智慧黄河三角洲框架技术研究

陈济民 ，王 蕊 ，王海洋 ，陈建斌 ，申 源 ，邱天野

（1.黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450004；2.山东省黄河三角洲可持续发展研究院，山东 东营 257000）

0 引言

黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略，让黄河成为造福人民的幸福河的伟大号召，为新时代黄河保护治理工作提供了根本遵循。智慧黄河作为新时代协调推进黄河流域生态保护和高质量发展的一个重要战略举措抓手，旨在运用新一代信息技术实现资源共享和智能管理，为全流域装上智能大脑。智慧黄河三角洲作为智慧黄河的重要建设组成部分，在智慧黄河架构基础上强化信息技术与黄河三角洲地区业务的深度融合，高效支撑黄河三角洲生态保护和高质量发展。

作为沿黄城市群协同发展、唯一且不可复制的地理景观，生物多样性的天然基因库，多式联运的重要节点城市，黄河三角洲区位优势显著。但受制于生物多样性保护基础不牢固、水系网络不健全、水资源生态效益不高、环境与经济互动不协调[1]、经济升级转型动力不足等问题，严重制约了黄河三角洲生态保护和高质量发展。新一代信息技术驱动黄河三角洲改革发展，成熟的物联网技术为智能监测感知奠定基础，大数据处理技术高效支撑庞大的信息专业化处理，人工智能技术促进业务信息系统的智能应用，这些都为智慧黄河三角洲建设带来了机遇。因此，紧跟主流技术发展趋势，实现以黄河三角洲智慧化手段服务河口地区经济社会发展任务迫在眉睫。

1 需求分析

1.1 智慧应用需求

1）生态保护与修复。通过多年黄河三角洲滨海湿地生物多样性研究[2]，已获取黄河三角洲湿地范围内植物、鸟类、底栖动物、鱼类等多个专题研究数据，但相关工作主要集中在科研和试验阶段，尚未落地于行业应用。因此亟须将科研成果转化为社会效益，定期开展跟踪监测评估，建立起生态环境状况/质量的评价指标和体系，开展智能分析与预警，服务于当地生态、经济、社会等方面的智慧决策。

2）湿地城市高质量发展。将城市融入湿地构造大尺度湿地城市生态系统是黄河三角洲的一大特色[3]，但目前仍面临着水系不连通、蓄洪能力不强、人为破坏严重、水生态功能降低等一系列问题。需要进一步巩固生态安全屏障，开展相关湿地河湖水系连通工程、湿地生态修复工程、湿地和植被覆盖分布与变化的长期动态监测，打造集蓄洪、生态、旅游、人文、景观于一体的高标准城市湿地和现代化湿地城市。

3）水资源利用与管理。无论是黄河三角洲湿地与生态自身的良性维续，还是黄河三角洲地区经济社会高质量发展都离不开水资源，掌握未来一个时期可供水量对于优化水资源分配，平衡生态环境和工业用水等都具有非常重要的现实意义。相关信息和功能需求主要包括：黄河三角洲历史生态用水量、各区县历史引用水量、黄河水利调度计划和实时来水信息、地下水水位监测信息、未来可供水量智能预估及用水分水方案编制等。

4）文化旅游高质量发展。黄河三角洲具有独特鲜明的河海交汇、新生湿地、野生鸟类等世界级旅游资源，需大力推进重点精品旅游项目和示范区建设，打造具有黄河三角洲特色的旅游目的地。为此，需要以下信息支撑和智慧分析：旅游线路图、旅游景点 3D/倾斜摄影展示、动物栖息分布与迁徙路线展示图、特色旅游区/景点实时视频、旅游人员热点图及管理调度智能支持等。

5）工业高质量发展。黄河三角洲地区因石油而兴，发展出规模宏大的石化产业和延伸产业链。近年来，东营加快推进新旧动能转换战略，全力发展高新技术产业，向新材料领域和产业链两端延伸。支撑工业发展的信息服务内容需求包括：工业集群、特色产业园区、油田分布图，功能区、经济发展规划图，建筑场地动态监测与违规建设智能预警等。

