高 键，张 智 涌，，刘 明 锦，张 修 阳，罗 亚 东，李 儒 兵

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州 611845 ；2.四川水利创新发展研究院，四川 崇州 611845；3.成都同飞科技有限责任公司，四川 成都 610031)

1 概 述

四川省位于西南腹地，地处长江上游，境内以长江水系为主，较大的支流有雅砻江、岷江、大渡河、理塘河、沱江、涪江、嘉陵江、赤水河，湖泊有邛海、泸沽湖和马湖。支流和湖泊众多，水系和气候条件复杂。四川省水旱灾害易发且频发，防汛抗旱、水利建设、水资源管理等任务繁重[1]。

随着信息技术的高度发展，云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等技术在各行各业的深度应用皆取得了较好的颠覆性效果。因此，如何将信息技术应用与水务管理工作相融合，打造四川省智慧水利体系，为四川省水利工作带来实时准确的信息、高效的资源利用、上层的智能分析决策以及主动的社会民生服务等具有十分重要的建设与指导意义[2]。

所谓“智慧水利”，就是利用GIS技术、云计算、互联网、移动互联网、大数据等先进技术，对水利对象及水利活动进行透彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务，促进水治理体系和治理能力现代化的新理念和新模式，从而提高水利部门的管理效率和社会服务水平，推动水利信息化建设，逐步实现“信息技术标准化、信息采集自动化、信息传输网络化、信息管理集成化、业务处理智能化、政务办公电子化”[3-4]。

目前，四川省水利信息化在计算资源、数字资源、网络联通、数据收集等方面已经取得一系列成果。初步完成了水利工作数字化的相关建设，能够在日常管理工作中使用信息化手段来改善传统工作效率[5]。

水利信息化的持续发展与建设，虽然有效地改善了传统水利工作中各方面的陈旧问题，但是，新的问题又在水利信息化建设过程中逐渐暴露出来，如基础数据采集仍靠人工收集，管理决策仍靠人为经验，各信息化系统中业务流转阻塞以及“信息烟囱”等[6]。为解决上述问题，在水利信息化建设成果的基础条件下，引进新技术、新理念、新思想，建设更合理、更科学、更智能的智慧水利是水利信息化发展的必然选择[7]。通过智慧水利建设达到提升数据采集能力以及决策的科学性和业务服务的效率，从而消除“信息烟囱”现象。

2 四川省智慧水利体系构建

2.1 业务需求

2.1.1 防汛抗旱预警能力提升

在现有的水利工程设施、水资源情况及气象状况的基础上，通过合理的信息监测手段，获取防汛抗旱相关的实时数据信息。同时，综合各项工情数据，及时对江河洪水、突发性洪水、干旱等异常事件做出预测与响应，联动协调相关部门，共同应对出现的险情。

2.1.2 水资源集中统筹管理

为有效地整合资源，推进水资源科学化管理，亟需在现有信息系统基础上，建立“数据采集、信息分析、监控管理、移动联动”的四位一体大数据共享利用平台，实现水资源管理服务“同一平台”、信息集成“同一数据库”、直观展示“同一张图”、结果分析“同一应用”的资源共享和业务协同。

2.1.3 网络化和电子化的水政执法

水政监察以书面材料保存，不仅使信息的查询和统计相对困难，准确度受到影响，且基本不能满足智慧城市和智慧水利对水政执法全过程监督的要求。实现水政监察执法管理的公开化、网络化，提高执法的力度和管理的科学性，同时，要将水政统计管理、水政监察等相应案件情况传输到流域中心进行统一管理。

2.1.4 贯彻最严格水资源管理制度

根据《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》—国发〔2012〕3号文件的意见，要严格规划管理和水资源论证，要按照流域和区域统一制定规划，要充分发挥水资源的多种功能和综合效益。同时，要严格控制流域和区域取用水总量，加快制定主要江河流域水量分配方案，建立覆盖流域和省市县三级行政区域的取用水总量控制指标体系以实施流域和区域取用水总量控制[8]。

2.1.5 灌区信息化推进水权改革

利用物联网技术推动“智慧灌区”的改造，将传统灌区所产生的全量数据进行探测、分析、综合应用，构建利于农林水产、工业、生活的新型“智慧”模式，为灌区管理者提供智能决策辅助，为用水消费者提供便捷、高效的智能服务[9]。

2.1.6 水利工程安全运行

加强水利工程设施管理，确保工程的安全运行，不断提升水利工程运行效果，才能获得最大的经济效益和社会效益[10]。因此，确保水利工程安全运行是水利管理职能部门的重要需求。

