智慧水利建设现状分析与发展思考

2018-03-24蔡阳

水利信息化 2018年4期

蔡阳

（水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

当前，新一代信息技术与经济社会的深度融合，深刻改变着政府社会管理和公共服务的方式。党中央国务院高度重视智慧社会建设和发展，党的十九大报告中强调要建设网络强国、数字中国、智慧社会，把智慧社会作为建设创新型国家的重要内容，从顶层设计的角度，为经济发展、公共服务、社会治理提出了全新要求和目标，为智慧社会建设指明了方向[1]。智慧水利是智慧社会建设的重要组成部分，2018 年中央一号文件提出了实施智慧农业林业水利工程，2018 年全国水利厅局长对智慧水利建设进行了部署，水利部安排水利部信息中心牵头编制智慧水利总体方案。智慧水利旨在应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，实现对水利对象及活动的透彻感知[2]、全面互联、智能应用与泛在服务，从而促进水治理体系和能力现代化[3]。

1 智慧水利已有基础

智慧水利是水利信息化发展的新阶段。水利部历来重视水利信息化建设，“十五”期间就提出了以水利信息化带动水利现代化的总体要求。多年来，我国水利信息化建设取得了很大成就，为智慧水利建设奠定了坚实基础。

1.1 规划与技术体系渐趋完善

2003 年，水利部印发了《全国水利信息化规划（“金水工程”规划）》，成为第 1 部全国水利信息化规划。从“十一五”开始，水利信息化发展五年规划成为全国水利改革发展五年规划重要的专项规划，对水利信息化建设进行统筹安排，解决为什么要做及做什么的问题。还相继印发了《水利信息化顶层设计》《水利信息化资源整合共享顶层设计》《水利网络安全顶层设计》等文件，有效衔接规划与实施。并通过水利信息化标准规范从技术上支撑共享协同，通过项目建设与管理办法从机制体制上保障共享协同。此外，还出台了有关防汛抗旱、水资源管理、水土保持、水利数据中心等信息系统建设的技术指导文件，指导各层级项目建设，解决不同层级间的共享协同。这些措施在系统互联互通、资源共享、业务协同方面发挥了积极作用[4]。

1.2 基础设施初具规模

截至 2017 年底，在信息采集与工程监视方面，全国省级以上水利部门各类信息采集点达 42 万处，全国县级以上水利部门共有视频监视点 118539个，其中共享接入 64080个；在水利业务网方面，全部省级、地市级及 86.89% 县级水利部门实现了联通；在水利通信方面，全国县级以上水利部门共配置通信卫星设备 2731台（套），北斗卫星短报文传输报汛站达到 7900多个，应急通信车 68 辆；在计算存储方面，初步建成了水利部基础设施云，形成了“异地三中心”的水利数据灾备总体布局，全国省级以上水利部门共配备各类服务器 7213台（套），存储能力 3.3 PB；在水利视频会议系统方面，建立了覆盖 7 个流域机构、32 个省级、337 个地市级、2262个区县级水利部门和 15828个乡镇的水利视频会商系统。

1.3 信息资源和业务应用不断深入

水利部通过历年来的水利信息化重点工程建设，第一次全国水利普查、水资源调查评价等专项工作，以及各项日常工作，产生和积累了大量的水利专业数据。截至 2017 年底，全国省级以上水利部门存储的各类信息资源约 1.9 PB。同时，依托这些信息化重点工程建设，不断深化水利业务应用水平，并向基层水利部门拓展。国家防汛抗旱指挥系统二期主体工程基本完成，提升了我国水旱灾害和突发水事件的处置能力。国家水资源监控能力建设二期项目有序推进，支撑了最严格水资源管理和三条红线考核。国家地下水监测工程主体工程全面完成，全国河长制湖长制管理信息系统正式运行，水利工程建设与管理业务应用投入运行。水土保持、水利安全生产监督管理、电子政务等重要信息系统持续推进。水利业务应用体系不断完善，有力支撑水利改革与发展。

