智慧水利关键技术及系统设计

张 臻，高 正，张 鹏，李淑祎，曹迪凡

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 问题的提出

随着2015年国务院《促进大数据发展行动纲要》的颁布，推动大数据技术与最新IT信息技术深度融合，细化大数据技术在各个传统行业的创新，成为水利行业未来发展的方向。而“智慧水利”则是水利信息化发展的更高级阶段，从信息化水利到智慧水利，不仅是技术的进步，更重要的是水文化的超越。正确认识信息化水利与智慧水利的关系，有助于透过表象而理性、科学地把握水利科技发展的内在规律，从而推动水利智慧化发展。

目前，基于数字化、信息化水利的成果，在国内某些大型项目和新区水利建设中已经运用相关技术，探索智慧化水利的可行性。部分学者也将大数据、物联网等新兴技术与传统水利工程结合，研究水利工程的多维度跨越[1-4]。高英[5]提出“BIM+”智慧水利技术，主要针对设计方面联合互联网思维实现创新；陈凤[6]等人提出基于物联网技术搭建智慧水利系统的基本思路；边馥苓[7]对数字工程的原理与方法进行深入研究；王志坚[8]针对智慧化发展提出水利、数字、业务三和谐的系统构架。本文在结合前人研究的基础上，依据灵江扩排工程实例中所应用的关键技术和水利智慧化内涵，对智慧水利系统框架进行设计和探讨。

2 智慧水利

2.1 智慧水利概念

智慧水利是智慧地球的思想与技术应用于水利行业的结果。它基于数字信息化水利成果，并利用物联网技术，泛在、自动、实时地感知水资源、水环境、水过程及各种水利工程的各关键要素、关键点、关键位置和关键环节数据；通过信息通信网络传送到在线的数据库、数据仓库和云存储中；在虚拟水空间，利用云计算、知识挖掘、自然计算等智能计算技术进行数据处理、建模和推演。并针对突发事件、自然灾害等做出科学优化的判断和决策，并反馈给人或设备，采取相应的措施和行动有效地解决水利科技和水利行业的各种问题，提高水资源的利用率、水利工程的效果和效益以及工作效率，有效保护水资源与水环境，防灾减灾，实现人水和谐。具体体现为:“物联感知”“互联互通”“科学决策”“智慧管理”。

2.2 从水利信息化到水利智慧化

从水利信息化到水利智慧化，不仅仅是技术的进步，更是诸多理念、要素的跨越和拓展。

（1）静态到动态的跨越。信息化水利是以静态管理存在的问题，现在可以通过包括遥感在内的传感网解决，因为传感网可以实现信息的自动、实时更新。

（2）从三维到多维的跨越。信息化水利所构建的虚拟水空间是准静态的三维空间；而智慧水利的信息是随时间自动更新的，因而智慧虚拟水空间是空间三维加时间维的四维动态空间。

（3）从产品到服务的跨越。信息化水利所生产的产品是向特定目标用户提供的，相互之间的连接、信息共享和功能互操作很薄弱，基本处于孤岛状态。而智慧水利是基于网络、云端等分布式计算的网络服务，不再表现为特定中心化的信息系统，而是一种基于物联网的扁平结构，拥有部分去中心化的功能作用。

2.3 智慧水利层级

智慧水利的构建层级，首先以BIM+GIS为信息基数，建立起三维空间模型和时空信息的有机孪生体信息模型；其次基于水利大数据库，以智能算法、AI技术为支撑，实现区域内水利问题的实时智能决策；最终通过终端物联网设备与互联网整合，汇集规划、建设、运维全周期数据，实现精细、深度化的智慧管理。

3 关键技术

依托灵江扩排工程[中国电建集团华东勘测设计研究院（以下简称“华东院”）设计]，提出智慧水利系统从底层数据建立到物联互通、辅助决策、智慧运营管理各阶段所需关键技术主要为:BIM+GIS技术、低成本物联网传感技术、无人机+卫星遥感技术、云计算及物联网技术。

目前，在灵江工程实际运用中，已经在大闸部分模型建立中充分运用“BIM+GIS”技术，实现三维BIM+倾斜摄影宏观模型搭建，并且已在阮家洋分洪洞施工过程中埋设相关低成本物联网传感设备；同时计划在未来运行管理中接入遥感信息，依托物联网基础数据及云计算能力，实现整个工程的智能决策和运维。

