便捷性、人性化等方面存在较大改进空间。

2 智慧南水北调建设目标

充分利用物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术，整合南水北调及相关领域和组织的各种信息资源，并对其进行深入挖掘运用，加强工程调度、工程管理、综合服务的科学决策，促进南水北调工程与其他行业广泛融合，进一步提高南水北调工程安全高效运行及综合科学决策水平。

即通过大数据中心的构建、监测系统的升级改造、业务模型的搭建及智能化服务体系的建设，实现集智能仿真、诊断、预报、调度、控制和服务于一体的业务全方位和全过程决策支持，促进南水北调工程与其他行业应用的广泛融合，实现南水北调工程更全面的感知、更主动的服务、更智能的调度、更科学的决策、更及时的应对和更低廉的成本。

3 智慧南水北调建设方案

3.1 总体框架

研究提出基于云计算的智慧南水北调总体框架如图 1 所示，概括为“一个中心、两大保障体系、四大综合应用”。一个中心指大数据中心，将泛感知网络获取的数据及其它南水北调相关的数据形成统一的数据资源体系；两大保障体系包括标准规范和安全保障体系，能够在大数据中心基础之上，支撑服务体系，实现业务融合；四大综合应用聚焦智慧南水北调核心业务，实现南水北调智慧化的调度、预警、决策、监管和运行维护。

主要建设内容为南水北调工程泛感知网络、硬件设施、大数据中心、智慧服务体系及保障体系5 个部分建设，其中硬件设施建设应结合南水北调工程现有基础，充分利旧建设，在此不做探讨。

3.2 泛感知网络建设

南水北调工程跨流域、跨省市地界建设的特性，带来了工程调水环境复杂、变量多的问题，在现有各系统监测体系建设基础上，引用新的技术和手段，通过对南水北调已建监测系统的升级改造，完善数据采集的为度和精度，通过对跨部门数据的汇集整合，提升全面感知的力度，实现工程全面、精细、精准的感知，为南水北调智慧管控提供数据基础。智慧南水北调泛感知网络主要建设内容为：

1）优化监测手段。受当时技术及资金的限制，南水北调工程现有监测均为点状监测，而为对工程闸泵阀等设备及工程安全，以及自然灾害等进行诊断预警，需要获得多参数、大面积、连串的信息。故需在现有各系统监测体系建设基础上，引用新的技术和手段，将现有的点状监测优化为线状或面状监测[4]，进而为工程安全诊断与预警提供数据资源。

2）采用多种监测手段互相比对、修正。由于设计时技术及资金有限，目前南水北调工程所有监测都为单一设备监测（无冗余），且未对监测设备的可靠性进行监测，使得不能及时分辩设备损坏后监测的无效数据，进而影响工程监管及调度决策。随着技术的进步，利用新技术对工程重要参数（如分水口门流量、水位）采用多种监测手段进行监测（如对水尺读数进行自动识别，得到当前水位），并对结果进行比对、修正，当两者读数相差较大时进行报警，以及时发现无效数据，保障监测的准确性。

3）增加移动、应急监测。目前除水质参数采用了移动实验室监测外，别的运行参数均为固定监测设备监测。当洪水或水质污染等突发事件发生时，根据需要及时投入移动、应急监测设备，对未布设固定监测点的水位、流量、水质等参数进行监测，并智能调整监测点的监测频度，以为突发事件处理提供更精确、密集的数据，提高决策效率。

4）协作共建站点。南水北调智慧应用，不仅需要工程自身的信息，还需要工程周边的地理、水雨情、社会经济等信息，这些信息一方面可通过共享方式获得，另一方面可通过与相关部分协作共建站点的方式获得。如协同水文部门在工程防洪区域共建水文监测站点，监测雨量、水位、流量、蒸发量等信息；协同环保部门在工程重点区域共建环保监测站点，进行污水、大气和废气、生物污染等监测；协同气象部门共建气象监测站点，监测地面的气温、气压、相对湿度、水汽压、风、降水量等信息。

3.3 大数据中心建设

大数据中心是智慧南水北调在数据信息资源层面的基础框架和重要建设内容，是实现信息资源高效地为工程服务的重要支撑保障。通过在此基础上开展各种综合性的分析应用，实现对南水北调数据资源的深度利用，揭示现状、预判未来，充分挖掘数据资源蕴含的巨大价值，为科学调度提供保障，为科学决策与现代化管理提供有力支持。南水北调大数据中心流程图如图 2 所示。

