四川省智慧水利建设构想与思考

2019-07-13刘双美郭翔宇麻泽龙

水利信息化 2019年3期

卢鑫，刘双美，郭翔宇，麻泽龙

（四川省水利科学研究院，四川成都 610072）

党的十九大围绕互联网与信息化战略做出了一系列重大安排，明确互联网已经深入渗透到中国现代化的各个领域，是建设网络强国、数字中国、智慧社会的强大驱动力，要求各个行业结合自身需求在经济转型、结构优化、转换动能方面，加强互联网、大数据、人工智能与实体经济的深度融合[1]。为贯彻落实国家信息化发展纲要，2019 年全国水利工作会议明确了我国治水的主要矛盾已经从“人民群众对除水害兴水利的需求与水利工程能力不足的矛盾，转变为人民群众对水资源水生态水环境的需求与水利行业监管能力不足的矛盾”，我国水利工作的重心应转移到“水利工程补短板、水利行业强监管”上来，要求各级水管部门按照实际需求尽快补齐信息化短板，在水利信息化建设上提档升级，以水利信息化驱动水利现代化，全面推进智慧水利建设[2-4]。

四川是全国水利大省，水资源丰沛，水灾害频发，水利管理任务艰巨，而信息化在提升行业管理效率和服务水平方面发挥了举足轻重的作用，因此，为适应变化环境下的水资源高效管理与开发利用，开展全省智慧水利建设不仅符合国家的发展要求，也是行业发展的必经之路。

1 智慧水利的发展与特征

1.1 智慧水利的提出与发展

2009 年 IBM 首先提出了智慧地球的构想，建议各国政府增加对智能型基础设施的投入，并结合新一代计算机技术，将物联网通过超级计算机和云计算进行整合，实现从数字地球到智慧地球的转变[5]，自此，各国纷纷投入到了智慧城市的探索和建设当中，并在智慧交通、校园和医疗等方面取得了很好的成效；受到智慧地球、城市理念的启发，水利工作者结合行业管理和社会发展要求，分别提出了智慧水网、流域、水利（水务）等概念[6-8]，并积极开展了关键技术应用方法及其架构的研究工作，旨在应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，实现对水利对象及活动的透彻感知、全面互联、智能应用与泛在服务，从而促进水治理体系能力和水能资源开发利用效率，为保障全国智慧水利建设稳步高效推进，水利部结合国家信息化发展纲要与行业监管需求前后修订了《水利信息化资源整合共享顶层设计》《智慧水利总体方案》与《水利业务需求分析报告》等重要指导文件，明确了我国智慧水利建设的方向。

近年来，国内外水利水务工作者紧密围绕“水资源调配、水灾害防治、水工程管理”等问题进行了智慧水利建设的探索与实践。在国外，美国为了实现哈德逊河的生态保护计划，通过将分布式传感器网络采集到的数据进行检查分类并按优先次序处理，创建可视化的虚拟河流，以进一步了解生态系统[9]；以色列为了解决水资源严重匮乏的现状，建立了水资源综合调度中心，由计算机调度系统实时给出优化的供水方案，实现水资源统一调配管理[6]。在国内，智慧水利建设相对滞后，主要集中在技术方法和建设思路的探索方面，如黄河水利委员会利用云计算和大数据技术，围绕突发事件实现了对水情、工情和位置等信息的自动定位和展现[10]；广东省将“互联网 + 现代水利”建设作为推进广东水利现代化的着力点和突破口，以互联网技术为引领，构建了可服务“水安全、水生态、水管理、水服务”的业务应用体系[11]；江苏、湖北和长江流域委员会等为打好智慧水利建设基础，实现水利信息的统一采集、存储、管理、交换、共享等服务，基于面向对象的水利数据模型开展了水利数据资源整合工作 [12-14]。

1.2 智慧水利的主要特征

分析国内外智慧水利建设现状及趋势，智慧水利建设的主要特征有“全面互联感知、智能自动调控、深度融合分析、智慧管理决策”等特征[15]。

1）全面互联感知。智慧水利建设充分利用物联传感技术，构建了天地一体化监测体系，实现了水管对象的全方位、全天候、全指标立体化感知，可提供多元化、精细化的时空数据支撑。

2）智能自动调控。智慧水利建设通过互联网、自动化技术实现了重要水利工控设备设施的远程自动操控，有力促成了从数据获取、分析到决策调控的信息闭合，并能基于大量感知信息分析挖掘结果作出自动响应，按照实时情况做到智能自助调控。

3）深度融合分析。通过数据标准化、提升数据质量状况、规范系统之间的数据交换和共享机制，实现水利部门不同专业之间、各级水利部门之间、水利与外行业部门之间的信息整合及共享，为智慧应用和企业门户集成提供标准化的、完整的、一致的数据来源，此外，通过细致梳理九大业务管理需求，基于大数据、云计算、人工智能等技术构建了多源水利数据的深度融合分析模型，充分发挥水利信息资源的应用价值。

