物聯(lián)網(wǎng)在智慧水利領(lǐng)域的應(yīng)用

宋倍 朱子建 張昴

摘要 “智慧水利”這一新興概念，是由物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)相碰撞而產(chǎn)生的。 “智慧水利”雖已在流域信息感知、數(shù)據(jù)智能處理、業(yè)務(wù)智能分析決策等方面獲得了一定成果，但與物聯(lián)網(wǎng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究相比，尚處于起步階段。本文對物聯(lián)網(wǎng)在“智慧水利”的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，分析并提出了若干尚待解決的關(guān)鍵問題。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng) 智慧水利

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，為水利信息化建設(shè)注入了新的活力。具有“感知化、互聯(lián)化和智能化”特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)及其廣泛應(yīng)用，極大地提升了各行業(yè)信息化服務(wù)的規(guī)范性、高效性和易用性，使水利信息化發(fā)展進(jìn)入了新的階段。

1 物聯(lián)網(wǎng)與智慧水利

物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，通過在交通、物流、電力、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、城市管理等領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，形成了眾多理論成果，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。

受物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的啟發(fā)，結(jié)合水資源供需與配送具有物流的典型特征的特點(diǎn)，王光謙等提出了智慧水利的概念。智慧水利也被稱為智慧水網(wǎng)、水聯(lián)網(wǎng)等。但是，水流又不同于物流，傳統(tǒng)上對水流“場”和“質(zhì)”的雙重描述使水聯(lián)網(wǎng)在研究和應(yīng)用上，與物聯(lián)網(wǎng)相比面臨著更復(fù)雜和特殊的困難。智慧水利基于物聯(lián)網(wǎng)思想，實(shí)現(xiàn)對整個水循環(huán)過程進(jìn)行實(shí)時感知、過程跟蹤和動態(tài)模擬，對市場水網(wǎng)和物理水網(wǎng)進(jìn)行信息融合和數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和智能監(jiān)管，從而提升水資源效能。

水資源短缺、水環(huán)境污染等問題日益突出，極端天氣導(dǎo)致的洪旱災(zāi)害等對社會民生產(chǎn)生極大影響，傳統(tǒng)水利行業(yè)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，為智能化解決水利問題提供了有效措施。

2 智慧水利研究進(jìn)展

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在智慧水利領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，主要集中在實(shí)時感知、水信互聯(lián)、過程跟蹤、智能處理等方面。利用物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取和環(huán)境感知技術(shù)，研究和提升各類水信息監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)獲取的時效性和準(zhǔn)確性;借鑒物聯(lián)網(wǎng)在智能識別、跟蹤定位和監(jiān)控管理等方面的成果，對流域水資源調(diào)配過程、水環(huán)境變化過程、水文要素演變過程及其他水利要素的運(yùn)動過程進(jìn)行全方位跟蹤監(jiān)控，從時間和空間上實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理;利用物聯(lián)網(wǎng)在動態(tài)、開放和不可控的環(huán)境下從流域各業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取和處理數(shù)據(jù)的能力，完成流域水信息共享;利用物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)智能控制、領(lǐng)域知識處理及大數(shù)據(jù)分析等方面的研究成果，提升水利業(yè)務(wù)處理效率和準(zhǔn)確性，逐步實(shí)現(xiàn)智慧水利。

2.1 水利信息全面感知

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取更全面、更完整的信息，使智慧水利的智能傳感系統(tǒng)覆蓋自然和社會水循環(huán)的全過程。

在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，通過利用大量隨機(jī)分布的無線傳感器，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜水域，尤其是很少或者沒有布設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)，進(jìn)行水環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)解決數(shù)據(jù)處理、通信傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等問題;在水下傳感器通信組網(wǎng)方面，通過研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵協(xié)議、信息處理技術(shù)，解決水下信道低帶寬、高延遲和可靠性低等問題;在土壤墑情監(jiān)測和智能灌溉方面，利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低功耗、高穩(wěn)定性的持續(xù)監(jiān)測。

利用物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時全面感知技術(shù)和多載體自動組網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)單元的互聯(lián)技術(shù)，提高流域信息實(shí)時全面感知能力。