在六大调度运行管理系统数据中心基础上，建设南水北调大数据中心，将泛感知网络获取的数据及共享的其它相关数据形成集中的数据资源，对数据资源进行统一的存储、管理、维护和访问，提供统一的信息发布和数据访问平台、业务应用开发和运行平台，提高系统互联互通、数据交换共享程度，满足各级部门业务应用和数据使用的需求。大数据中心建设内容主要为：

1）统一标准体系建设。建立统一的南水北调信息化标准体系，在此基础上编制南水北调工程相关数据的存取、使用和共享规范与标准，为数据汇集整合和大数据应用提供一致的标准体系。

2）数据汇集整合平台建设。围绕数据报送、处理、存储、管理、加工、查询、分析全过程，建立一整套的数据处理与资源管理机制，规范化和流程化地实现各类数据资源的报送、处理、整合、汇集、质量控制和加工处理，从而将南水北调工程数据资源进行整合，并通过共享机制的建立，与相关部门共享获得南水北调工程沿线地理、环保、气象、国土、社会经济等信息资源。

3）数据服务。建立数据中心信息资源体系，以大数据技术指标体系为核心，形成涵盖南水北调各个方面的数据资源，对外提供各种类型的数据信息和综合分析服务。建立预测与评估两大类指标体系，包括水量调度、工程安全预警、水质安全预警、决策分析、综合信息等指标，从而驱动智慧应用服务；建立指标体系对应的元数据管理系统，对数据资源进行全面描述的统一元数据体系。通过信息资源体系主动将数据进行分类包装，运用一些专业统计分析算法、模型对初级信息作加工，提供数据查询、数据订阅（推送）、智能分析、指标预警预测分析、专业模型分析等资源服务。

3.4 智慧应用服务体系建设

开发建设南水北调工程系统的、全面的、统一的服务体系，如图 3 所示，着力于整合资源、优化调度、加强跨行业部门的业务联动，实现南水北调智慧化的调度、预警、决策和运维等核心业务的智慧化管理。南水北调智慧应用服务体系建设主要包含工程管理综合应用、水量调度会商决策、工程诊断预警应用等体系及综合服务信息平台。

图 3 南水北调智慧应用服务体系

1）工程管理综合应用体系。主要包括安全运行监管，工程运维、计划合同、财务资产、工程档案管理，成本核算及综合信息服务等模块。

2）水量调度会商决策体系。主要包括闸阀监控、水量调度、调度评价、决策支持、三维仿真、视频会议、一张图展示等功能模块。

3）工程诊断预警应用体系。主要包括工程、机电设备和水质等安全预警及视频智能诊断等模块。

4）综合服务信息平台。主要包括业务外网门户、业务内网门户、移动服务等模块。

智慧应用服务体系建成后，将实现工程运行智慧监管；动态评价、修正、调整调度方案等智慧调度应用；预判风险、溯源分析、预警、快速提出处理方案等智慧诊断；集智能仿真、诊断、预报、调度、控制和服务于一体的全方位全过程的智能决策支持；个性化、移动的信息服务及发布审批平台；能提供跨部门、行业、地域的业务处理及办公平台。

3.5 保障体系建设

建设南水北调数据标准和信息安全体系，为智慧南水北调的建设保驾护航。其中，数据标准体系主要包括数据信息技术标准、数据存取使用规范与标准、南水北调业务流程标准等；信息安全体系主要包含信息采集、计算机网络及信息管理等安全体系。

4 建议实施方案

建议智慧南水北调按急用先建的原则，分近、远 2 期实施。近期完成初步的南水北调大数据中心、统一的运行监控平台、现代化的会商决策环境建设，汇集整合南水北调相关数据资源及提供统一的信息发布和数据访问平台，实现对工程整体运行状态的智慧化监管、重大事项和突发事件处理的决策支持，并提供现代化的会商决策环境。远期完成南水北调工程感知网络体系完善，以及技术标准体系和大数据中心的升级、智慧应用服务体系开发、跨部门跨行业的业务融合等建设，实现南水北调工程全面精准的感知、数据资源的深度开发利用、南水北调智慧安全高效运行，并促进南水北调工程及涉水相关行业的协调与全面发展。

5 结语

针对南水北调工程信息化建设现状及不足进行了梳理分析，提出了智慧南水北调建设目标、总体框架及主要建设内容。文中只对智慧南水北调建设进行了初步的探讨，关键技术如大数据的获取、组织及多源多尺度数据的处理等需进一步专题研究。建议下一阶段对智慧南水北调建设进行系统规划，进一步结合南水北调工程实际分析智慧南水北调的业务需求，明确智慧南水北调定位，研究提出南水北调现有系统及与工程沿线智慧城市的融合方案、智慧信息化南水北调的顶层设计及建设方案。