5G赋能智慧水文建设分析与建议

□张芸

李国英部长在2022年全国水利工作会议上，提出对物理流域全要素和水利治理管理全过程进行数字化映射、智能化模拟。这是利国利民适应新时期水利发展的需要，也是一项利用5G等先进技术构建智慧水利的系统工程。水文，作为水利行业的重要基础工作，是智慧水利的重要组成部分，也是政府数字化、智能化建设的基础内容之一。通过分析5G技术现状及智慧水文建设情况，着眼于5G技术应用于水文行业的优势，为构建智慧水利体系、推动新阶段水利高质量发展提供技术支撑。

1.5G技术现状与突出优势

5G技术是为了应对新时期不断出现的各种新应用而开发，其能与各行各业终端建立深入对接，满足不同业务多样化要求，同时适应移动数据流量快迅增加、海量设备互相关联，实现真正的“万物互联”，构建起数字化治理社会的基石。

5G的突出优势在于大宽带、大连接、低时延。大宽带主要体现在超高清视频、虚拟现实、增强现实等方面，对带宽有极高的要求，其中关键的性能指标包括500Mbps用户体验速率、数十Gb⁃ps峰值速率、每平方公里数十Tbps的流量密度、500km/h以上的移动性等。大连接对连接密度有极高的要求，同时呈现场景多样性和差异化，如智慧水文应用要求网络支持海量连接的小数据包，视频监控不仅部署密度高，还要求终端和网络支持高速率。低时延包括智能驾驶控制、无人机控制等应用，实时监控要求毫秒级的时延，高可靠性也是其基本要求。

目前我国网络技术已经演进到了5G时代，具备使用最新的5G网络基础技术以及人工智能、大数据、物联网云平台、图像识别等前沿技术，共同建立智慧水文体系，可在多个维度，多个尺度，大范围内对水情、水环境进行全面准确的感知、监测，对数据进行分析处理，同时协调各个环节的治水力量，形成治水合力，科学地进行水情预警、水生态保护与修复。

2.智慧水文体系构成与建设情况

智慧水文是水文物联网的智慧版，是利用现代信息技术，来提高水文管理和服务水平，包含有水情预测系统、预警防洪系统、水量监测系统、水环境监测系统等。要实现智慧水文，需多个系统间互联互通，相关数据共享，通过数采仪、无线网络、水质水压表等在线监测设备实时感知流量、水质的运行状态，并将海量水文信息进行及时分析处理，做出相应处理结果，辅助决策，以更加精细和动态的方式管理水文行业，从而达到“智慧”的状态。智慧水文建设，就是要形成水文物联网系统，智能化管理水文系统，增强信息快速感知的能力，并提供智能分析判断、科学高效决策的技术支撑，有效解决目前水文行业的短板，从而保障国家水安全。

我国智慧水文经历了数字化、智能化、智慧化发展阶段：数字化是基础水文系统建设，主要实现传统水文采集、监测、档案等环节数字化改造。比如利用物联网技术改造采集技术，实现由人工采集到在线监测系统、数据收集，使感知方式更快捷、数据收集更准确。智能化是在数字化基础上，完成相关的信息数据处理系统建设，基于精准的数字资产数据，实现各系统的整合与集成，构建水文模型及水质模型等应用模块，通过数据融合形成信息共享平台。智慧化是随着5G技术、大数据、物联网、云计算及移动互联网等新技术不断融入传统行业，利用实时数据构建实时水文模型，利用大数据分析等技术，整合不同数据源的数据，建立数据湖，通过各类应用模块实现智慧决策的实时综合调度平台。

目前，全国各地的水利部门正加速推进“智慧水利”项目进程，智慧水文作为信息技术与水文管理结合的先进模式，正面临行业发展的黄金期。

3.智慧水文建立的必要性与可能性

在当前推进水利高质量发展，综合治理水灾害、水资源、水生态、水环境的严峻形势下，传统水文监控所面临的一些问题逐步显露，主要表现在：人员、仪器设备、软件存贮现状与工作要求、发展不匹配、监测能力不达标、监测网络不完善、现有管理机构存在交叉、难以实现统一协调管理等诸多弱项。

首先现有的水文监测方式不能全面、实时反映水情、水量、水质状况及变化趋势，需要完善监测监控网络，精准监测所有水体断面，客观分析上下游水情、水量、水质的动态变化情况，预防水环境污染和各种突发事件，保障水域安全。另一方面，针对饮用水源地的水质监测缺少实时性，对于饮用水源水质的指标覆盖不足，需要增加饮用水源的水质自动监测的覆盖面；而针对水污染源的来源也缺乏必要的分析手段，对于工业、农业、生活污染源追溯、解析缺少必要的监测设备；由于现有的分析方法单一，缺少综合分析评估的手段，监测的数据不能充分发挥作用。其次我国目前水环境监测以人工监测为主，现场手持式设备只能监测少量项目，大部分项目还是采样后进行实验室内监测，仅有极少部分监测点能够实现连续在线监测，主要监测过程为采集水样简单处理后放在保存器中，带回实验室进行室内物理化学实验。现行的传统监测方法主要采用人工操作，监测时间长，费时费力，数据处理慢，人工方法获取的实验结果不能及时、准确的反映水质不断变化的动态数据，并存在对水质污染进行跟踪和高密度监测能力较弱等缺陷。部分水源地处偏僻的野外，路途遥远，交通不便，工作人员采集水样、进行监测非常困难，监控管理成本高昂；采用的监测设备分处管理，数据分散存储，导致运行维护成本高；很多水源与多个管理单位大范围交织在一起，权责不清，配套监管系统各自为政，从监测、预警到治理无法联动，反而相互掣肘，影响治水力度，阻碍保护水资源。

