新时期智慧水利内涵及框架体系研究

王志东 魏至胜 孙赟恽 杨 帆

（北京电信规划设计院有限公司，北京 100048）

智慧水利是智慧社会的重要组成部分，也是水利信息化发展的新阶段。智慧水利作为一项复杂的系统性工程，具有管理层级多、业务范围广、技术要求高等特点，智慧水利建设需在统一的总体框架体系下分阶段、分目标、分层次循序推进，必须加强智慧水利内涵与框架体系的研究。

1 我国水利发展阶段

“工程水利”阶段（1949—1999年）以水工程建设、大规模开发利用水资源为目标和指导思想开展水利工作。

“资源水利”阶段（2000—2012年）重视水资源的合理利用，促进人水和谐发展。

“生态水利”阶段（2013—2020年）以生态保护、建设生态文明为目标开展水利工作。水利工作以节水、水生态保护、水文化建设为重点发力方向，开始进行智慧水利的研究、技术准备工作[1]。

“智慧水利”阶段（2021—2050年）以丰富的水利经验为基础，充分利用新一代信息技术使传统水利向智慧水利转型。智慧水利的发展受信息化战略和新时代水利发展改革要求的驱动，云计算、大数据、物联网、移动互联网以及人工智能等为代表的新技术成为水利行业创新驱动发展的先导力量，智慧水利是新时期水利发展的重要方向。

智慧水利在前期已积累的水利建设和治水经验的基础上，结合智慧水利研究成果，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建具有预报、预警、预演、预案[2]功能的智慧水利体系。

2 智慧水利内涵与特征

2.1 智慧水利内涵

智慧水利综合利用各种信息技术，达到能够自动即时地探测、记录、存储水及其存在环境、物理大气水文过程及其他水利工程的元素指标数据，通过智能化手段对数据进行整理、分析，根据分析结果做出最佳决策，发出对应的指令，支撑操作者和设备做出有效的反应，达到有效解决水利中存在的各类问题、提升对水资源的利用率及防范抵御水旱灾害能力的目的。智慧水利的内涵为利用新一代信息技术，对水利对象、水利活动进行透彻感知、全面互联、深度挖掘从而支撑水利智慧应用[3]。

2.2 智慧水利特征

智慧水利为新一代信息技术在水利行业的高度集成应用，具备透彻感知、全面互联、深度挖掘、智慧应用等特征。

透彻感知通过水利感知网实现，水利感知网依托前端感知设备对涉水对象及其环境信息进行感知和接收，是水利大脑的“感知系统末梢”，为水利大脑获取信息提供信息获取的渠道。

全面互联基于水利信息网实现，是智慧水利的“神经网络系统”，构建水利大脑与“感知系统末梢”的连接。

深度挖掘通过水利大脑实现，水利大脑由水利云、水利数据资源池以及使能支撑平台构成，为水利大脑的思考和记忆提供物质基础。

智慧应用依托水利业务的智慧应用体系实现，智慧化应用是水利大脑的“功能表现层”，智慧应用涵盖水利具体业务，如水资源、水灾害、水工程、水生态、水监督、水行政以及水公共服务等，是水利大脑的智慧能力在具体业务领域发挥作用的交互窗口。

3 智慧水利总体框架体系研究

智慧水利总体框架体系以水利感知网和水利信息网为基础，以“一云一池两平台”构成的水利大脑为核心，以智慧应用为标志，以网络安全体系和综合保障体系为保障。

智慧水利总体框架体系逻辑如图1所示。

图1 智慧水利总体框架体系逻辑

从水利业务的视角分析，智慧水利建设充分运用信息技术，建立全要素真实感知的物理水利，构建多维、多时空、高保真的各类水利模型，强化物理水利与数字水利之间全要素、动态、实时、畅通交互和深度融合，推进数字水利与物理水利的实时同步仿真运行，实现洪水、干旱、江河湖泊、水土流失、水利工程建设、水利工程运行、水资源开发利用、城乡供水、节水等上层业务的“预报、预警、预演、预案”功能。

从信息技术的视角分析，智慧水利建设主要通过水利感知网采集感知江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动以及其他信息，经过水利信息网汇聚至水利云，形成水利数据资源池。通过治理池中数据，实现统一的数据管理与服务，基于智慧使能平台、应用支撑平台为水利大脑提供预报、预警、预演、预案的“四预”基础能力，从而支撑上层的各类智慧化应用。

3.1 水利要素感知体系

水利感知网是构建各类水利要素的智能感知体系，负责获取涉水对象属性信息及其环境数据。

水利感知网使用各类感知设备、技术手段和方法，实时采集和动态监测水利感知对象的业务特征和事件信息，形成物联感知数据，如无人机及卫星遥感观测数据、导航定位数据以及视频监控数据。数据经过基础加工处理后，分级分类通过水利信息网、各级汇集平台进入水利云平台，为水利大脑提供全面可靠的感知大数据。

3.2 水利网络互联体系

水利信息网连接智慧水利中的各种主客体，为智慧水利各类数据在主客体中的传递提供传输服务，构建智慧水利的网络互联体系。

水利信息网根据不同环境条件，依托国家电子政务网络、租赁公共网络、自建专用网络等多种方式构建，连通国家、流域、省、地市、区县等各级水行政主管部门、各级各类水利水务企事业单位。

