物聯(lián)網(wǎng)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)下智慧水利發(fā)展的研究*

李巖 程琳 楊豪杰 劉婧 王政博

1. 河北省高校水利自動化與信息化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心 河北 滄州 061001；2. 河北水利電力學(xué)院 河北 滄州 061001；3. 河北省南運(yùn)河河務(wù)中心 河北 滄州 061001；4. 河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì) 河北 滄州 061001；5. 河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心 河北 滄州 061001

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，我國水資源供需矛盾日益突出。我國地域廣闊，水系眾多，水利工程數(shù)量多、分布廣，經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展對水資源提出了更高的要求。2018年中央一號文件明確提出要實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程。水利部在2018年2月和2019年7月分別印發(fā)了《加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》和《智慧水利總體方案》，兩者都強(qiáng)調(diào)了水利現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。智慧水利則是水利現(xiàn)代化的重要發(fā)展階段。目前，對于智慧水利還缺乏較為系統(tǒng)的認(rèn)識，部分水利工程管理中設(shè)備人工巡查操作，數(shù)據(jù)人工統(tǒng)計(jì)上報(bào)，數(shù)據(jù)分析相對缺乏，水利設(shè)施的智慧化程度相對較低?，F(xiàn)有的智慧水利平臺也存在獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)不夠全面，數(shù)據(jù)傳輸問題突出，信息孤島存在，智能化不足等問題。因此厘清和明晰智慧水利建設(shè)內(nèi)涵，將物聯(lián)網(wǎng)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用到智慧水利的建設(shè)及發(fā)展，具有重要的意義。

1 智慧水利的概念及內(nèi)涵

智慧水利屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，是以傳統(tǒng)水利為基礎(chǔ)，融合了水利工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、通信技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是對水利行業(yè)進(jìn)行信息化發(fā)展的新階段。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等新技術(shù)在水利中的使用越來越多，極大地推動了水利信息化的發(fā)展。

智慧水利核心內(nèi)涵是傳統(tǒng)的水利對象對于信息化需求的不斷提升。傳統(tǒng)的水利對象，如河流、湖泊、水庫、水壩、水閘、泵站等，在運(yùn)行管理中都是以人工管理為主，水文數(shù)據(jù)也需要工作人員定時(shí)觀測，效率低，準(zhǔn)確度不高。將物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、5G、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用在水利領(lǐng)域[1]，在水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智慧化管理，智能化決策，透徹感知，全面互聯(lián)，以達(dá)到智慧水利各項(xiàng)功能。

智慧水利的特征是高效性、可持續(xù)性、智能化、安全性等。智慧水利通過強(qiáng)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)街腔鬯脚_進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，并使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對水利安全，水利資源，水利環(huán)境等領(lǐng)域的管理和決策提出建議[2]。

2 物聯(lián)網(wǎng)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越成熟，已在多行業(yè)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合使用了傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的遠(yuǎn)程監(jiān)測，遠(yuǎn)程控制。

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、控制層、通信層、中間層和交互層。其中，感知層在控制層控制下使用傳感器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的獲取?？刂茖訛楝F(xiàn)場測控設(shè)備的核心，由單片機(jī)、PLC等構(gòu)成[3]。通信層負(fù)責(zé)控制層與云端中間層的通信，根據(jù)使用場景不同，可以使用WIFI，5G，NB-IOT，LORA等通信方式，通信協(xié)議一般使用物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT和COAP。中間層一般部署在云端，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。交互層的主要作用是和用戶進(jìn)行交互，主要使用B/S結(jié)構(gòu)WEB界面或者手機(jī)App顯示現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)分層模型

2.2 深度學(xué)習(xí)技術(shù)

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）是機(jī)器學(xué)習(xí)的分支，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和深度置信網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等已被廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)視覺、語音識別、自然語言處理、音頻識別與生物信息學(xué)等領(lǐng)域并獲取了良好的效果。目前已經(jīng)形成了幾個(gè)主要的深度學(xué)習(xí)框架，如Google公司推出的Tensorflow，F(xiàn)acebook公司推出的PyTorch，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校推出的Caffe，百度公司推出的PaddlePaddle等框架集，這些開源框架集的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了深度學(xué)習(xí)使用。

3 智慧水利關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用

智慧水利建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是必不可少的一環(huán)。習(xí)近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先，空間均衡，系統(tǒng)治理，雙手發(fā)力”的治水思路。新時(shí)期智慧水利的發(fā)展，需要加強(qiáng)遠(yuǎn)程監(jiān)管，合理調(diào)度資源，及時(shí)存儲數(shù)據(jù)。智慧水利發(fā)展，涵蓋了數(shù)據(jù)的獲取，遠(yuǎn)程傳輸，遠(yuǎn)程顯示，遠(yuǎn)程存儲等內(nèi)容，這些功能的實(shí)現(xiàn)都需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行支撐。