4）智能管理决策。智慧水利建设通过全面感知和数据收集整合，基于图像识别、动态模拟、关联分析等智能算法进行业务建模，实现各项指标的变化规律预测，能有效辅助管理人员进行精细管理、快速响应与协同调度，进而做到科学决策，让水利业务管理更高效、更集约、更智能。

2 四川省水利信息化建设现状及存在的问题

2.1 建设现状

经过近20a 的发展，四川省水利信息化建设以防汛抗旱指挥系统、水资源监控能力建设等一批“金水工程”重大项目为依托，有了突破性进展，切实提升了全省水利工作管理水平，为推进全省水利改革发展发挥了重要作用，全省水利信息化建设现状如下：

1）前端感知。经过长期的建设积累，四川省综合信息采集体系已初步完成，现已有水雨情监测点4000多个（包括中小河流3000 多个监测点），并接入水情监测系统进行数据采集与传输，目前已经建立了数据采集中心站4个，墒情站500多个，小型水库监测站1458 套。

2）传输网络。通信网络和专用通信系统覆盖面和带宽不断增加，政务内网与业务网不断完善，四川省水利厅与应连直属单位防汛骨干网连通率达到90%，厅直属单位均与省政府电子政务网相连，各单位均有互联网接口。

3）基础设施。四川省水利各单位已根据各自工作需要建设了不同面积的防汛骨干网机房，省级水利数据机房也正在改扩建中。各地防汛骨干网服务器超过50台，其中的核心计算资源将逐渐按照云平台模式进行架构，提高核心服务器的复用率及动态配置能力，防汛骨干网各类存储设备形成了约50TB的存储容量。

4）数据资源。目前已建成基于 1∶250000水利基础电子地图的省级和重要水利工程空间数据库，建立了历史水文、实时雨水情等基础数据库，防汛防旱、水利工程、水资源、电子政务等专业数据库也逐步开展建设。

5）业务应用。目前已在水情、墒情监测、水资源信息管理、防汛抗旱指挥、中小河流水文监测预警预报、灌区信息化、小型水库动态监管预警、水土保持、综合办公及通讯网络等系统方面开展业务应用，其中部分数据已经在跨行业协同应用。

2.2 存在的问题

基于智慧水利建设要求，结合四川省水利信息化建设现状，当前四川省智慧水利建设还存在不平衡、不全面、不智慧的问题，具体表现为缺乏顶层设计、物联感控欠缺、数据资源分散、运行环境落后、应用支撑不足等。

1）缺乏顶层设计。四川省还未印发智慧水利建设顶层设计，不能从系统和全局的高度对全省信息化的结构、层次、功能和标准进行统筹考虑和统一规划，存在信息化盲目建设和重复开发建设现象，已有建设成果不成体系、标准不一，导致数据共享、业务应用整合困难，兼容性差，基础资源应用效率较低等问题。

2）物联感控欠缺。由于各个区域经济水平有差异，加之各个区域水利业务管理主要问题及其严重程度不一，且部分水管单位对信息化建设的认识不到位，前端物联感控体系建设距离智慧水利要求相差甚远，部分设备陈旧老化严重，且监测、传输、控制手段较为落后，监测种类、数量不全，前端感控设施建设总体欠账较多。

3）数据资源分散。全省围绕各项水利业务管理产生了很多数据资源，当前除了水文等监测数据汇总整合之外，其余水利数据资源均分散存储在各个部门，数据资源无法有效共享，不利于区域业务协同。此外，由于对数据管理较为松散，数据丢失严重，有些信息还未完成电子化处理。

4）运行环境落后。业务应用专网、工控网络、视频专网、移动互联网等覆盖不全且部分存在安全隐患；各个业务应用独立部署运行，基础设施建设分散且利用效率较低，各部门基础运行环境建设年代已久，未进行升级改造和维护，基础运行环境整体较为落后。

5）应用支撑不足。数据标准不一，已有业务应用系统多数以在线监测信息集成展现与业务办理考核为主，数据共享、应用协同困难，缺乏对水利可用信息资源的深度挖掘，加之信息化业务系统建设过程对业务流程的梳理不够细致，应用系统对水利业务管理决策的支撑力度不足。

3 四川省智慧水利建设构想

3.1 建设目标

紧密围绕四川省九大水利业务管理需求，充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动化等新兴技术方法，以“统一数据、统一标准、统一服务、统一平台、统一管理”为基本原则，构建支撑全省水利业务管理的数据及其服务管理和云服务平台，建成服务全省水利管理大数据和物联网管理平台，按需逐步完善智慧协同综合业务应用体系和覆盖全省江河水系的全要素动态物联感控体系，并同步完善智慧水利建设保障环境体系。

3.2 总体架构

四川省智慧水利总体架构由基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、安全组织保障体系与标准规范体系组成，整体架构如图1所示。

1）基础设施层。基础设施层是智慧水利建设的基础保障，提供长效的数据来源和基础运行环境，由前端物联感控体系与云平台基础设施构成，前端感控体系包括天、空、地一体化协同信息采集和远程自动调控体系，信息采集体系主要包括水位、流量、水质、雨情、墒情、工情、视频、遥感影像、舆情等，远程自动调控体系主要包括闸门、泵阀、调度中心、会商中心等；云平台基础设施主要包括智慧水利运行的计算、存储和网络等资源设施。

