淺談“智慧水利”

鄭燦堂，王慶華 ，張洪芳

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；2.銀泉科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.濱州市海河管理局，山東 濱州 256600）

“智慧水利”是當(dāng)前國內(nèi)水利系統(tǒng)的熱門話題，“智慧水利”研究和建設(shè)方興未艾。筆者根據(jù)自己對“智慧水利”的認(rèn)識和研究，談一點(diǎn)膚淺體會，以期與有志于此者商榷。

1 “智慧水利”產(chǎn)生的背景

伴隨著全球信息化浪潮，“智慧水利”這一詞匯也漸入人們的視野?！爸腔鬯笔恰爸腔鄣厍颉薄ⅰ爸腔壑袊?、“智慧城市”理念的行業(yè)延伸。

“智慧地球”（Smarter Planet）這一理念，是 2008年11月6日，美國IBM公司董事長兼CEO彭明盛（Palmisano）在紐約召開的對外關(guān)系理事會上發(fā)表題為《“智慧地球”：下一代領(lǐng)導(dǎo)人議程》的講話中，首次正式提出來的?！爸腔鄣厍颉币卜Q為“智能地球”，就是把感應(yīng)器嵌入或裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”。然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合（百科名片）。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)中，存在能力強(qiáng)大的中心計算機(jī)集群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。

目前，全國已有28個省、市將物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。若干一級城市已經(jīng)提出了建設(shè)“智慧城市”的詳細(xì)規(guī)劃，80%以上的二級城市也明確提出了類似的發(fā)展目標(biāo)。

為了應(yīng)對全球氣候變化和人類劇烈活動導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水體污染、水土流失等復(fù)雜的水務(wù)問題,推動水利信息化水平向更高層次發(fā)展，我國水利工作者借鑒“智慧地球”的理念提出了“智慧水利”這一概念。

2 “智慧水利”在我國的發(fā)展概況

近年來，中國水利水電科學(xué)研究院以及江蘇、浙江、福建、山東等地也紛紛上馬“智慧水利”項目。2010年初，江蘇省即借力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開始打造“智慧水利”系統(tǒng)。上海市“十二五”規(guī)劃中明確提出要建設(shè)“智慧水網(wǎng)”，現(xiàn)已取得了長足進(jìn)展。山東省水利科學(xué)研究院與銀泉科技有限公司雙方共同研發(fā)的 《基于云計算架構(gòu)的智慧水利》行業(yè)解決方案，榮獲美國IBM公司系統(tǒng)與科技事業(yè)部大中華區(qū)2011年度“最佳行業(yè)方案獎”。雙方共同研發(fā)的《基于云計算架構(gòu)的萊蕪市水利信息綜合管理與決策支持系統(tǒng)》已安裝就位，開始試運(yùn)行。雙方共同編撰的《山東省肥城市智慧水網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)實(shí)施方案》已完成待批。

3 “智慧水利”的定義

由于“智慧水利”是近幾年出現(xiàn)的新概念，迄今尚無一個得到大家公認(rèn)的定義，而且對于“智慧”一詞比較權(quán)威的定義也不盡相同。例如，《新華字典》對“智慧”一詞的定義是迅速、靈活、正確地理解事物和解決問題的能力。百度百科對“智慧”一詞的定義是由智力體系、知識體系、方法與技能體系、非智力體系、觀念與思想體系、審美與評價體系等，多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。維基百科對“智慧”一詞的定義是高等生物所具有的基于神經(jīng)器官（物質(zhì)基礎(chǔ)）一種高級的綜合能力，包含有：感知、知識、記憶、理解、聯(lián)想、情感、邏輯、辨別、計算、分析、判斷、文化、中庸、包容、決定等多種能力。

百度百科對“水利”的定義是：對自然界的水進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、治導(dǎo)、開發(fā)、管理和保護(hù)，以防治水旱災(zāi)害，并開發(fā)利用水資源的各項事業(yè)和活動。