6）其他业务应用。包括农业高质量发展、自然资源监管、防灾减灾等。黄河三角洲土地资源广阔，在农业科技创新、现代种业提升和渤海粮仓科技示范工程等综合措施的带动下，正着力建设现代农业产业，支撑农业发展的信息服务需求包括：渠系灌区分布、历年作物种植结构及分布图、农业用地分布及变化，来水条件与农业计划智能分析，墒情动态监测及旱情智能预警。自然资源监管也需要全要素土地利用动态变化监测和分类统计，疑似违规土地利用智能预警等信息和功能提供支撑。独特的地理位置和平坦的地势导致黄河三角洲常遇高强度、持续性台风暴雨，易形成水灾，因此需以下基础信息支撑和智能预警服务：洪水风险、防洪/防潮工程布局图，历史典型洪灾分析展示，台风、洪水等遥感监测，灾情智能分析与动态预警等。

7）公众服务。为黄河三角洲提供洲情的基础信息汇集和智能分析与决策支撑等平台，除了为政府及有关决策者服务外，大量的基础信息还可以通过互联网为公众服务。服务内容可以涵盖基础地图与影像、文化旅游、生态环境、防灾减灾等信息。

1.2 建设需求

1）智慧黄河三角洲一张图。黄河三角洲信息采集对象不全面，历史数据积累较少，数据层次不分明，行业融合度不深，尚未形成汇集、整合和共享，难以为黄河三角洲生态环境保护和社会经济发展提供有效的信息服务支撑。亟须收集整理黄河三角洲河湖水系、水利工程、自然保护区、城市道路、居民活动、历史文化等基础信息，构建智慧黄河三角洲的基础底图一张图，为汇集和管理三角洲基础地理、生态环境、社会经济等信息提供基础承载平台。

2）智慧黄河三角洲智能感知网。目前黄河三角洲社会经济、民生、生态环境保护等数据采集多基于地面或地下站点监测，监测网络体系单一。亟须建设黄河三角洲智能感知网，采用卫星 + 无人机 +地面台站 + 海洋站（天空地海/星空地海）一体化模式，构建综合采集监测、交换汇集与更新体系。采集农业、水利、气象、国土、资源与环境、文化旅游等相关领域感知信息，实现常态化联动更新和汇集，为各类行业和主管部门提供概要信息汇集和更新平台。

3）智慧黄河三角洲智能服务与分析支撑平台。依托政府公有信息化基础设施建立智慧黄河三角洲信息存储和管理体系，为三角洲信息存储、更新与管理提供基础支撑，结合业务应用和决策支持需要，创新信息展示与分析环境，为用户提供直观、高效的信息展现和智能分析场景，包括购置必要的存储和管理基础设施、平台软件、硬件环境和网络设施等。

4）智慧黄河三角洲业务应用。根据智慧应用各项业务需求，基于信息收集、存储管理和分析展示平台，综合利用各项黄河三角洲研究成果，联合空间分析、场景模拟、数字孪生、虚拟现实等技术，开发服务于生态环境保护、水资源利用、文化旅游管理、工业与城市化发展、农业发展和防灾减灾等业务的智能信息服务，为决策者提供黄河三角洲保护治理与开发决策依据，为研究学者提供研究成果信息交流服务，为大众提供黄河三角洲基础信息服务。

5）移动应用。开发基于 Android 和 iOS 等操作系统的移动应用，将基础地理信息和智慧应用拓展到移动终端上，如生态环境、基础地图、旅游等信息，将应用融入日常生活，随时随地共享信息服务。

6）公众服务平台。在互联网环境下，为广大公众提供基础地图、专题图、生态保护、文化旅游及社会经济发展等公共信息服务平台，公共信息主要包括生态环境、基础地图、湿地城市、旅游等信息。

2 总体思路与目标

2.1 总体思路

结合黄河三角洲生态环境现状和社会经济发展实际，以为行业管理和决策提供基础信息支撑和智慧决策服务为出发点，强化新一代信息技术与相关业务的深度融合，采用先基础后专业、先试点后扩展策略逐步开展建设，构建黄河三角洲一张图、智能感知网、业务智能协同信息服务，逐步实现生态环境状态可感知、资源条件可预知、协调发展可模拟、智慧决策可支撑的智慧黄河三角洲综合信息服务与决策支撑平台，为黄河三角洲地区生态保护和高质量发展提供高效支撑。