3）应用支撑层。应用支撑层是整个智慧水利建设的核心驱动，担负水利信息资源存储、管理、处理与数据服务发布等职责，对各项业务提供统一的数据服务，由通用数据和专业应用服务组成。通用数据服务主要包括一张图、一张表、视频分析、大数据分析等；专业应用服务通过整合各类专业应用模型和算法，对外提供专业应用服务，主要包括水文、水动力、需水预测等模型。

4）业务应用层。业务应用体系主要围绕四川省九大水利业务管理需求展开，按照“急需先建，逐步完善”的原则分步实施，主要建设内容包括河长制管理、水利工程管理、城乡供水、水资源管理、防汛抗旱、水土保持等，业务应用系统是直接服务于各项业务管理的窗口，通过统一的账号分配实现省、市、县三级业务管理与业务考核的协同。此外，为便于综合决策，业务应用层还包括大数据综合决策支撑服务平台，基于专题大数据分析挖掘成果为领导宏观决策调控提供参考。

5）标准规范体系。通过制定统一、层次完整、系统科学的信息化制度与标准规范，实现数据信息的互联互通、共享交换与高效应用，标准规范体系建设主要包括数据分类、数据传输交换、数据存管、图示表达、产品服务、建设管理及其运行维护等标准。

6）安全组织保障体系。安全保障体系主要包括了等级保护建设、安全管理制度建设和软件评测等。

图1 四川省智慧水利总体架构

3.3 建设任务

基于水利部《智慧水利总体方案》与《水利业务需求分析报告》要求，结合四川省水利信息化建设实际，四川省智慧水利建设的主要任务有：

1）开展全省智慧水利建设需求调研分析，并结合水利部智慧水利总体方案修订《四川省智慧水利顶层设计》，明确全省智慧水利建设目标、任务及其推进方案。同步启动智慧水利建设基础标准规范体系与管理操作指南的研究工作，打好智慧水利建设基础，规范全省智慧水利建设。

2）结合全省水利信息化建设规划，基于《水利信息化资源整合共享顶层设计》制定全省水利信息化资源整合共享规划，按业务线条全面推进全省水利信息化资源的整合共享，重点解决水利数据资源资源整合共享问题。

3）搭建全省水利云数据中心，汇集全省水利数据资源，加强水利大数据分析挖掘能力，并结合业务管理共性需求构建通用的数据服务支撑。此外，结合全省水利业务管理实际构建水利视频集控与遥感应用服务平台，实现重点水利管理对象的全天候连续监视。

“徐嘉瑞根据……彝族梅葛曲本《梅葛》的资料（油印本），在姚安县马游山区作了进一步收集整理，历时一年，整理出梅葛的第二稿（复写本）。”

4）结合九大业务管理需求开展省、市、县三级协同的业务应用系统建设工作，以信息融合共享、工作模式创新、流程优化再造、应用敏捷智能为新时代的水利业务应用建设思路，充分应用大数据、AI、遥感、视频监控等新兴技术构建涵盖水资源，水环境，水生态，水工程，水灾害等核心业务的创新协同智能应用。

5）基于已有前端物联感控体系建设成果，补充完善全省水利物联感控体系建设，扩大水利感控范围，提升水利管理活动动态感控能力，增强水利信息网络覆盖与传输能力，同步做好网络安全建设。

3.4 推进建议

在充分汲取国内外智慧水利建设经验的基础上，结合当前四川省水利信息化建设现状及存在的问题，四川省智慧水利建设推进建议如下：

1）总体方案。鉴于四川省水利信息化建设相对滞后，全省智慧水利建设建议分3个阶段进行。a.主要完成统筹规划工作，为后期全省智慧水利建设指明方向；b. 主要完成水利信息化资源整合共享工作，形成全省智慧水利信息资产和共享机制；c. 补充完善基础设施，并结合业务管理实际开展数据服务及其智能应用建设。

2）组织机构及任务分工。由水利厅成立水利网信工作领导小组牵头负责全省智慧水利建设统筹协调和领导决策，组织建立相应制度办法、标准体系和年度工作方案，对年度目标任务进行督导考核，同步加强沟通协调和资金支持，及时研究解决推进过程中的问题；技术支撑单位负责全省智慧水利建设关键技术攻关与建设方案审核等；地方水利（务）局按照全省智慧水利建设要求负责智慧水利建设需求分析与建设工作。

3）保障机制。建立切实可行的人才培训和激励机制，加强前沿信息技术的跟踪、引进及水利信息化科技的研究与攻关工作，建立四川省水利信息化专家库，建立专家咨询制度，为水利信息化建设提供智力支持，培养水利信息化建设和管理人才，充实相应机构人员力量，加强与国内优秀技术团队的合作；积极争取智慧水利建设经费，落实信息化工程运维经费，确保工程建得起、用得好、用得久。