水联网与水利信息化理论探讨及应用实践

倪建军，汤 敏，詹万林，朱金秀

（1. 河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022；2. 江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100；3. 盱眙县水土保持办公室，江苏 盱眙 211700）

水联网与水利信息化理论探讨及应用实践

倪建军1，2，汤 敏1，詹万林3，朱金秀1

（1. 河海大学物联网工程学院，江苏 常州 213022；2. 江苏省“世界水谷”与水生态文明协同创新中心，江苏 南京 211100；3. 盱眙县水土保持办公室，江苏 盱眙 211700）

根据水利信息化的发展历程，介绍水联网的定义和特点，并阐明水联网与水利信息化、智慧水利之间的关系，构建一套基于水联网模型的水利信息系统综合应用体系与框架，结合水联网在防汛决策、水资源管理中的具体应用，给出基于水联网的水利信息化系统的特点及未来的发展方向。

水联网；水利信息化；物联网；防汛决策；水资源管理

目前，大到三峡工程，小到一条小的沟渠，各种大大小小的水利工程遍布全国。这些水利工程大多实现了操作自动化，有些也进行了本地信息化改造，然而，很多水利站点之间、站点与水利管理部门之间没有实现互联互通，综合应用程度低，是一个个信息孤岛，特别是很多中小型水利工程，这个问题尤为严重和突出。作为我国五大新兴战略性产业之一的物联网，其在水利行业的具体应用产生了水联网。随着水联网技术的发展和应用推广，其在水利信息化建设中的作用也越来越受到关注［1］。因此，如何充分利用现代信息化技术和手段，建设完整的水联网体系，实现水利现代化，成为当前水利信息化建设最为迫切的任务［2］。

1　水联网的产生与发展

1.1物联网的概念及其应用

物联网（Internet of Things），指的是通过各种信息感知设备，把一切物体与互联网连接起来，进行信息交换与共享，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络体系或技术框架，通俗点讲就是物物相连［3-4］。

物联网是互联网的应用拓展，通信与网络技术只是物联网技术框架中的一个核心技术，因此，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。可以看出，物联网可以应用到几乎所有工业、军事和日常生活等领域，于是，出现了车联网和智能电网等，物联网在水利行业的应用，就是所谓的水联网。

1.2水联网的概念及作用

水联网是在物联网的基础上提出的，从物联网的应用角度看，水联网是水利信息化发展的新阶段，有学者将其称为水利行业 4.0［5］，因此，将水联网理解为物联网在涉水行业的具体应用是比较合适的。

水利作为国民经济的基础设施，信息化则是水利现代化的基础［6-7］。早期，水利信息化建设内容主要是指以信息自动采集、设备自动化控制为特征的最基础的水利自动化系统［8］；后来，发展到以网络互连、信息系统集成、水利信息综合展示为特征的水利网络信息系统；最近这几年，水利信息化系统建设则围绕以物联网、大数据、云计算、智能决策等为主要特征的智慧水利系统展开［9］。通过上述分析可以发现，水联网的最终目的就是为了实现真正的智慧水利。

利用水联网技术，可以进一步提高水利信息化能力、提升水利数字化程度，更好地服务于流域城乡供水、水生态环境保护与修复、防汛抗旱减灾及水资源管理，并且把传统水利向现代化、智能化推进，以便更好更快地发展。

2　水联网技术实践

针对水利信息化系统的特点，利用物联网的相关理论，本文构建了一套基于水联网模型的综合应用体系与框架。该框架结合物联网的体系架构，将信息系统分为 4 层：1）感知层。包括传感器网络和智能化终端设备等。2）网络层。也叫传输层，包括移动网络和互联网等。3）平台层。包括统一的协议管理平台、智能化数据交换平台和面向服务的总线式应用服务平台。4）应用层。在最上层，主要是基于 CS，BS 架构的应用，包括图像与数据综合展示、移动信息集成应用等。

2.1基于智能设备的前端数据采集终端

基于智能设备的前端数据采集终端主要是指基于 Android 及 IOS 平台的智能化设备及基于嵌入式软件的智能仪表等，通过开发可视化交互终端，可以实现水务执法、站点巡检和智能查询等功能。

2.2统一协议管理平台

开发统一协议管理平台，可以统一规划和管理业务系统交换协议，可以维护不同时期、不同版本的交换协议与公共代码，另外平台动态生成交换数据，通过构造解析中间件，能够为大系统集成提供数据级的一致性保障。

2.3智能化数据交换平台

智能化数据交换平台适用于多个子系统实时数据交换的需求，同时支持在线与离线多种工作方式。该平台交换方案可配置、可管理，支持交换过程多目标实时监控与日志访问，并且可以实现基于TCP/IP 数据流、FTP、文件共享、共享 DB 等多种形式的数据交换。

2.4面向服务的总线式应用服务平台

面向服务的总线式应用服务平台可以提供基于HTTP 协议的跨平台远程服务，提供数据库、资源文件和在线数据的统一编码服务。平台可以实现多系统并行工作，运行过程实时监控，同时可以实现服务与应用分离，使得应用模块简单化。一个平台可以同时采集多路数据源，为多个应用系统提供融合后的数据与服务，并且支持多种专业化服务的平台化挂接。面向水利信息化系统的统一应用服务平台基本结构如图 1 所示。

图1　面向服务的总线式应用服务平台

3　水联网应用案例

3.1基于水联网的城市防汛信息集成平台

以2013年开发的某市防汛信息集成平台为例进行介绍。该防汛信息集成平台的核心功能是对城市所辖范围内所有泵、闸站的机组运行与现场工况进行综合监控，为城市水利信息化一级平台提供支撑数据。