2.2 水利數(shù)據(jù)智能處理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析、集成和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水信息異構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于傳感器及監(jiān)測指標(biāo)的多樣性，采集數(shù)據(jù)具有不同的名稱、格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不便于直接存儲或處理，監(jiān)測站和監(jiān)控中心之間存在著多種類型的海量信息傳輸，對數(shù)據(jù)實(shí)時處理有嚴(yán)格要求。研究海量數(shù)據(jù)的高效壓縮、分布式數(shù)據(jù)存儲、混合多層次索引技術(shù)以及構(gòu)建智能搜索引擎，以提高數(shù)據(jù)庫存儲效率、減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量、實(shí)現(xiàn)快速搜索。

在水利數(shù)據(jù)資源整合方面，利用面向?qū)ο蟾拍罱⑺麛?shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)對水利對象的唯一描述，解決領(lǐng)域數(shù)據(jù)“一數(shù)多源”問題，保證信息廣泛共享。在領(lǐng)域知識發(fā)現(xiàn)處理方面，利用在線數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析，建立知識發(fā)現(xiàn)模型，從各類涉水?dāng)?shù)據(jù)或相關(guān)領(lǐng)域數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)自然和社會水循環(huán)規(guī)則。整合現(xiàn)有孤立數(shù)據(jù)，深入挖掘新收集數(shù)據(jù)，為科學(xué)決策和及時反應(yīng)提供有效支持。

2.3 水利業(yè)務(wù)智能分析決策

隨著全球氣候變化，極端天氣頻發(fā)，基于歷史資料的傳統(tǒng)預(yù)報模型準(zhǔn)確率受到很大影響，極大影響了業(yè)務(wù)決策的準(zhǔn)確性。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高數(shù)據(jù)感知能力，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、領(lǐng)域知識庫和智能分析，有效提高預(yù)測精度、延長預(yù)測期、提高決策分析準(zhǔn)確度。

基于加強(qiáng)感知的物理水網(wǎng)和市場水網(wǎng)的各類水信息，以及氣象、遙感、社會經(jīng)濟(jì)情況等相關(guān)數(shù)據(jù)資源，通過大數(shù)據(jù)挖掘分析發(fā)現(xiàn)規(guī)則，建立領(lǐng)域知識庫。利用云計算的高效率、高可靠性、低成本的計算服務(wù)能力，以及廣泛獲取的實(shí)時信息和歷史資料，集成模擬水循環(huán)各環(huán)節(jié)過程，增加自然水循環(huán)相關(guān)預(yù)報以及社會經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)需水預(yù)報的預(yù)見期、提高預(yù)報的準(zhǔn)確性。

物聯(lián)網(wǎng)與智慧水利結(jié)合產(chǎn)生的眾多科研成果和技術(shù)創(chuàng)新，很大程度上改變了傳統(tǒng)水利行業(yè)模式，水利業(yè)務(wù)智能決策能力逐漸提升。

3 智慧水利研究應(yīng)用展望

智慧水利的研究應(yīng)用正全面鋪開，但相比智慧城市、智慧電力、智慧交通、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域還有很大差距，還處在起步階段。完善智慧水利的理論和方法，拓展智慧水利應(yīng)用體系，逐步形成完整的智慧水利理論，還有很多方向需要探索。

（1）建立智慧水利地理空間框架，將空間信息和業(yè)務(wù)應(yīng)用統(tǒng)一建模，把標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、建設(shè)分散的水利地理空間信息資源進(jìn)行整合，使空間信息資源在智慧水利各業(yè)務(wù)中達(dá)到最大效果的共享共用。

（2）建立水利要素身份特征標(biāo)識體系，對每一個水利要素編碼，提升傳感器多載體自動組網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)單元的互聯(lián)技術(shù)，研究傳感器的數(shù)據(jù)自過濾和自動提取模式，尤其是利用各類智能識別技術(shù)對水流流場進(jìn)行識別，建立水聯(lián)網(wǎng)體系。

（3）對傳統(tǒng)水利信息化框架進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能互操作、數(shù)據(jù)全面共享、網(wǎng)絡(luò)泛在、智能感知，尤其是要實(shí)現(xiàn)解釋、分析、挖掘水利領(lǐng)域知識，研究利用知識驅(qū)動整個智慧水利框架運(yùn)轉(zhuǎn)的智慧引擎，從根本上實(shí)現(xiàn)水利行業(yè)的智慧化。

參考文獻(xiàn)

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