1.4 新一代信息技术有效应用

近年来，水利各部门相继开展了对新一代信息技术的探索应用。水利部搭建了基础设施云，实现计算、存储资源的池化管理和弹性服务，有力支撑了国家防汛抗旱指挥系统等 13 个项目的快速部署和应用交付。黄河水利委员会利用云计算和大数据技术，围绕突发事件实现了对水情、工情和位置等信息的自动定位和展现。无锡水利部门利用物联网技术，对太湖水质、蓝藻、湖泛等进行智能感知，实现蓝藻打捞及运输车船的智能调度，提升了太湖治理的科学水平。浙江水利部门在舟山应用大数据和“互联网 +”技术，及时掌握台风防御区的人员动态情况，并结合台风路径、影响范围等信息，自动通过短信等方式最大范围地发布台风预警和提醒信息，为科学决策和有效指导人员避险、财产保护等提供有力支撑。

1.5 智慧水利先行先试积极开展

作为新型智慧城市部际联络工作组成员单位，近年来，水利部积极参与促进智慧城市健康发展的相关工作[5–6]，推动数字水利向智慧水利转变，推进水利行业智慧水利建设。目前，在浙江省台州市开展的智慧水务试点工作已初具成效，对推动全国智慧水利建设具有示范作用。部分流域机构、地方水利部门也陆续开展智慧水利试点。太湖流域管理局利用水文、气象、卫星遥感等信息和模型对湖区水域岸线及蓝藻进行监测，提升了“引江济太”工程调度等工作的预判性。上海市水务局构建了覆盖全市的雨情自动测报、积水自动监测采集网，与气象、市政、公安、交通、环保等部门形成防汛防台应急指挥联动调度。江西省水利厅出台了《江西省智慧水利建设行动计划》，依托智慧抚河信息化工程等项目建设积极开展智慧水利建设。

2 智慧水利面临的问题

虽然近年来水利部积极推进行业智慧建设，部分智慧水利试点工作已初见成效，但智慧水利建设与智慧社会要求还有较大差距[1]。

2.1 透彻感知不够

目前，各类水利设施的监测远未做到全面感知。例如，水库安全监测方面，仅有 73% 的大型水库建立了工程安全监测设施和数据自动采集系统，多数中型水库和几乎所有小型水库都没有安全监测设施，大部分小型水库甚至没有水情监测报汛设备。同时，感知技术手段也存在较大差距，自动化水平不高。

2.2 全面互联差距大

1）网络覆盖面小，还有 13% 的区县级水利部门未连接到水利业务网，仅有 6 个省区水利业务网通达到乡镇级水利单位，导致水利信息系统无法实现“三级部署（水利部、流域机构、省级）、五级应用（水利部、流域机构、省级、市级、县级）”[7]。

2）网络通道窄，连接水利部到省级水利部门的骨干网带宽仅为 8 Mbit/s，由于带宽限制，导致许多宝贵的数据无法及时传输。

3）上下左右联通不畅，集中体现在工程控制系统隔离在各个工程管理单位，不同业务系统信息共享和业务协同困难。

4）基础支撑不足，主要体现在机房总体规模小而分散，计算存储能力不足，基础支撑软硬件薄弱。

同时还存在水利部内部专业部门之间信息共享不足，外部与环境、交通、国土等部门的相关数据还不能做到部门间共享等问题[1]。

2.3 智能应用不足

对于新一代信息技术的应用，水利行业总体上还处于初级阶段。大数据、人工智能、虚拟现实等技术尚未得到广泛应用，智慧功能没有得到充分显现。

2.4 泛在服务欠缺

一直以来，水利行业业务应用多，公共服务产品偏少，系统应用便捷化和个性化等考虑不足。

2.5 认识不到位

很多基层水利单位对智慧水利建设目标不清晰、任务不明确、效果不确定，对智慧水利建设存在畏难情绪[1]。

3 智慧水利目标与任务

在各地政府和相关行业通过智慧社会建设全面推动社会治理体系和治理能力现代化的背景下，水利部门把智慧水利建设作为推进水利现代化的着力点和突破口，必将推动新一代信息技术在水利行业的广泛应用，全面提升新时代水治理体系和能力的现代化水平。