水利信息网包括水利业务网和水利工控网，水利业务网覆盖各级水利部门，承载各类水利信息系统，水利工控网覆盖各水利工程及其各级管理单位，承载各类水利工程控制系统，水利业务网与水利工控网相对独立。

3.3 水利智慧大脑体系

水利智慧大脑体系是一套以水利云为基础，结合数据处理、机器视觉、智能算法、水利模型等能力，在开放平台上实现江河湖泊与水利工程的大规模计算和智慧决策的人工智能系统。

水利智慧大脑体系的核心由“一云一池两平台”构成。一云指水利云，利用公共云和建设专有云的混合方式，为水利大脑提供弹性化的大规模存储和计算能力；一池指数据资源池，汇聚和治理水利系统内外的所有相关数据，构建海量异构多元的数据资源体系，两平台指智慧使能平台和应用支撑平台。

（1）水利云。

水利云建设基于公专结合的混合云模式，进一步扩展计算、存储和网络资源的服务能力。应加强水利云灾备中心建设，形成可靠的互备架构[4]，保障数据及应用的安全性和可靠性。

（2）数据资源池。

数据资源池是建立在水利云上的海量的数据采集、存储、处理和服务管理体系，数据资源池通过分布式数据任务调度、分布式数据监控管理、分布式存储资源管理、分布式计算作业调度，完成非结构化、半结构化、结构化数据的统一服务和管理。数据资源池汇聚各类水利数据，经过数据抽取、融合、转换、治理、服务等环节，深度挖掘数据的价值，构建中台式的全域数据资源体系，为水利大脑思考和决策提供数据输入。

（3）智慧使能平台。

智慧使能平台使用数据挖掘、业务建模、融合分析、规则应用、知识应用等技术手段进行视觉智能、数据智能和决策智能的开发与能力输出，为水利大脑提供预报、预警、预演、预案的“四预”基础能力。平台内容包括水利模型库、学习算法库、感知使能库、知识图谱库[5]等，为业务应用提供预测、模型、算法等智慧能力的统一服务。

应用支撑平台为上层应用的运行提供支撑，包括集成环境的支撑、可视化能力的支撑。集成环境的支撑为水利应用提供大量应用基础组件和通用服务能力，如统一日志、统一用户、统一权限、统一认证、工作流引擎等。可视化能力支撑是以水利一张图为智慧水利应用提供地理信息和空间展示平台。

3.4 智慧应用体系

智慧应用包括水资源、水灾害、水生态、水环境、水工程、水监督、水行政和水公共服务[6]等。在水利大脑的支撑下，面向水利业务和水利监督领域，基于天空地多元立体的智能感知，全面融合信息资源，聚焦水资源、水灾害、水生态、水环境，全面掌握江河湖泊库综合信息，动态监测评估河湖生态状况，实现水旱灾害防御、水资源管理与调配以及病险水库、河湖长制、水利工程运行等业务的智慧化，基于水利大脑的支撑，以预报预警预案为基础、预警为反馈、知识为驱动，推动政府监管精细化、江河调度协同化、工程运行自动化、应急处置实时化，大幅提升水利管理智能化水平。

3.5 智慧水利保障体系

智慧水利建设是一项系统性的工程。水利业务智慧应用体系、水利大脑体系以及水利感知体系与水利互联体系间、体系内各层间均需具有统一标准的接口规范。智慧水利建设涉及具体的业务需求部门、信息化建设部门、设计咨询单位以及实施单位，在建设过程中需要高效协同，构建智慧水利保障体系，从标准规范、体制机制两个方面进行统筹谋划。

完善标准规范体系需要依据智慧水利总体框架和技术特点，制定智慧水利的标准体系。标准规范体系主要包括智慧水利技术标准和智慧水利评价标准。智慧水利技术标准根据智慧水利建设的需要建设，覆盖智慧水利建设全生命周期、全技术层级。智慧水利评价标准主要从智慧水利的建设、应用、维护等多个角度出发，按照技术提升、业务价值、使用效果、用户体验等维度形成智慧水利的检验与评价标准。

健全体制机制主要根据智慧水利建设总体要求及框架体系，针对水务感知网、水利信息网、水利大脑、智慧应用、网络安全等建设内容，在现有信息化管理制度基础上优化完善，制定适应于智慧水利建设、应用、推广、维护等方面的管理制度。

3.6 网络安全体系

在智慧水利建设过程中，网络安全至关重要，且网络安全覆盖智慧水利框架体系各层，智慧水利各层内容建设时需同步考虑各层安全能力的构建。网络安全的实施也需要统一的管理制度及标准体系。智慧水利网络安全体系包括网络安全技术能力建设、网络安全管控制度建设以及网络安全标准体系建设。

网络安全技术能力建设主要包括智慧水利的物联网安全、计算机网络安全、大数据安全、云安全以及应用平台安全等多位安全技术能力。网络安全管控制度根据智慧水利建设实际，对网络安全组织的机制、安全运营管理体系以及相关的管控制度进行规范和统一。网络安全标准体系主要为安全技术能力的构建提供统一的标准规范体系指导网络安全建设。

4 结语

智慧水利是我国水利发展的新阶段。信息技术是智慧水利建设的核心动能，在智慧水利进行系统性建设时，需落实物联网、大数据、人工智能等技术的运用，完善智慧水利感知体系及网络互联体系建设，落实水利智慧大脑体系下的各类信息技术基础设施建设以提高水利数据采集、处理、挖掘、分析的能力，为新时期智慧水利的建设和发展提供支撑保障。