目前，農(nóng)村水利，水政水資源，防汛抗旱，生態(tài)保護(hù)，水利工程管理幾個(gè)方面都是智慧水利建設(shè)中重點(diǎn)的服務(wù)領(lǐng)域。地下水取水雙控，農(nóng)村飲用水安全，水庫水情監(jiān)測，山區(qū)山洪監(jiān)測，水壩運(yùn)行情況監(jiān)測都是水利行業(yè)內(nèi)需要監(jiān)控的重點(diǎn)方向。需要長時(shí)間，不間斷的進(jìn)行監(jiān)測和記錄。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有力支撐這些領(lǐng)域內(nèi)的遠(yuǎn)程自動監(jiān)控[4]。根據(jù)環(huán)境不同，在網(wǎng)絡(luò)條件較好的地點(diǎn)，使用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在野外地區(qū)，使用低功耗的NB-IOT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在無基站地區(qū)，使用LORA或北斗報(bào)文技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以有效地進(jìn)行各站點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)無人監(jiān)控。

3.2 深度學(xué)習(xí)技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用

Alpha Go橫空出世，深度學(xué)習(xí)技術(shù)再一次得到了重視。目前，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在機(jī)器視覺，自然語言處理，數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域都取得了很多成果，改變了我們的生活。智慧水利中，深度學(xué)習(xí)目前主要應(yīng)用在水利工程運(yùn)行情況監(jiān)測，水利調(diào)度數(shù)據(jù)分析，智慧大腦建設(shè)等領(lǐng)域[5]。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，云端積累了大量的水利數(shù)據(jù)，利用智慧水利平臺積累的大量數(shù)據(jù)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以對水利工程運(yùn)行，水利環(huán)境安全性，水文變化趨勢進(jìn)行分析，并給出合理化建議。

使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行預(yù)測，需要使用積累的有效水利數(shù)據(jù)對選定的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)過訓(xùn)練集多次訓(xùn)練，得到參數(shù)穩(wěn)定的深度學(xué)習(xí)模型。將需要進(jìn)行預(yù)測的水利數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，可以得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

目前，已經(jīng)有使用深度學(xué)習(xí)YOLO模型對水利工程混凝土裂縫進(jìn)行監(jiān)測的相關(guān)研究，并取得一定進(jìn)展。YOLO模型是一個(gè)優(yōu)秀的目標(biāo)檢測模型，具有運(yùn)算量小，準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，目前還在不斷改進(jìn)中。有學(xué)者使用LSTM模型對水工建筑物的安全模型進(jìn)行優(yōu)化，LSTM模型具有預(yù)測長期時(shí)間序列的能力。

深度學(xué)習(xí)對于智慧水利具有重要作用，是智慧水利建設(shè)的重要一環(huán)。將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到智慧水利建設(shè)中，才能真正發(fā)揮智慧水利的重要性。

4 智慧水利未來發(fā)展方向

當(dāng)前，智慧水利還存在諸多不足，如感知不夠全面，部分環(huán)境通信困難，水利信息共享不夠充分，深度學(xué)習(xí)應(yīng)用不足等。為解決上述問題，智慧水利進(jìn)一步發(fā)展方向如下：①加強(qiáng)硬件設(shè)施建設(shè)。對于需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的目標(biāo)，需要進(jìn)一步增強(qiáng)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)，增加現(xiàn)地監(jiān)測設(shè)備布點(diǎn)，建立覆蓋全面的感知網(wǎng)絡(luò)體系。進(jìn)一步加強(qiáng)水利通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，保證水利感知數(shù)據(jù)在不同環(huán)境下可以通過不同通信方式高效傳輸。同時(shí)建立匹配的云計(jì)算存儲平臺，為數(shù)據(jù)的存儲和分析提供支持。②加強(qiáng)水利知識體系構(gòu)建。將人工智能特別是深度學(xué)習(xí)深入應(yīng)用到智慧水利建設(shè)中，利用水利行業(yè)的海量數(shù)據(jù)，獲得適合水利行業(yè)的深度學(xué)習(xí)模型，探尋水利事件發(fā)展的規(guī)律。③將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等新技術(shù)和水利業(yè)務(wù)深度融合，在水災(zāi)害預(yù)警、水利工程管理、水文預(yù)測等方面進(jìn)一步探索。④制定統(tǒng)一的水利物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。在水利信息采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)存儲制定規(guī)范。

5 結(jié)束語

通過對智慧水利概念的總結(jié)，物聯(lián)網(wǎng)及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的介紹，對智慧水利的發(fā)展進(jìn)行了深入討論：①物聯(lián)網(wǎng)中的感知和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在智慧水利中具有重要作用。在農(nóng)村水利，水政水資源，水文監(jiān)測，水災(zāi)害預(yù)警和水利工程監(jiān)測中都依賴物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的數(shù)據(jù)獲取，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲能力。②水利領(lǐng)域環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸中，在環(huán)境允許的條件下可以使用WIFI，5G方式傳輸。在大部分野外環(huán)境中，需要使用低功耗的NB-IoT，Lora，Zig Bee等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。③深度學(xué)習(xí)可以根據(jù)大量水利數(shù)據(jù)，訓(xùn)練出適合水利行業(yè)的模型，從而在水文數(shù)據(jù)預(yù)測，水災(zāi)害預(yù)警，水利工程運(yùn)行監(jiān)測，水利工程安全分析等方面進(jìn)行深入應(yīng)用。④制定水利標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)一步推動智慧水利的規(guī)范化發(fā)展。