3.1 关于智慧水利建设目标的思考

紧密结合水利工作实际，科学确定目标是智慧水利建设的重要前提。水利工作的主要管理对象为江河湖泊、水资源、水利工程、水旱灾害及各类涉水主体，涉及国家防洪、供水、粮食和生态等安全方面。因此，智慧水利建设应围绕水利中心工作，构建全国江河、水利基础设施和管理运行等体系三位一体的网络大平台，建设国家、流域、区域相关信息资源汇集的共享大数据，建立涵盖洪水、干旱、水工程安全运行、水工程建设、水资源开发利用、城乡供水、节水、江河湖泊及水土流失等九大领域的应用大系统，支撑智慧水利全业务流程的网络大安全，为政府监管、江河调度、工程运行、应急处置和公共服务提供支撑和保障。

3.2 关于智慧水利建设任务的思考

基于水利信息化已有基础，结合新一代信息技术发展，智慧水利需要在以下几个方面强力推进，重点建设：

1）全面提升透彻感知能力。在现有水利监测感知的基础上，充分利用物联网、卫星遥感、无人机、视频监控等技术和手段，构建天地一体化监测体系，提高感知能力和技术水平，并进一步补充、扩大和完善感知对象[8–9]。

a. 建设河流湖泊全面监测网格。对现有水文站增配视频监控，对水位站增配流量监测设施；同时，监测网格逐步延伸到流域面积 100 km2以上22909条河流、1 km2以上 2865个湖泊，力争覆盖流域面积 50 km2以上 45203条河流，从而全面提升防汛抗旱预警预报水平和江河湖泊监管能力。

b. 建立水资源管理全面感知网络。在水资源监控能力建设、国家地下水监测工程等项目的基础上，按照全流程、全口径、精准化要求，加密各类监测网点，共享相关领域数据，逐步实现对水源地、取用水户、入河排污口及地市行政区界河流断面的水量水质监测。

c. 建设水利工程运行管理监测感知网。采用物联网、卫星定位等技术，升级已有水利工程监测系统，增补位移、形变、水情等要素监测监控设施，逐步实现对水库、堤防、大中型灌区、水闸、泵站等工程运行管理全过程全要素的感知。

d. 建设水生态环境感知网络。对重点保护河段河道生态基流、国家重要水功能区水环境、水土保持重点治理区的水土流失等进行监测，逐步实现对水生态环境状态的全面感知。

2）全面加强互联互通。从目前水利信息化的发展现状看，网络覆盖范围和支撑能力与智慧水利建设的要求差距很大，应加大建设力度，弥补网络能力的不足。

a. 扩大互联范围。在充分利用公网资源基础上，延伸水利业务网，实现监测感知站点、各级水利部门、各级各类水利企事业单位及相关部门的互联互通。

b. 扩充互联通道。根据数据传输需求，扩充水利业务网带宽，增加互联网接入带宽，构建融合互联的大容量高速传输网络通道。

3）建设共享共用的水利大数据中心。根据水利数据高性能计算需要，以构建各类水利业务、各级水利部门，以及与涉水部门畅通的水利信息资源建设为基本内容，研究确定水利数据中心部署和应用架构，加强计算存储、共享服务、指挥调度、综合会商、容灾备份等能力建设，建成集约统一、共享共用的水利大数据中心。

a. 水利基础设施云建设。基于海量水利数据存储和秒级计算的需要，按照高性能、大容量、可扩充的要求，建成国家、流域、省三级水利基础设施云，支撑基础设施资源、数据资源、业务应用与服务 3 个层次上的集中共享。

b. 大数据支撑平台建设。按照水利数据实时汇集、共享服务、快速响应要求，逐步构建人工智能、大数据和专业模型等资源体系，为业务应用提供智慧服务支撑。

c. 水利信息资源建设。实现水利部门不同专业的信息共享，涵盖洪水、干旱、水利工程安全运行等九大领域业务，包括文字、图表、音视频、影像等各类数据。实现各级水利部门之间的信息共享，构建水利部、流域、省三级数据存储中心与各级水利部门共享的数据使用格局。实现水利数据与外行业部门数据的共享，主要包括环境、交通、资源、住建、工信、应急等部门数据，尤其要实现与测绘部门矢量地图、航天卫星遥感等数据的共享。及时收集与汇聚报纸、杂志、电视、广播等传统媒体，以及网络、视频、电子杂志、微信、社区、论坛、博客等新媒体涉及水利领域的民生需求，舆论热点，公众意见等数据。此外，以上各类信息从时间上要包括历史的、实时的和预测的信息，从空间上要包括点、线、面信息。