2.2 总体目标

到 2025 年要实现的总体目标如下：建成相对完善的黄河三角洲综合信息一张图和基础地理信息平台；建成黄河三角洲主要功能区和生态保护区的示范性监测体系，实现动态获取生态、湿地、动植物、环境、气象及水文等主要指标信息；初步建成黄河三角洲典型共享信息汇集体系，打通获取行业相关信息的传输通道；初步建成智慧黄河三角洲信息存储、管理和服务大数据平台及基础设施；初步建成服务于生态保护与修复、湿地城市发展、水资源集约利用、文化旅游、工业发展等业务的智能分析评价，预测预警，知识服务及决策支持的智慧化信息服务应用系统体系，全面服务于黄河三角洲生态保护和区域高质量发展。

到 2035 年要实现的总体目标如下：建成地域覆盖全面、监测信息齐全、先进高效的黄河三角洲生态环境综合监测体系；建成覆盖黄河三角洲社会经济有关业务的完善的信息汇集体系和动态更新机制；全面建成能够支撑信息存储、处理和高效服务的信息化技术设施体系；建成覆盖黄河三角洲生态保护和高质量发展各项业务先进高效的智能应用服务体系，全面支撑智慧黄河三角洲生态保护与修复、湿地城市发展、水资源高效集约利用、文化旅游、工业发展等业务智能管理与分析决策。

3 架构设计

3.1 总体构架

以智慧水利、智慧城市[4]等顶层设计为参考，充分利用云计算、大数据、物联网、移动互联等先进技术[5-6]，采取统一布局、重点先行、分步实施的策略，初步构建智慧黄河三角洲总体架构[7]。以监测感知和信息汇集为基础，以建设和开发智能服务与分析平台为支撑，以数据服务和应用为依托，以政策、制度、标准为依据，以信息安全、标准规范、运维管理为保障，开发各类业务和智能应用，实现黄河三角洲智能应用的互联互通、信息共享、业务协同。总体架构图如图1 所示。

图1 智慧黄河三角洲总体架构示意图

3.2 监测感知架构

智慧黄河三角洲监测感知架构包括以下 3 个部分：

1）感知要素。包括自然资源（湿地、植被、土地、动植物等）、生态环境保护与修复工程设施（河流、测站、渠系、灌区、水库坑塘等）、人类活动（保护水环境水生态的治理活动，参观游玩的休闲活动等）。具体感知要素数据类型主要包括气象、水文、水环境、生态、土壤、海洋、栖息地、人类活动等。

2）感知手段。包括物联感知（传统采集终端、卫星、雷达、无人机、视频等）、社会感知（媒体、社交网络、移动设备）和网络感知（网络资源、业务系统）。

3）传输网络，包括 GPRS、光纤，以及 5G 和NB-IoT 等新一代无线物联通信。

监测感知架构示意图如图2 所示。

图2 智慧三角洲监测感知架构示意图

3.3 信息汇集架构

3.3.1 计算存储管理基础设施架构

利用云计算技术对存储、服务器等物理设施进行虚拟化，搭建计算存储管理基础设施，建立智慧黄河三角洲专有云，通过云管理平台对虚拟化资源进行统一管理，为智慧黄河三角洲提供大规模存储计算能力、统一的数据存储和分析处理服务，实现块、文件、对象等存储的融合，基础设施架构示意图如图3 所示。

图3 计算存储管理基础设施架构示意图

根据不同的业务类型和特点，选择不同的虚拟资源存储方式。云计算平台和数据库等需要高性能、高吞吐量、高可靠性要求的数据存储采用块存储；用于开展分析挖掘的海量数据，采用分布式存储；文档、图片、视频，或需要多台服务器之间共享的数据采用文件存储；海量非结构化、备份等数据采用对象存储。计算存储管理基础设施可以采用租用托管的方式进行搭建。