3.1 “BIM+GIS”技术

传统二维GIS地图缺少对局部工程的细节展示，仅有工程的BIM模型则难以从宏观层面把握实际情况。因此将BIM与GIS技术的有机结合进行运用是本方案实施的一大特征。宏观层面的信息展示上借助GIS系统完成，通过点击等方式可以直接跳转到工程实际位置。充分利用BIM的三维可视化优势帮助管理者快速熟悉环境，了解当前状态的系统全貌，是仿真运行历史以及虚拟推演假设情景的最佳展示环境。灵江扩排工程实际模型搭建成果见图1。

图 1 灵江扩排工程“BIM+GIS”模型图

本部分技术的核心难点在于将BIM模型轻量化以及确认需要保留的信息类别。对于工程设计人员BIM模型更多地关注实际设计问题，但是对“智慧水利”系统，许多设计信息在运维管理中并不需要，隐藏即可。因此需要通过对甲方管理需求的充分调查对接以确认BIM模型轻量化的技术标准并发布相关地区标准文件以方便设计方执行。“BIM+GIS”技术示意见图2。

图 2 “BIM+GIS”技术示意图

3.2 低成本物联网传感技术

目前许多精密测量用的传感器终端的价格比较高，因此传统的水利监测也往往局限于“少而精”的布局体系。但要让平台发挥作用需要更大量的数据，有必要研发低成本、便于布设的物联网传感器终端。灵江项目在阮家洋分洪洞先行段施工阶段充分利用各种传感器，并为后期接入物联网，汇入系统平台做准备。低成本物联传感器布设见图3。

图 3 低成本物联传感器布设图

本部分技术要点在于找到数据精度与传感器成本之间的平衡。事实上，在一般水利测量中，以水位为代表的物理量测量其精度要求并未高到需要使用激光测量仪的程度。因此物联网传感终端的技术构成应以低精度低成本测量传感器为主，搭配以Zigbee芯片为代表的低成本低功耗信息传输设备以及小型太阳能电池板为代表的可持续供电装置，充分降低布设成本，以大量获得监测数据，扩大监测范围。

3.3 “无人机+卫星遥感”的遥感协同技术

随着无人机技术的日益普及，一般的无人机巡检渐已成常态。但随着遥感仪器（如高光谱仪）的体积日益减小，机载遥感与卫星遥感协同也渐成为可能。相比传统卫星遥感受到云层、拍摄时间、拍摄精度等条件的限制，机载遥感的灵活性将为其在近地层观测中获得一席之地[9]。“无人机+卫星遥感”的遥感协同技术示意见图4。

图4 “无人机+卫星遥感”的遥感协同技术示意图

本部分技术难点在于无人机与卫星遥感之间的协同配合机制。为了高度实现无人机巡检遥感的自动化，需要由平台依据对卫星遥感、水质实测数据分析得到的重点观察区域来计算无人机巡检范围的自动划定。同时，在无人机航测完成后，由平台自动将无人机的GPS数据叠加到无人机遥感数据中，经云端反演计算后，自动叠加到已有水质遥感图中，完善重点区位的水质遥感信息。

3.4 基于云计算的模拟技术

当前分布式模型等应用广泛的模型大多缺少对实时数据的响应，有的因为算法原因导致计算耗时过长，计算结果缺少时效性。这种方式下的模型计算难以为信息平台快速方便地提供数据。

为解决这一问题，需要将所获取的大量数据与计算程序均在云端进行，充分利用云计算的算力去完成传统线下单台计算机完成的工作。该部分技术难点在于将前期数据处理工作自动化，并将已有模型轻量化:通过完善云端模型输入输出接口、轻量化已有模型算法或进一步利用卷积神经网络等算法替代已有算法等，实现基于云计算的模型计算功能。

4 系统框架设计

本次计划设计的灵江扩排项目智慧水利系统，将按照1+N的平台框架打造，建立一个部分去中心化的水利构架系统。主要分为感知层、传输储存层、支撑层以及应用层。强化核心平台功能，开发基于智慧水利平台管理决策需求的强相关功能模块，覆盖灵江扩排工程规划建设全过程管理。