2.2 功能需求

2.2.1 建立水利信息监测和传输体系

建立覆盖四川省的水利相关信息的实时监测网络系统，主要包括水源地、取水工程、灌区取用水水量水质，入河排污口水量水质，地下水水位水质，排水管网水位，主要江河的市级控制断面的水量水质，工情、旱情、墒情等信息。

2.2.2 建立统一的水利大数据中心平台

建立四川省智慧水利大数据中心平台，完成各类水资源信息的接收、转换、存储、计算和数据管理，从而生成相关的大数据应用，为相关决策、分析、统计提供坚实的数据依据和支撑。大数据中心平台通过统一的ETL工具和数据总线实现对前端采集的各类水利数据的接收和处理，分类存入各类业务数据库中，提供统一的接口供其他系统使用。

2.2.3 建立水利业务管理平台

完成取水管理、水源地管理、水费征收管理、水资源规划管理、用水管理(含计划用水管理和节约用水管理)、河湖管理、入河排污口管理、水质监测管理、水功能区管理、城市水生态建设管理、水政执法管理和政策法规管理，及时制作并发布水利公报、水利年报，快捷、高效、智能地完成水行政主管部门日常业务管理工作，为四川省水利日常管理工作提供技术支持。

2.2.4 决策支持

决策支持主要实现水资源的精细化管理、精准化评价、承载能力分析、水资源跨时空跨地域的科学智能调度。实现洪水、干旱的精准化预测预报、灾情的精准评价和应急指挥调度，全面提升水灾害的主动防御能力。实现水生态的科学评估、趋势预测和成因分析，提升水生态环境的精准治理能力。加强重大水土流失特定区域的监测评价和监督管理；实现水利工程建设运行维护全生命周期的管理、工程运行安全态势的准确分析和预测，提升水工程建管和运行的综合保障能力。围绕行业监督稽查、安全生态监管、工程质量监督、项目稽查和监督决策，构建水监督智能应用，全面提升水利监督的智能化支撑能力。实现智慧资产监管、移民智能监管、扶贫智能监管、项目智能规划、智慧机关建设、财务智能管理，全面提升水行政管理工作的智慧化水平。

2.3 数据需求

2.3.1 数据纵向流程

数据纵向流程是指信息在监测站、水利局数据中心、省级、水利部等上下级不同层级之间传输的过程。监测站与水利局数据中心之间的数据信息传输主要是通过移动网络(GPRS/4G)、厘米波网络或光纤网络进行传输，各级水资源管理机构之间的数据信息传输主要依托保密内网和政务外网。

2.3.2 数据横向流程

数据横向流程是指数据信息在同一平台的不同层级之间流动的过程。数据信息都是通过信息采集与传输层进入到数据资源层，业务应用层在支撑平台层的基础上，通过调用数据源层的采集数据和由支撑平台层集成而来的外部交换数据进行业务处理，生成的业务数据通过应用交互层的两大门户为用户提供服务。

2.3.3 数据清洗分类

对数据进行分类是实现智慧水利的重要基础，没有清晰的数据类目，则无法从数据中分析出潜在规律和问题，四川省智慧水利系统涉及的数据分类流程见图1。

图1 数据加工示意图

水利数据通过各类现场采集点、人工录入、业务系统等诸多情形生成，生成的数据汇入智慧水利大数据中心形成全量大数据库，利用大数据中心的数据清洗功能，将杂乱无序的水利大数据输出为可利用的结构化数据和非结构化数据，其中结构化数据包含属性数据、量质数据、位置数据和时效数据等。

2.4 核心要素

2.4.1 数据建设

数据是一切的基础，有了数据，上层应用和智慧分析才有基础支撑。因此，通过数据主导应用，以数据为核心，再利用数据进行全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，充分挖掘数据价值，构建水利数据大脑，实现水利的模拟、监控、诊断、预测和控制，以“一库一平台一张图N应用”为核心架构，构建水利数据生态，创新业务应用(图2)。以地面站网为基础，以水循环为线索，依托互联网、物联网、卫星、

图2 “一库一平台一张图N应用”示意图

遥感等通信技术，通过前端各类传感器采集设备，实现水资源、水环境、水生态等信息的立体高效监测，构建天、空、地全方位、一体化的数据网络。

2.4.2 数据异地灾备和高可用系统

建立四川省智慧水利大数据中心平台，数据集中存放和管理，管理上简单高效，但也增加了一定的风险，单节点的故障会影响到整个大数据中心平台的运行和数据安全。为了保证数据可靠性和高可用性，需要在异地增加相应的数据备份系统。