3.3.2 数据资源架构

充分考虑黄河三角洲业务需求，全面梳理已有数据，分析需要整合与共享的相关行业和社会数据，在计算存储基础设施框架下，基于“一数一源、一源多用”的原则[8]，以多源途径获取数据为依托，以数据整合治理技术为纽带，以数据联动更新为核心，以数据集中共享为目标，通过数据管理平台实现数据资源的汇集、整合、建库、入库，依据数据分析和智能挖掘程度依次形成汇集库、基础库、主题库、产品库，为数据服务和应用支撑平台提供数据支撑，数据资源架构示意图如图4 所示。相关数据可以来自相关单位、行业及互联网等不同领域，根据统一数据标准规范和体系框架，不断完善数据汇集、共享交换与同步机制。从标准规范上保障数据的集成性和整合性，从源头上保障数据的真实性和准确性，从汇集途径上保障数据的时效性和全面性，全面提升数据汇集效率与质量。

图4 数据资源架构示意图

3.4 智能服务与分析支撑平台架构

在智慧黄河三角洲信息汇集中心基础上，构建统一的智慧黄河三角洲智能服务与分析支撑平台，为上层智能应用提供业务支撑、服务管理、辅助决策功能服务。智能服务与分析支撑平台架构如图5所示，具体分析如下：

图5 智慧三角洲智能服务与分析支撑平台架构示意图

1）基础应用支撑。为上层智能应用各类业务提供通用性的功能支撑，主要包括基础组件服务、数据访问服务、共享交换组件、可视化支撑、移动支撑组件等。

2）智能应用支撑。为上层各类智能应用提供模型、算法等计算与分析功能，包括业务模型、学习算法、知识图谱、机器认知等服务。

3）空间基础信息平台。以服务聚合作为数据基础，将空间范围和时间序列上的数据作为挖掘目标，以二维、三维作为展现手段，空间检索作为便捷查询工具，为智能应用提供基础空间分析支撑，形成黄河三角洲空间基础信息平台，与一张图一起为黄河三角洲高质量发展提供特色专题服务。

3.5 业务智能应用架构

围绕黄河三角洲业务工作重点，突出重点任务，构建涵盖生态环境保护、水资源利用、文化旅游管理、工业与城市化发展、农业发展、防灾减灾、科研服务等业务的智能应用[9]。结合管理部门对众业务监管和公众对黄河三角洲相关信息查询等的需求，开发综合监管和公众服务等门户，实现黄河三角洲信息互联、综合监管、信息公开、在线互动等一站式黄河三角洲综合信息服务。智能应用架构见图1 智能应用层内容。

3.6 网络安全架构

结合国家网络安全相关政策标准，遵循网络安全顶层设计和总体策略[10]，以落实网络安全法、安全等级保护和关键信息基础设施保护条例要求为基础，以智慧黄河三角洲涉及的网络信息系统、关键信息基础设施为安全防护对象，建设和补充完善以下体系：以包含纵深防御为基础、监测预警为核心、应急响应为抓手的全要素网络安全技术体系，涵盖组织机构、人才建设、制度规范在内的全方位网络安全管理体系，贯穿持续监测、响应处置、威胁防护、威胁预测的全过程闭环安全运营体系，提升与智慧黄河三角洲建设全面融合的网络安全保障能力。网络安全架构如图6 所示。

图6 网络安全架构示意图

4 结语

让黄河成为造福人民的幸福河的伟大号召推动了黄河三角洲生态保护与高质量发展的战略步伐。集监测感知、信息汇集、支撑平台、智能应用、网络安全于一体的智慧黄河三角洲建设，可有效推动三角洲生态环境状态可感知，资源条件可预知，协调发展可模拟，智慧决策可支撑，为黄河三角洲地区生态保护和高质量发展提供高效支撑。

但是，智慧应用问题是一个协调、整合、提取、升级各类监测感知要素的大问题，如何借助新一代信息技术挖掘人类活动作用下生态环境、社会经济之间的多维度特征并进行智能分析，将成为未来黄河三角洲深入研究的一个方向。同时，如何在现有架构内研究黄河三角洲各业务之间的内在联系机制与组织结构，量化各业务的评价指标，也将成为智慧黄河三角洲研究的难点。此外，探索以综合感知、智能分析、科学决策为主的智慧应用，搭建面向决策者、管理者和公众的黄河三角洲信息共享平台，也是今后智慧黄河三角洲应用研究的一个重要方向。