感知层:所有信息的来源与基础，主要包含水雨情信息、水质信息、工情信息、管理信息、遥感信息、视频信息等的采集。本层既能依托大量物联网传感器以及摄像头等终端从现实中获取水情工情等数据，又能利用数据提取程序从合法接口接入其他已存在的数据库（如气象局气象数据库、遥感卫星影像数据库等）以获取对应信息，还可以基于PC与个人手机终端填报、采集相关管理信息。通过这3种途径完成感知层任务。

传输储存层:主要依靠无线网络、有线网络在程控交换系统、加密系统的辅助下，依托公网或者专网进行数据传递。同时存放所有数据，主要包括基础数据库（储存如三维地形数据、基本水系数据等地理信息基本数据）、水情数据库、工情数据库、水质数据库、管理数据库（存放如河湖长制管理的相关资料）、遥感数据库（存放用于遥感分析的影像）等。

支撑层:为应用层提供技术支撑的部分，通过BIM平台（主要提供工程建筑物几何与属性信息）、GIS平台（主要提供宏观地理信息）、数模分析组件（主要为基于云计算的水文水质计算模型以及未来依靠AI开发的决策辅助程序）、遥感分析组件（主要提供对遥感数据的反演计算功能）等提供应用层所需的各类信息。

应用层:直接面对用户的部分。底层收集到的数据经支撑层相关应用的处理后，将数据与结论根据不同应用场景的需要提供给用户，完成信息服务。应用层提供综合信息、水情信息、工情信息、水质信息、应急指挥、日常管理等服务。灵江智慧水利系统设计框架见图5。

图5 灵江智慧水利系统设计框架图

围绕灵江智慧水利主平台构架，在应用层重点打造规划系统、建管系统及运维系统，实现水利工程全生命周期监测与管理、科学与智能决策。

4.1 规划报批系统

规划报批系统能够汇集各类规划信息，实现多维叠加，为报审报批提供支撑。主要分为总规BIM模块、控规BIM模块和方案BIM模块。

总规BIM模块:建立流域规划范围内的规划、地理、地质3大基础模型，形成“多规合一”“多源合一”的全信息数字沙盘，真正实现“一张蓝图干到底”。在GIS影像上建立平面区块规划，在流域级范围上反映水利系统的布局。灵江总规BIM模块“多源合一”数字沙盘见图6。

图6 灵江总规BIM模块“多源合一”数字沙盘图

控规BIM模块:灵江项目涉及范围广，工程子项多，在总规基础上将其分解为引水工程控规BIM模块、义城港河道控规BIM模块、各扩排段控规BIM模块、大闸部分控规BIM模块等次流域级模块直接在平面总规BIM模块基础上进行规划模型建立，并依靠BIM+GIS技术，由GIS推演场地规划及工程土方利用效率，使得区块场地的占用和清退灵活多变。控规对象拥有近似形状模型，具有关键轮廓控制尺寸，包含其最大尺寸和最大活动范围，区块控制性属性赋予。

方案BIM模块:针对控制性规划要求，具体对项目中的单元工程进行多方案、更深程度的BIM模型建立。同时，依靠神经网络、遗传算法等智能算法，在总规和控规模块的基础上，自动判断多方案中范围及规划属性的正确性，并针对错误进行智能修正，由BIM+GIS技术的算量优势快速筛选出规划最优方案。

4.2 建设管理系统

灵江扩排项目建管系统负责管理平台上所有在建水利项目，通过统筹、协调、监管、评价4个方面全方位对项目投资、设计、施工进度、施工质量、安全评价等进行统一协调、高效分析、支撑决策。由整体统筹板块、科学协调板块、智能监管板块及多维评价板块组成。

整体统筹板块:①通过合作方式、工程方案比选，寻找合理方案和最佳模式进行各阶段、各区域级别的资金统筹；②依据区块要求、征地要求及施工工序要求等，建立拥有最佳效果的建设时序方案；③统筹业主及各合作方、参建方，多方对比，寻找最佳的参建单位资源。

基于上述资金、时序、参建方等方面，通过AI技术智能推演最佳建设方案。

科学协调板块:通过平台将政府部门、业主单位及参建各方的信息进行实时互联，并对信息实行智能分级管理制度，在保证各级权限的前提下，最大程度地做到协调调度和信息共享的高效性，尽可能地避免由于各方组织不科学而出现的资源利用率低下问题。

