掀开智慧治水新篇章——5G在水文监测和水生态治理中的应用探讨

□张芸

地球上约有3/4的面积覆盖着水，全球水的总体积约有13亿8600万km3，但人类真正能够直接利用的水资源，仅是江河湖泊以及地下水中的部分，据统计可用水量不足4.5万km3。随着全球水资源短缺日益加剧，世界各地纷纷运用信息化手段，保护水资源、治理水环境。传统的治水方式已无法解决现代环保所面临的一系列新问题，科学技术日新月异，5G时代已经到来，现通过传统治水和5G智慧治水方式的对比、5G技术在现代治水中的实用性、5G智慧治水发展前景分析，探讨治水新技术，为新时期治水提供技术参考。

1.5G智慧治水与传统治水对比

1.1 传统治水短板

1.1.1 采样监测受限

有些水源地处偏僻的野外，路途遥远，交通不便，工作人员采集水样、进行监测非常困难，监控管理成本高昂。

1.1.2 监测数据时效性、利用率有待提高

监测站点部署和监测数据指标不够全面，信息采集间隔长，缺少实时性，无法较为准确的反映出水体的动态变化情况，由于分析模型单一，采集的数据未能充分发挥作用，缺乏多参数的综合分析评估手段。

1.1.3 管理效率急需提升

采用的监测设备分处管理，数据分散存储，导致运行维护成本高。很多水源与多个管理单位大范围交织在一起，关系复杂，权责不清，配套监管系统各自为政，从监测、预警到治理无法联动，反而相互掣肘，影响治水力度，阻碍对水资源的保护。

1.2 5G智慧治水优势

众所周知，物联网、大数据、人工智能等技术逐渐成熟，5G网络技术的出现必将引领产业变革，加速推进各行各业数字化转型，5G网络具有大带宽、低时延、高密度等特性，使得广域环境下的VR/AR、高清视频、海量连接成为可能，在当前全球水环境治理的大背景下，运用5G新技术的优势，立足水文监测和水生态治理领域，打造出智慧治水新模式，从而实现了智慧治水里程碑式的变革，是时代发展的必然趋势。

1.2.1 全天候、多维度、大范围的立体化水质监控

传统治水方案监测手段单一，只有水质数据，缺乏实体环境的立体情况，5G智慧治水方案提供低成本、易部署、免维护的微型在线水质监测设备，同时通过5G网络回传高清实时监控视频，实现全方位立体化监测。

1.2.2 智能化信息平台支撑下快速准确的水情预测

传统治水方案数据利用率低，大量珍贵数据没有被挖掘内在价值，5G智慧治水方案提供融合的智慧治水平台，提供AI智能化分析工具，实现有效地预警和预测，强力辅助治水科学决策。

1.2.3 多环节联动、全民参与、合力治水

传统治水方案各级管理系统隔离，缺乏自动化业务流程和接口打通工具，各种治水环节有所冲突。5G智慧治水方案提供功能丰富、高效的管理信息平台，依据各地颁布的政策法规，实现多系统调度、多地区联动，使各行业管理部门形成合力，有效地治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水，提升水质，实现五水共治，将传统治水提升到更高层次，对水环境智能化治理意义非凡。

2.5G智慧治水实用性分析

2.1 5G低时延—赋能智慧治水更快速的远程控制

在智慧治水业务中引入5G新技术，快速将远程控制变成现实。相对于4G网络而言，5G网络时延大大降低，可达毫秒（ms）级别，这对于很多实时应用影响巨大。在智慧治水业务中，很多基于云AR/VR的远程控制服务对网络时延要求极高，同时需要大量的数据传输，在4G网络条件下很难实现，但5G网络低时延、大带宽的特性改变了这一现状，使这项服务得以实现。

利用5G网络的优势，将AR/VR、无人机/无人船等技术融入智慧治水综合解决方案，实现对水域的精确巡测及对水质/水情的实时监控，实现了更真实的交互体验，更高效的水域治理。

在该流程中，远程控制的操作人员利用AR设备和虚拟屏幕，可实现无人机/无人船的监控巡更、水质/水情实时监测等业务。以无人机监控巡更为例，无人机搭载高清摄像头和5G CPE（Customer Premise Equipment），通过5G网络将高清巡更视频回传业务平台，利用云端服务器的数据存储和高速计算能力，进行AR显示；同时，远程控制人员通过虚拟屏幕下达预设指令，操控无人机进行水域巡更，或者通过设置巡更路线进行自适应巡航。AR设备、无人机与智慧治水业务平台通过5G网络进行控制流与视频流的交互，实现了快速远程控制，保证水域治理更加可靠高效。

2.2 5G大带宽—赋能智慧治水更清晰的视频监控

在智慧治水业务中，需要大量的视频监控，包括固定监测点、移动巡检等。在4G网络下，虽然能够实现多路视频传输的大屏显示，但是由于4G自身传输速率的限制，无法呈现4K/8K的高清监控视频，更难以实现对画面质量和时延都要求极高的VR实时直播体验，因此4G网络下，难以获得较好的监测效果，视频识别因为采集的视频清晰度、分辨率问题，导致识别效果不佳。5G网络的出现，改变了这一现状。5G的另一大特点就是大带宽，相对4G网络，其传输速率提升10～100倍，峰值传输速率可达10Gbit/s，轻松地实现了高清视频监控的实时回传，这一特点在“5G智慧治水”业务中被充分利用，在监测水域设置多个固定监测点，再利用无人机/无人船进行移动巡检，保证水域的全天候多维度监控。