四川省水利厅的1个主数据中心在都江堰，建议在相关高校设立大数据副中心作为数据和服务的备份以及业务高可用性，保障业务的不间断连续运行。数据可实现异地备份和业务的高可用性(图3)。通过TCP/IP协议，容灾备份将本地的数据实时备份到异地服务器中,实现主备数据统一同步。需要进行数据恢复时，利用异地备份的数据远程反向恢复到数据中心，数据恢复进度(日期)可以进行调整，数据恢复中途可以回退，提高数据备份和恢复的灵活性和安全性。高可用系统是确保在主数据中心出现故障且不能提供服务时，做业务服务的无缝切换和接管。

2.5 体系构建

通过基于设计的研究方法，在梳理出核心要素的基础上，构建了四川省智慧水利体系架构(图4)。四川省智慧水利体系主要采用“五横二纵”体系，“二纵”为水利业务标准规范体系和信息安全防护体系，“五横”为基础设施、数据资源、应用支撑、业务应用、用户等五个层次。

图3 数据分布图

2.5.1 基础设施层

基础设施层主要包括网络层和采集感知设施。其中，网络层包括水利业务网、水利工控以及外联网；采集感知设施包括水文测站、视频监控站、北斗定位、卫星遥感、移动监测设备等。

2.5.2 数据资源层

数据资源层主要包括基础数据库和业务数据库。其中，基础数据库主要包括基础地理、社会经济、河流湖泊、水利工程、水利行业单位等数据，业务数据库主要包括九大业务和水利监督业务的监测数据、业务管理数据以及其他相关数据等。

2.5.3 应用支撑层

应用支撑层主要包括基础应用支撑和业务应用支撑。其中，基础应用支撑主要包括身份认证、一张图、图像识别、语音输入等通用基础应用支撑，水利业务应用支撑主要包括水文模型、水动力模型、水质模型、水利遥感模型等专业应用支撑。

2.5.4 业务应用层

图4 四川省智慧水利体系架构图

业务应用层主要包括水旱灾害防御决策支持系统、水工程建设与安全运行监控平台、节约用水与水资源监控平台、河湖长效保护与动态管控平台、水生态与水土保持管理系统、水利综合监管平台等六大重点业务应用平台，以及公共服务综合平台。

2.5.5 用户层

用户层是水利业务系统相关应用主要面向的使用者，如水利厅、流域管理机构、县市级水利主管部门以及社会公众等。

3 智慧水利建设关键技术

3.1 物联感知技术

感知对象主要包括江河湖泊、水利工程和水利管理活动三个类别，每个类别都包括多种感知对象，每个对象需要感知多个要素，每个要素可以通过一种或多种技术进行感知。感知技术主要包括人工填报、设备监测、视频监控、遥感监测、导航定位和互联网抓取等。

3.2 大数据技术

水利大数据支撑平台是智慧水利建设工程的核心数据管理和服务平台，是整个水利业务管理、数据分析和利用的基础性工程。大数据技术包括数据存储计算、大数据交换汇集、大数据治理、大数据共享服务、大数据智能分析、大数据可视化、数据备份和数据安全等。

3.3 数值分析技术

数值分析技术是通过现实问题加以分析，建立数学模型，并将各参数进行合理设置，最终通过一系列算法求出相应结果。

3.4 水利模型技术

水利模型技术能够描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律，为水资源保护服务，用于实现水利模拟和效果评价，进行水利预测和预报，实现水利设施建设控制。

3.5 水力模型技术

水力模型能够模拟自然环境中的水的动态变化，预测当时环境给予某种影响时所发生的变化，确定各种现象和变化过程的因子，模拟水流、污染物等扩散规律和情况。

3.6 BIM+VR虚拟现实技术

构建水利BIM模型，并结合到现有的GIS系统中，利用虚拟现实硬件，实现沉浸式漫游浏览，采用互动式交互操作，实现模型的切割、漫游和修改等。

4 结 语

利用智慧水利可及时收集各类江河湖泊、水利工程与水务工作所产生的实时数据，并通过水利大数据中心对各类数据进行梳理与清洗，再运用相应算法模型生成可供管理者进行决策辅助的可视化结果，在提高我省水利工作高效性的同时，也能促进相关水利监控、管理与实施的智能性。智慧水利体系的确定，不仅能够促进水利水务的信息化发展，也为未来水利行业数字化建设提供了良好的理论支撑。智慧水利体系并非一个结构固定的封闭体系，随着信息技术的不断发展，研究需要不断融入新技术与新思想，以便智慧水利工程的建设呈良性的可持续发展状态。