歸納上述定義，“智慧水利”可以理解為是基于物質(zhì)基礎(chǔ)的、由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的、能夠迅速正確地感知、記憶、理解、計算、分析、判斷、解決各種水利問題的高級綜合能力。

參照上述內(nèi)容，借鑒“智慧地球”的理念，可以從技術(shù)角度將“智慧水利”定義為：“智慧水利”是以水利設(shè)施設(shè)備和設(shè)置在其上的傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以及海量存儲器、多媒體設(shè)備、計算機(jī)集群等實(shí)體信息設(shè)備為基礎(chǔ)，以水利專網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)等現(xiàn)代通信設(shè)施和技術(shù)為紐帶,運(yùn)用遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)景增強(qiáng)、仿真模擬、智能分析，以及云計算等技術(shù)建立起來的客觀感知、實(shí)時采集、安全傳輸、海量存儲、信息集成、分析處理、科學(xué)決策、及時反饋、智能控制、信息共享的水利網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)環(huán)境。其中，水利設(shè)施設(shè)備可包括水庫大壩、江河堤防、涵閘泵站、井窖池塘、溝渠管線、工具車輛等，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可包括林林總總的傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻標(biāo)簽、感知芯片、監(jiān)控探頭、衛(wèi)星定位、手機(jī)、掌上電腦、個人電腦等信息終端。

4 “智慧水利”的愿景

隨著無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、普適計算、情景感知、實(shí)景增強(qiáng)等高新技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，世界萬物在貼上射頻標(biāo)簽或嵌入感知芯片后都變成了可以感知和自治的“智慧生物”。不管你是在家、在辦公室，還是在工程現(xiàn)場，都可以手持掌上電腦（PDA）“感、視、令”各種“智慧生物”。如檢測水庫大壩，當(dāng)把PDA朝向壩體時，會看到壩內(nèi)滲壓傳感器當(dāng)前的壓力和安全范圍、測縫傳感器的縫隙量和預(yù)警范圍。

測量土壤墑情時，將PDA對準(zhǔn)麥田里的智慧傳感器，馬上會知道土壤水分含量、光照強(qiáng)度、麥子生長狀況；當(dāng)你想啟動機(jī)井水泵、打開分水閘門時，輕觸PDA中“智慧生物”的觸覺，它就為你啟泵、開閘。

當(dāng)然，上述命令也可不必你親自在PDA上下達(dá)：當(dāng)“墑情智能生物”感到干渴時，它自己會通過物聯(lián)感知網(wǎng)告訴“水泵智能生物”開泵抽水；當(dāng)“墑情智能生物”喝飽后它又告訴“水泵智能生物”關(guān)機(jī)。現(xiàn)實(shí)中的你只需要通過PDA告訴“墑情智能生物”水分缺到什么程度時才需要發(fā)出喝水的請求，告訴智能雨量感應(yīng)器“感雨智能生物”多久沒有降雨就發(fā)出報警，告訴“水泵智能生物”在接到“墑情智能生物”、“感雨智能生物”、“作物感知智能生物’、數(shù)據(jù)中心氣象預(yù)報未來雨情等閾值時請自動抽水灌溉。

你也可以預(yù)先通過PDA告訴這些“智能生物”在感覺“不舒服”的時候告訴“我”，這樣，你就可以在家、辦公室或其他任何地方感知它們的 “身體和工作”狀況了，甚至還可以給它們“安慰和治療”。