智能监管板块:灵江项目系统监管板块规划设置人力资源管理、综合管理、设计管理、技术管理、进度管理、质量管理、投资管理、安全管理、QHSE管理、合同管理、采购管理、系统管理等14个模块，其中QHSE管理在华东院云建管平台基础上修改实现，合同管理与采购管理移植华东院云建管平台模块内容，数据信息打通。下面重点针对板块中设计管理、质量管理、进度管理、投资管理及安全管理模块5个方面进行阐述。

（1）设计管理模块，纳入现场设计产品报审流程，通过监理方现场负责人、监理专业审查人、建管局等多方流转审查，最终完成设计产品的现场报批，提高设计文件报审效率。并通过平台系统，实现报审流程全程监控。

（2）质量管理模块，具有单元工程质量评定、数据统计展示分析等功能，并在平台系统中，通过移动端现场完成各分序工作质量验评，对质量问题实时跟踪，对负责参建的人员第一时间进行质量落实提醒，提高质量管理效率、保证质量管理透明度。

（3）进度管理模块，将三维全信息模型与工程进度信息结合，创建多维度信息模型，针对实际监测进度进行预警，并将预警结果直接反馈相关人员。模块主要功能包括:工程进度信息的编录、图表展示、三维展示、进度对比展示、进度事件提醒等。

（4）投资管理模块，依靠在单元工程的BIM模型中挂载工程量，由平台系统自动完成工程量统计，并生成节点台账、投资对比、结算统计信息供各方统筹、协调、决策。

（5）安全管理模块，基于物联网技术获取大量实时监测数据，并通过云计算和AI智能辅助预测预警安全隐患。

多维评价板块:创建评估体系，建立供应商库，利用大数据等信息化技术对参建单位进行多维动态评价，优胜劣汰，不断提高全方位服务水平。评估体系本着公平、公正、公开原则，对参建方规划设计、建设投资、监理咨询、建筑施工各阶段进行智能评分。

4.3 运维系统

运维系统基于BIM+GIS底层基础数据，结合物联网、云计算、大数据技术，及时分析处理水利数据、突发情况，并及时做出预警及决策建议，是水利工程从产品到综合服务跨越的基石。本次灵江扩排项目运维系统，参照华东院深圳前海智慧城市成功案例，由综合管理模块、监测体系模块、指挥控制模块构成。

（1）综合管理模块:本模块在日常正常运行情况下，为应对各部门快速、整体把握区域范围内信息流而设计建立，包含研究区域内流域概况、数字孪生工程全景、体系组织构架、文档文件综合管理等功能。

（2）监测体系模块:包含水雨情、水环境、各类工情、设备设施运行工作情况、灾情等的物联网实时监测，为指挥控制模块系统奠定基础。

（3）指挥控制模块:以规划、建管及监测系统为依托，构建一个现场指挥、多方联动、高度集成的指挥控制系统。本模块主要为了更好地满足水利部门快速高效地完成日常工作、会议交流和处置突发公共事件，以物联网视频信息为基础建立智慧调度系统（包括大屏模块、桌面模块和移动端模块），实现规划区域内的应急可视化指挥，并且通过智能算法和神经网络进行灾害模拟和辅助决策。深圳前海智慧城市运维智慧系统见图7。

图7 深圳前海智慧城市运维智慧系统图

5 结 语

智慧水利是一个庞大的综合体系，它实现了传统水利工程从静态到动态、从三维到多维、从产品到服务、从正确科学到智能科学的跨越。本文结合华东院灵江扩排工程实际，对智慧水利概念、层级、以及智慧化在水利行业的价值体现进行简要分析；深入探讨灵江扩排项目在实施过程中，已经运用和计划运用的BIM+GIS、无人机+卫星遥感、云计算及物联网等智慧水利关键技术，并针对相关技术提出优化方案；同时提出灵江扩排项目智慧水利系统1+N系统框架，结合关键技术，针对框架的内容及具体业务技术需求做出详尽的构建，分析智慧化在水利行业的价值体现，为智慧化在水利行业的进一步推进发展提供研究资源和支撑。