近年来，智慧水利建设、水利基础设施和管网漏损建设等方面政策频频出台，水利行业信息化创新及转型发展成为趋势。中央《十四五规划和二〇三五年远景目标的建议》中提到，要加快发展现代产业体系，推动互联网、大数据、人工智能等同各产业深度融合，推动先进制造业集群发展，针对传统水文站网覆盖面不全面，监控不及时，分析模型单一等情况，智慧水文的发展能非常准确的解决这一系列问题，而我国现有的5G技术使这一切成为可能。

4.5G赋能智慧水文应用案例

智慧水文建设涉及大数据、云计算及移动互联网等新技术，而随着5G时代的开启，5G+智能+水文的结合充分激发了行业活力，如5G+智能综合仪表平台、5G+大数据应用等等，用户通过5G+智能综合仪表系统，不仅可以实时收集远端各监测仪表运行数据，还能实现水文维护系统数据共享，及时为用户推送监测异常情况，让技术人员清楚问题所在，及时完成修缮工作。

水文行业结合5G技术在水文中的应用以水环境监测预系统为例：

雄安新区管理委员会、河北电信联合在白洋淀水域实施了5G智慧治水试点工作，为保护白洋淀水环境，安装设置了水环境监测预系统，该系统基于雄安5G示范网络，部署了水环境多参数智能监测终端、AR智能终端、无人机、多路高清视频源，进行水源地现场的高密度、高频率、立体化监控；并将海量的多维度数据聚合在一体化平台上，智能建模处理后形成全流域稳态、动态水环境分析模型，以及水源污染趋势分析预测模型，及时为污染预防和治理提供科学依据；同时集成远程指挥调度、视频会议等其他信息系统，实现快速响应、全联动治理水环境。水环境监测预警系统的基本业务流程见图1。

图1 水环境监测预警系统的基本业务流程

当雄安水环境监测预警系统硬件设施到位后，技术人员在白洋淀布设监测点：一是白洋淀浮标定点采集水质和水位，楼宇水箱定点加挂饮用水监测仪；二是巡检船或无人船多功能水质检测仪游动采集白洋淀水域动态水质和水位信息；三是无人机吊装轻载水质检测设备补充采集交通不便水域信息。预警系统连接无人机、高清摄像头和全景摄像头等视频物联网终端设备，利用5G网络实时直播现场实景，可根据要求切换监控画面。

通过水环境多参数智能监测终端、AR智能终端、无人机、多路高清视频源，各种水质监测数据通过网络上报到水质监测云平台，并通过大屏幕展示，全域水质情况可一目了然，其中包括：水质环境（常规温度、电导率、浊度、PH、溶解氧、氨氮、化学需氧量、有机含碳量）、供水环境（电导率、浊度、pH、ORP、余氯）、水务环境（流速、流量、水位）、节水环境（水表计量、水压监测）。

通过几年运行，雄安新区白洋淀水环境预警系统效果显著，不但减少了人力及人工失误，而且及时、准确、高效的将监测成果回传指挥中心，从而使水文应急指挥中心及时掌握第一手资料，清晰了解前线防洪排涝、水环境污染现状，对出现的险情抢早、抢小，及时处置，确保了人民生命财产安全，减少经济损失，达到了预期目的。

5.智慧水文建设建议

5.1 智慧水文建设要与时代发展相适应

智慧水文建设在信息时代已成为水文现代化发展的新航向，其建设和发展应立足新时代中国特色社会主义国情，与各地水文实践相结合，落实国家创新驱动战略，解决水灾害、水资源、水生态、水环境实际难题，如改进水文测报技术和手段，积极推进测雨雷达试点应用，实现超高时空分辨率短临暴雨预警，完成水库、堤防、水闸、蓄滞洪区基础数据整合集成，建设雨水情测报和大坝安全监测平台等措施。我们不仅要关注智能化技术处理，更要着眼于新时期建设大局，着眼于人与自然和谐共生，推进水文一体化智慧运营、智慧管理、智慧服务。

5.2 智慧水文建设要多方参与，建立健全管理体制

智慧水文建设既是物联网人工智能在水文领域的延展，又是水文行业主动拥抱大数据、云计算，以支撑实际运行管理的工作平台。未来智慧水文事业的建设，需要克服标准规范缺失、信息孤岛突出、数据运营困难、专业人才匮乏等瓶颈，建立健全高效的水文管理体制，实现资源共享和信息安全双赢，智慧水文也需要依靠各级水利管理部门、广大人民群众的多方参与，利用科学新技术来实现水情预测、水环境保护，使决策更科学，管理更协调。

5.3 智慧水文建设要加强基础数据叠加分析和深度融合

当前建设智慧水文的核心问题，是积累有效的“海量数据”，通过信息收集并处理，将有效信息进行汇总，利用数据建模，分析实时水量、水情、水质信息数据，在此基础上，提供运行决策方案与执行手段，构建一个基于物联网的水文信息综合智慧平台，继而达到预报预警预演预案的功能。

习近平总书记强调，保护江河湖泊，事关人民群众福祉，事关中华民族长远发展。我国河湖水系纵横交错，保护治理并非易事，必须依托现代信息技术，变革治理理念和治理手段，坚持数字赋能。随着5G技术、大数据、物联网等新技术不断融入传统行业，5G赋能水文所能带来的惊喜令人期待，智慧水文的发展必将如火如荼，必将在建设数字孪生流域中发挥重要作用，同时也会成为提升国家水安全保障能力的重要支撑。□