無所不在、無所不感、無所不治。麥子告訴渠道要喝水、渠道告訴水閘要輸水，水閘聽到互聯(lián)網(wǎng)天氣預(yù)報說今明兩天大雨概率60%，它拿不定主意開不開閘放水，它又呼叫他的主人“水管PDA”給它做主，主人在PDA上發(fā)出先給最渴的麥田喝水，明天如果收到“感雨智能生物”雨量超過20 mm的報告就關(guān)閉閘門，如果小于20 mm就繼續(xù)開閘。這就是泛在網(wǎng)，這就是智慧感知。人和貼上射頻標(biāo)簽或嵌入感知芯片的物體都是“生物”，每時每刻、天涯海角的這些“生物”都在相互溝通，而你和我是智慧“生物”的“智慧思維程序”的開發(fā)者、輸入者，是他們的主人。泛在的“智慧水利”就是人們想要的現(xiàn)代信息設(shè)備和技術(shù)與水利實(shí)體設(shè)施設(shè)備深度融合的模式。

5 “智慧水利”技術(shù)框架

“智慧水利”是架構(gòu)在實(shí)體水利設(shè)施之上、現(xiàn)代信息設(shè)備和技術(shù)支撐下、以區(qū)域（省、市、縣）或流域云服務(wù)平臺為核心、以水利各專業(yè)應(yīng)用與決策支持為目標(biāo)的高度智能化的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由信息采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層、信息處理層和應(yīng)用服務(wù)層構(gòu)成（見P64頁附圖）。

5.1 信息采集層

該層是“智慧水利”的基礎(chǔ)。它包括傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻標(biāo)簽、感知芯片、監(jiān)控探頭、衛(wèi)星定位、手機(jī)、掌上電腦、個人電腦等信息終端，構(gòu)成智能型分布式自動監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，用來監(jiān)測監(jiān)控水庫大壩、江河堤防，涵閘泵站、井窖池塘，溝渠管線、工具車輛等實(shí)體水利設(shè)施，實(shí)時采集諸如水位、水質(zhì)、流速、流量、閘門開度、供水壓力以及水情、雨情、墑情、工情、災(zāi)情等數(shù)據(jù)信息。該層需要突出的重點(diǎn)是泛在互聯(lián)、人物相聯(lián)、物物相聯(lián)、智慧推送、成本低廉、易于維護(hù)。

5.2 通信網(wǎng)絡(luò)層

該層是信息的傳輸通道。它包括水利專網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)、因特網(wǎng)、電信運(yùn)營商的2G-3G-4G移動通信網(wǎng)和 WiMax、Zigbee、WLAN 等無線網(wǎng)。

5.3 信息處理層

該層是信息匯集、存儲、計算、分析、決策、反饋、處置的樞紐，是“智慧水利”的核心，相當(dāng)于人的大腦。信息處理層實(shí)際上是基于云計算架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心，或稱之為“云平臺”。

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的、大眾參與的計算模式，其計算資源（計算能力、存儲能力、交互能力等）是動態(tài)、可伸縮且被虛擬化的，以服務(wù)的方式提供。這種新型的計算資源組織、分配和使用模式，有利于合理配置計算資源并提高其利用率，促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色計算。云計算平臺是云計算中心的內(nèi)部支撐，處于云計算體系核心。對內(nèi)將不同的計算資源和服務(wù)統(tǒng)一管理，隱藏了復(fù)雜的軟硬件配置、擴(kuò)展、升級，以及故障修復(fù)等，使用戶無需面對系統(tǒng)軟件、中間件和應(yīng)用軟件，而直接轉(zhuǎn)向定制服務(wù)功能。對外提供了通用的、集成的、便捷的使用所有計算資源的手段和人機(jī)交互接口，讓用戶通過無所不在的網(wǎng)絡(luò)方便高效地獲取服務(wù)和進(jìn)行信息處理；同時，他還可以根據(jù)需求的變化，自動地對計算資源進(jìn)行分配和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)高度“彈性”的縮放和優(yōu)化使用。實(shí)際上，云計算平臺實(shí)現(xiàn)了計算資源在組織和管理模式上的規(guī)?；?、集約化和專業(yè)化。