同时，5G大带宽的优势更好支持智慧治水AR远程控制业务，保障VR实时直播巡检业务的执行。部署的360度全景4K摄像头，将拍摄到的高清画面通过5G空口，接入5G核心网，再经过核心网络和CDN节点之间的专线，实时传送视频信息。用户在现场佩戴VR眼镜，沉浸式观看水源地的4K高清视频VR直播，其依托5G网络充分利用5G网络大宽带等特点，给用户带来沉浸式VR体验，实时高清的进行水源地的远程巡更。

除此之外，结合4K/8K超清视频监控画面，进行高准确率的水情预警自动识别，如图1所示。基于智慧治水业务平台的云计算能力和AI分析能力，采用视频识别技术，对站点摄像头回传的水情视频进行监控识别，发现水情问题。例如，根据监控视频识别出水面有大量漂浮物，水质颜色发生变化等水质异常和污染问题，根据识别结果生成水情预警事件；同时，基于系统采集到的水情预警数据，进行AI分类模型训练，利用训练好的分类模型，进行预警的自动分类；基于水情预警分类结果，自动生成水情处理工单，支撑协调相关责任主体进行水情事件处理，以保证水域治理的高效、智能。

2.3 5G大连接—赋能智慧治水更海量的设备接入

在智慧治水业务中引入5G新技术，支持海量的水质检测设备接入，在智慧治水中实现高密度、高频率的水情信息采集。5G相对于4G网络而言，连接设备密度增加了10～100倍，在智慧治水业务中，涉及了包括地表水、城市二次供水在内的多种水质监测终端、洪涝水位监测终端、流速监测终端、无人机/无人船、高清监控摄像头等各类监测终端。5G网络的出现，保证了这些终端设备能够顺利的接入智慧治水业务平台；同时也保证了更多种类、更海量的其他与业务相关终端可以接入网络，各终端与云平台之间能够进行协同作业，完成对水环境大范围、高密度、高频率的水情信息收集感知。

在5G智慧治水方案架构中，采用IoT公共基础平台，上承应用，下连设备，汇聚物联网数据；基于采集的海量水情信息，辅助工具、用户、第三方系统，为终端设备提供有机的关联与共享，推动更多的治水应用得以落地，实现了更好效果的水域治理。

2.4 5G云化微服务—赋能智慧治水在线监测数据交换

智慧治水系统解决方案采用云化微服务的架构，B/S的应用模式，以保障系统软件的跨平台性和安全性；同时具备与国家水质在线监测软件进行数据交换。该系统设计为四层次体系结构，分别为水信息数据采集层、通讯传输层、数据接入层、智慧治水系统平台层。总体框架按照设计方案中系统框架的具体要求进行设计，从纵向和横向2个纬度搭建纵向具有层次性、横向具有良好扩展性的框架结构。

智慧治水通过水质监测终端NB/3G/4G/5G通讯模组接入到无线基站，通过无线基站传输数据到核心网，进而发送数据到智慧治水系统平台进行存储、分析，通过智慧治水系统提供治水的业务服务，展示数据给用户。水质监测终端与智慧治水系统平台之间通过mod bus协议实现数据传输，以及restful接口完成集成对接。

3.5G智慧治水前景分析

联合国已将水资源保护和水环境治理定为可持续发展目标，在联合国环境规划署发布的水质报告中（UNEP《Water Quality Outlook》）强调“对任何政府来说，监测和管理水质都是根本，据估计投入在治水和卫生设施上的每1美元会带来3～34美元的回报”，号召全球政府重视水资源问题和加大治水建设的投入。

我国自改革开放以来，高度重视水环境问题。“九五”对污染严重的“三河三湖”实施重点治理；“十二五”明确将节能环保产业作为战略新兴产业，全面推行“河长制”；国务院办公厅2015年8月12日印发《生态环境监测网络建设方案》(以下简称《方案》)以及发布治水的“水十条”计划（《水污染防治行动计划》）；将持续在水质监测、污染控制和污水治理等领域投资超2万亿元，规划到2020年初步建成陆海统筹、信息共享的生态环境监测网络，城镇污水处理设施全覆盖，污水治理率达到95%。

无论国际还是国内，水资源、水环境都是人类发展的重要支撑，保护水资源、治理水环境已成为全球生态发展的共识，智慧治水是智慧生态发展的重要一环，5G智慧治水提高了水资源保护和水环境治理的效率，有力推动了环保领域的技术进步和行业发展，在5G网络技术不断成熟以及商用进程的逐步推进下，必将引领全球新一轮的产业变革。

4.结论

推广应用5G技术已经上升为国家战略，中国将领跑5G的研究与建设，5G将以全新的网络架构，提供至少10倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力，开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。5G将全面构筑经济社会数字化转型的关键基础设施，从线上到线下、从消费到生产、从平台到生态，推动我国数字经济发展迈上新台阶。随着全球水资源短缺的日益加剧，水资源的保护治理已经常态化，为了更好地实现绿水青山这一目标，5G智慧治水必将大有可为、大有作为。