d. 指挥调度和综合会商环境建设。按照联合值班、综合与专业调度会商相结合的需要，在北京建设智慧水利调度中心，并做好与国家防汛抗旱调度中心的衔接。

e. 加强水利信息灾备系统建设。考虑到智慧水利建设必然带来数据规模的极大提升，现有的灾备体系难以满足数据安全存储的需求。宜在现有的水利部与南北备份中心的基础上，按照网络信息安全的要求，在北京构建同城灾备中心，同时加强郑州、贵阳的南北 2 个备份中心建设，形成互备架构，保障水利信息安全。

4）大力推进智能应用。针对水利行业对新一代信息技术应用不够的问题，在智慧水利建设中要围绕洪水、干旱、水工程安全运行等九大领域，大力推广大数据、人工智能等信息新技术的广泛应用，形成融合高效、智能分析、实时便捷的智慧水利应用大系统。

a. 智慧防汛抗旱。依托国家防汛抗旱指挥系统工程，在防洪方面，扩展并接入全口径气象、水雨情、工程调度、工情等实时信息，社会经济、洪水调度方案、历史抗洪抢险救灾及应急管理预案等防洪基础信息，统筹考虑防洪、发电、航运、水资源、水生态、应急管理等调度需求，构建基于云平台技术架构的，以大数据分析为支撑的综合防汛指挥决策平台，实现预测预报、优化调度、信息服务、会商决策的一体化和智能化，全力提高预报精度，延长预见期，提高调度决策能力，为防汛抗洪工作提供可靠支撑。在抗旱方面，集成气象、水文、农情、遥感等多源干旱实时监测信息，以及作物分布、生长阶段、灌区分布、抗旱水源等抗旱基础信息，通过分区、分阶段干旱监测指标筛选及阈值优选后，实现干旱监测指标和旱区基础信息相结合的网格化、标准化处理，形成集受旱分布、程度、面积，以及历史对比分析、可用水源、可调水量、物资仓库、抗旱队伍等干旱信息于一体的全国旱情综合评估一张图，支撑各级抗旱部门及公众进行旱情核实、预警发布、指挥调度和协同抗旱，最大程度地减少干旱损失。

b. 智慧水资源管理。围绕水资源开发利用、城乡供水、节水，依托国家水资源监控能力建设、地下水监测工程等项目，充分利用大数据、物联网、移动互联网和人工智能等技术，构建水源、取水、输水、制水、配水、排水等水资源开发利用各环节涉水信息智能感知体系，实时掌握全环节水量、水质、水生态和水效率等涉水信息，建立水资源大数据分析平台，开发水资源及其开发利用的评估、诊断、预报、分配和调控等智慧应用，构建重用水、耗水、定额、效率测算体系，构建支撑用水总量、效率控制，以及计划用水、定额管理等业务的数据体系，推动水资源管理从统计向监测，从宏观向精准定向转变，从静态管理向动态管理转变，从经验管理向科学管理转变，实现业务关联、上下贯通、点面结合的水资源科学调控，协同管理，精准施策和主动服务，支撑城乡安全供水和最严格水资源管理制度实施。在节水方面，特别是针对耗水大户实施智慧灌区，通过对天气状况、土壤墒情、水源条件、灌溉设施等全面实时监测，结合作物生长规律，计算出最优灌溉方案，进而通过自动控制设施进行精准灌溉，实现节水与农业增产、农民增收双赢，实现高效节水。

c. 智慧水工程。在水利工程建设方面，运用监测感知、BIM、智能识别、云计算、物联网、移动互联网等技术[10–11]，根据水电工程建设特点，实现工程建设的信息化、数字化、智能化；以大数据和遥感等技术推进安全生产、市场信用的主动监管，提升水利工程建设监管效率和决策支持能力。在水利设施运行管理方面，结合除险加固和提质升级改造，综合应用导航定位、传感等技术对水工程进行安全监测及运行状态全面感知，及时掌握工程状况，分析诊断异常情况。在发生超标准洪水、强震或大型山洪泥石流的情况下，要利用大数据技术分析相关数据和历史类似险情，提前应对并及时处置，保障工程及相关地区安全。