为实现系统功能目标，该平台在实现层面上分为基础数据采集与控制、业务管理、预警决策应用等 3 个层次。系统整体设计理念：以水利业务为基础、以提高管理效率为目的、以计算机和物联网技术为手段，利用水利专网和 4G 无线网络，结合云计算、GIS 和视频监控等领域的先进技术，对地下水、地表水和地上水进行立体化管理，构建“一张图、一个数据中心、两个平台”，即水利电子地图、水利数据中心、采集控制和业务管理平台，形成一体化水利信息化综合平台，实现城市的“智能水利”。系统的主要界面如图 2 所示。

3.2基于水联网的灌渠安全运行信息系统

介绍水联网在灌渠信息系统中的应用情况。系统建设前，该灌渠在通信、水位测量和管理上都存在一些问题。通信上，处于电话通信阶段；水位测量处于水位遥测阶段；管理上，管理处历年灌溉调度等相关资料主要以纸制形式保存，查询不便且历史资料难以利用，业务部门手工操作，易出错且工作量大，灌溉管理纯人工，预警机制不建全。

图2　基于水联网的防洪信息集成平台主要界面

利用水联网相关技术，建设和开发了一套渠道安全运行信息系统，主要功能包括：水情跟踪、动态配水、防洪预警、灌渠档案、工程、水务政务等。另外还建立了工程、水情、政务、灌溉和雨晴等数据库，实现了管理和控制一体化，提高了渠道运行的安全性和效率。

4　发展方向

水联网的发展方向同物联网和水利信息化的发展方向保持一致。其发展方向主要分以下 3 个方面：1）技术层面；2）服务层面；3）商业模式和政策层面。

水物联网核心技术的研究要着力突破水联网核心芯片、软件、仪器仪表等基础共性技术，加快水利传感器网络、智能终端、大数据处理、智能分析、服务集成等关键技术研发。在技术层面水联网主要的发展方向包括：基于物联网的智能感知、基于高带宽的无线通信、基于分布式计算的云计算、智能数据集成与分析、智能控制与决策支持等技术。

在水信息服务层面，其发展趋势是逐渐从目前侧重水信息采集、处理和集成转向水信息挖掘、分析和应用。在规范组织水信息基础上，通过决策算法和仿真技术，不断挖掘和分析水信息潜在价值，为水问题决策提供科学支持。

在商业模式层面，目前理论和实践都还不成熟，未形成完善的体系。 因此，急需拓展思维，从发展服务经济的战略高度出发，整合水业价值链，实现水利现代化。通过引进技术、消化吸收和再创新 3 个方面融合，形成水联网产业群，在现代市场机制下探索水联网商业模式的创新，全面提升物联网典型应用与示范带动作用。

5　结语

随着物联网在水利方面的快速发展及深入展开，水联网在水利工程防洪减灾、水资源管理、水生态建设等方面的作用将更加突出。随着对水联网研究的不断深入，不仅要正视其发展和应用中出现的问题，更要致力于理论及应用方面的关键技术研究，为水联网在智慧水利中的推广应用做出更大贡献。

［1］ 吴建刚，房福龙，许建平，等. 物联网在水利枢纽工程中应用的探讨［J］. 水利信息化，2011 （4）: 38-40，55.

［2］ 王忠静，王光谦，王建华，等. 基于水联网及智慧水利提高水资源效能［J］. 水利水电技术，2013，44 （1）: 1-6.

［3］ 温小莉，柏屏. 浅谈物联网技术及其在水利上的应用［J］.江苏水利， 2011 （9）: 16-19.

［4］ 芮晓玲，吴一凡. 基于物联网技术的智慧水利系统［J］. 计算机系统应用，2011，21 （6）: 161-163，156.

［5］ 左其亭. 中国水利发展阶段及未来“水利 4.0”战略构想［J］. 水电能源科学，2015，33 （4）: 1-5.

［6］ 盖永伟，刘恒，耿雷华，等. 中国特色水利现代化内涵与特征浅析［J］. 中国水利，2015 （8）: 6-9，21.

［7］ 黄凤岗. 基于物联网的智慧水利工程信息管理系统［J］. 中国水能及电气化，2013 （7）: 47-50.

［8］ 丁强，王绍勤. 水利信息化之水利自动化发展趋势探讨［J］. 水利信息化，2013 （6）: 9-11.

［9］ 柳林，刘恒伟，王哲. 云计算在水利信息化建设中的应用探讨［J］. 海河水利，2012 （4）: 52-56.

Theoretical Discussion and Application Practice on Internet of Water and Water Resources Informatization

NI Jianjun1，2， TANG Min1， ZHAN Wanlin3， ZHU Jinxiu1
（1. College of IOT Engineering， Hohai University， Changzhou 213022， China；2. Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of World Water Valley and Water Ecological Civilization，
Nanjing 211100， China；3. Water and Soil Conservation Office of Xuyi County， Xuyi 211700， China）

According to the development process of water resources informatization， the article introduces definition and characteristics of internet of water， and illustrates the relationship among internet of water， water resources informatization and smart water constructs a set of comprehensive application system of water resources information system and framework which is based on the model of internet of water. In addition， using some concrete applications about internet of water in flood control decision and water resource management， it presents the characteristics and the future directions of water resources informatization system based on internet of water.

internet of water； water resources informatization； internet of things； flood control decision； water resources management

TV39；TP393

A

1674-9405（2016）04-0032-04

10.19364/j.1674-9405.2016.04.007

2015-11-15

江苏省水利科技项目（2015077）

倪建军（1978-）， 男，教授，主要研究领域：智慧水利、自动控制等。