大量傳感器感知的海量數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)皆朴嬎闫脚_的云存儲，云存儲會按照國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，按照類別將所有數(shù)據(jù)有序地存儲在云計算數(shù)據(jù)中心，部署在云計算平臺的防汛抗旱指揮、水利行政資源管理、水資源管理決策、水質(zhì)監(jiān)測與評價、水土保持監(jiān)測與管理、水利工程建設(shè)與管理、農(nóng)村水利建設(shè)與管理、水利規(guī)劃設(shè)計管理、水利工程移民管理、水利專業(yè)數(shù)字圖書館、水利信息公眾服務(wù)等軟件系統(tǒng)，隨時按照用戶要求處理這些海量數(shù)據(jù)。

5.4 應(yīng)用服務(wù)層

該層相當(dāng)于人的思維和行動。應(yīng)用服務(wù)層可以分為兩個方面：一方面是自動響應(yīng)，可以事先做好各種數(shù)學(xué)模型，對各種事務(wù)做好各種預(yù)案，一旦某種條件符合，系統(tǒng)會自動響應(yīng)，向云計算平臺發(fā)出請求，云計算平臺會自動分析處理這些請求。比如蔬菜大棚的某種蔬菜，通過傳感器感知光照不足，向云計算平臺發(fā)出請求，云計算平臺的相應(yīng)軟件系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，向該大棚的相關(guān)設(shè)備發(fā)出指令，在晚上光照不足時自動開啟相關(guān)燈光補(bǔ)充照明；溫度過高時會及時開啟相關(guān)通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)或通過噴淋設(shè)備噴水降溫。另一方面是隨時按照用戶的請求，分析處理各種信息數(shù)據(jù)，為領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)人員提供決策依據(jù)。比如汛期，連續(xù)的陰雨天氣已經(jīng)使得某水庫水位處于臨界狀態(tài)，對水庫泄洪量的把握怎樣決策，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前水庫上游各個雨量檢測點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前水庫水位狀況，再根據(jù)天氣預(yù)報情況，為決策者提供水庫泄洪量的參考數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)案和泄量，系統(tǒng)也會自動設(shè)定閘門開度，開閘泄洪。泄出的洪水對下游的影響會以三維地圖的形式展現(xiàn)在決策者面前。

6 結(jié)語

水利行業(yè)是一個信息密集的行業(yè)，無論是水利工程建設(shè)還是水資源管理，都離不開建立在對相關(guān)信息進(jìn)行大量采集、分析處理基礎(chǔ)之上的科學(xué)決策。無論是防洪、排澇、蓄水、抗旱等方面的水利工作，還是供水、排水、污水處理、中水回用等各個環(huán)節(jié)的水利工作，都需要緊密聯(lián)系，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一調(diào)度、合理配置；將區(qū)域（省、市、縣）或流域范圍內(nèi)的地表水與地下水、城市水與農(nóng)村水、水量與水質(zhì)、水體與環(huán)境統(tǒng)籌考慮，綜合管理，這就需要通過先進(jìn)的信息技術(shù)對水資源的開發(fā)、利用、管理與保護(hù)的方方面面、時時刻刻產(chǎn)生的信息進(jìn)行采集，通過傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等傳送到數(shù)據(jù)中心，通過仿真模擬等技術(shù)對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，科學(xué)決策，給相應(yīng)對象以及時反饋，智能監(jiān)控。相關(guān)信息和處置結(jié)果同時共享給政府、有關(guān)單位或社會公眾。因此，深化“智慧水利”研究，加快“智慧水利”建設(shè)，是十分必要的。

［1］蔣云鐘，冶運(yùn)濤，王浩.智慧流域及其應(yīng)用前景.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2011（6）.

［2］陳陽宇.數(shù)字水利.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］劉慶濤，崔瑞玲，耿丁蕤.水利信息云建設(shè)初探.水利信息化，2012（2）.

［4］李德毅，林潤華，李兵.2012云計算技術(shù)發(fā)展報告.北京：科學(xué)出版社，2012.