基于“空天地一体”的智慧水务平台

雷代银,黄庆令,韩 君,杨岚斐,罗朝传,唐金慧

(1.成都万江港利科技股份有限公司,成都 610015;2.四川大学-万江科技人工智能与涉水专业算法联合实验室,成都 610065)

1 研究背景

习近平总书记强调“绿水青山既是自然财富、生态财富,又是社会财富、经济财富”[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出,深入打好污染防治攻坚战,建立健全环境治理体系,推进精准、科学、依法、系统治污,协同推进减污降碳,不断改善水环境质量[2]。随着国家全面推进生态文明建设步伐的加快,强化水环境信息化建设,实施精准治理,建立河湖动态监管机制是新时期国家开展水环境管理的具体要求,是打赢水污染防治攻坚战的重要任务[3]。历经多年保护治理,很多河、湖及流域已经基本建立了水环境监测和管理体系。然而,目前的管理体系中仍然存在监测和环境感知体系不完善、环境综合监管现代化程度不高、智能化综合决策能力薄弱等问题,难以支撑科学精准决策管理需求。

本文利用“空天地一体”技术,对智慧水务信息数据实时动态采集、实时动态监管,形成多元时空动态大数据;利用Hadoop+分布式多模数据库技术,为智慧水务大数据存储、分析计算及深度挖掘提供基础,实现全时空多元数据信息互联共享;形成支撑水质安全智能监测与评估的智能决策“超级大脑”;建立基于大数据与人工智能技术的水环境管理模式,实现水务数据分布的自适应时空网络拓扑结构,开发面向政府决策、企业监督和公众参与的可视化、智能化的智慧水务决策分析平台,提供防汛抗旱、城市内涝、水环境监测、水量调度、河湖长管理、智能决策等应用功能。

2 研究内容

2.1 “空天地一体”的环境感知系统

基于“空天地一体”的环境感知系统(如图1所示)是智慧水务系统的重要组成部分,运用先进的传感设施、通信网络,构建涵盖水资源、水安全、水生态领域的信息采集、传输、处理、存储,对雨情、水情、工情、水量、水质、图像、生态等信息进行汇集,为水环境、水生态、水政监管提供重要的数据支撑。

图1 “空天地一体”的环境感知系统

整合流域现有监测资源,补齐流域生态监测网络和环境感知系统短板,形成覆盖湖体、水库、入湖河流、地下水、湿地、调蓄带、土壤、岸线、农田等多要素的环境感知体系,实现数据的动态采集、汇聚、存储、清洗和处理。其中,通过国土监测卫星、光谱成像卫星、全天候雷达卫星、地球同步轨道卫星传回的图片信息对大范围水资源情况进行宏观监测分析,弥补普通监测手段无法达到的效果,补布点密集度不够、地域辽阔不具备布点条件等就无法获取宏观信息的短板。系统化、全方位、多层次、实时动态反映目标流域生态环境状况,形成支撑流域管理决策的全时空动态多元大数据。

2.2 分布式智慧水务共享数据中心

基于Hadoop+分布式多模(关系、文档、键值)数据库的分布式计算与存储基础架构(如图2所示),为智慧水务大数据资源提供数据存储、分析计算以及深度数据挖掘分析处理的基础运行支撑环境和工具。建设统一的数据服务平台,实现异构多源、分散多样的各类数据的采集汇聚,提供批量采集和基于流处理的准实时采集能力;实现对汇聚到平台的数据进行集中治理、管控等,最终形成统一的标准数据及相关业务数据主题库;创建智慧水务数据资源全视图,分别为数据的供需方提供数据资产目录管理和数据服务目录管理等功能。搭建统一的智慧水务数据与服务集成平台,实现对内为各个业务子系统提供共享交换服务,对外与关联各单位的共享交换(如图3所示)。

图2 数据中心分布式计算与存储基础架构

图3 各单位数据信息化协同关系

2.3 一体化智慧水务决策分析平台

智慧水务决策分析平台主要包含水务主管部门关注的防汛抗旱、城市内涝、水环境监测、水量调度、河湖长管理、智能决策等应用功能(如图4所示)。

图4 智慧水务决策分析平台业务架构

水务平台接入径流预报模型通过建设水文气象监测,实时监测降水、水位,并通过流域水文气象预测预报;对城市内涝易发点的水位、视频等信息进行集中监控管理,及时掌握城市内涝区域水位、流量、视频等信息及内涝具体受灾情况,记录历史数据和现有的数据,分析未来的走势;系统可接入卫星云图、雷达拼图、水文遥感信息和水情信息等多种水文气象信息,综合展示出辖区内的水文气象,为城市防洪决策指挥调度提供辅助支撑。同时,平台可根据气象降水预报,结合流域DEM高程数据,可查看小流域范围的地表径流,站点的预报降水、土壤含水量、预报流量、洪水等级、实测水位等。

3 结语

现阶段的智慧水务更加关注智慧与水务相结合,利用新一代信息技术优化水资源可持续利用,构建一个在区域、流域、地方不同尺度上集水资源、农业生态发展与水环境需求为一体的水资源网络。本文通过“空天地一体”水务信息的感知、传输、处理、存储、管理、服务、应用等环节,可以实现防汛抗旱、城市内涝、水环境监测、水量调度、河湖长管理、智能决策等应用功能,助力智慧水务长效发展。