d. 智慧水土保持管理。采用遥感调查、定位观测与模型计算相结合的技术方法，及时收集流域水文、气象、遥感等信息，准确全面动态监测人类活动，分析生产建设项目地表扰动、水土流失状况、水土保持综合治理效果，推进水土流失智慧化动态监测监管。

e. 智慧河湖监管。利用遥感、视频、互联网等技术，构建江河湖泊水域及其岸线的违规占用、采砂、取土、堆放、建设等涉河湖行为监控体系，共享水文、环保等领域涉河湖数据，实现河长制湖长制有效监管的常态化、数字化、规范化，为河长湖长履职考核，河湖整治效果评估，河湖水生态保护与修复评价提供支撑。

另外，智慧水利还体现在水利公共服务领域，为社会公众提供更便利、高效的水信息服务。

4 智慧水利推进策略

智慧水利是水利现代化的重要标志。智慧水利建设要求迫切，任务繁重，技术要求高，推进难度大，在智慧水利建设上需要水利部统一规划，统筹中央和地方，统筹各个专业领域，全行业协力推进。加快智慧水利建设，需从以下几个方面着力抓好落实：

1）高层次推动智慧水利建设。智慧水利建设对于完善水治理体系，提升水治理能力，驱动水利现代化具有重要战略意义，是当前和今后一段时期水利工作的重要任务。这项工作涉及面广，协调难度大，事关工作模式改变和业务流程再造，须主要负责同志亲自挂帅，协调整合资源，集中力量攻关，才能有效推进。

2）高起点谋划智慧水利建设。智慧水利建设是一项复杂的系统工程，要作为一个有机整体通盘考虑。从层级上既要考虑智慧机关，又要考虑智慧流域，还要考虑区域智慧水利，专业亦要实现统筹兼顾。抓紧制定智慧水利建设总体方案，科学确定目标任务，合理设计总体架构，构建统一编码、精准监测、高效识别的网格，高起点做好顶层设计。

3）高标准夯实智慧水利基础。由于智慧水利涉及的数据和业务快速增长，信息技术发展日新月异，信息基础设施后续改造提升的困难较大，要改变以往单要素、少装备、低标准的做法，适应智慧水利建设的需要，统筹全局，着眼长远，构建适度超前的智慧水利技术装备标准，为技术进步、功能扩展和性能提升预留发展空间。要构建全要素动态感知监测体系和天地一体化水利监测监控网络，实现涉水信息的全面感知。要建设高速泛在的信息网络和高度集成的水利大数据中心，实现网络的全面覆盖、互联互通和数据的共享共用。要建立多层次一体化的网络信息安全组织架构，同城和异地灾备体系，以防为主、软硬结合的信息安全管理体系，保障网络信息安全。

4）高水平推进智慧水利实施。智慧水利是一项全新的复杂的系统工程，必须充分发挥外脑优势，集中各行各业人才资源。联合和引入有经验、有实力的知名互联网企业，参与到智慧水利建设的规划、设计和实施等各个阶段，保证智慧水利建设的先进性。建立多层次、多类型的智慧水利人才培养体系，创新人才培养机制，积极引进高层次人才，鼓励高等院校、科研机构和企业联合培养复合型人才，形成多形式、层次、学科、渠道的人才保障格局，打造智慧水利领域高水平人才队伍。

5）创新智慧水利建设投入机制。按照智慧水利建设和发展需求，在统筹利用既有资金渠道的基础上，积极拓宽项目资金来源渠道，强化资金保障，以推进智慧水利基础设施建设。探索可持续发展机制。吸引社会资本，以政府购买服务、政府和社会资本合作等模式参与智慧水利建设和运营，推动技术装备研发与产业化。鼓励金融机构创新金融支持方式，积极探索产业基金、债券等多种融资模式，为智慧水利建设提供政策性金融支持。