智慧水利感知体系建设思考

郭华 1 储梦溪 2 马浩琛 2 何莉 *2

2.深圳大学机电与控制工程学院 广东省深圳市 518060

摘要：智能感知为智慧水利建设提供数据支撑。本文从智慧水利内涵与需求出发，探讨了智慧水利建设的解决思路，进一步提出感知体系建设思路，最后围绕智慧水利建设中感知网建设作了有益思考，以期为基础数据应用的加载提供全面、可靠、长效的数据支撑，实现“十四五”规划确定的建设目标、建设任务。

关键词：智慧水利；数字孪生；智能感知

Reflection on Perception System of Smart Water Conservancy

GUO Hua ¹, CHU Mengxi ², MA Haochen ², HE Li ^*2

(1. Shenzhen Dongshen Electronics Co., Ltd., Shenzhen Guangdong, 518057 ; 2. College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen Guangdong; 518060)

Abstract: Intelligent perception is an important foundation and data support for constructing the digital twin system of the smart water conservancy. Considering the intension and demand of smart water conservancy, this paper discusses the solution of smart water conservancy construction, further puts forward the framework of the perception system, and finally makes beneficial thoughts on the construction of perception network in smart water conservancy construction, which is in order to provide comprehensive, reliable and long-term data support for loading the application based on the basic data, and realize the construction objectives and tasks determined in the 14th five year plan.

Keywords: Smart water conservancy; Digital twin；Intelligent perception;

0 引言

水作为国家的自然资源和经济资源，对于生态环境起到了至关重要的作用。2021年11月，水利部《"十四五" 期间推进智慧水利建设实施方案》指出：加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，通过建设数字孪生流域体系、“2+N”水利智能业务应用体系、水利网络安全防护体系、智慧水利保障体系，推进水利工程智能化改造，建成七大江河数字孪生流域，建成智慧水利体系1.0版^[1]。

智能感知被应用于水环境、水利工程设施运行状态监测，以及水利管理活动信息化建设等^[2-3]。黄跃文等研发了智能传感器、智能采集单元和物联网感知平台，形成了大坝安全监测全生命周期智慧解决方案^[4]；耿磊等基于空天地感知监测手段开展流域水事管理，强化了水资源管理、河湖监管、水旱灾害防御等方面的业务管理能力^[5]。

智能感知是智慧水利数字孪生系统构建的重要基础和数据支撑，但与解决水资源、水生态、水环境、水灾害四大水问题的透彻感知要求尚有差距。因此，本文从智慧水利深层内涵及面临的问题出发，探讨智能感知系统的稳定性、鲁棒性、可靠性、可持续迭代性建设原则，提出建设思路，以期通过信息化技术的支撑，建立完善的智慧水利管理与服务系统，为水利部门、公众提供良好的智慧服务。

1 当前存在问题

智慧水利是利用传感器装置和技术测量感知水利时空信息、流域水情、设施设备运行状态、以及气候气象等，实现实时监控、动态记录和远程管理。通过融合BIM、GIS等技术构建水利工程数字孪生体，实现工程建设从微观到宏观的多尺度精细化管理^[2]。

信息是智慧水利的重要支撑。就当前技术发展而言，已实现各类传感器研制，也提供了多种感知方式，前期大江大河、湖泊水库数字水利自动化建设已积累了大量开发和应用经验，也收集了大量运行数据。然而，各种感知设备、处理方法、数据应用层次尚浅，还不能完全适用于水利管理的动态变化、相互作用的现实。流域水情与气候变化关系密切，设施状态也与降雨量、水位、风速等都存在错综复杂的动态关系，本质上，水资源、气候、水环境、水利设施设备等构成了高维、非线性系统，呈现出动态性与复杂性，水利行业业务发展及需求也不断提升。面向智慧水利宏伟构想，智能水利感知网的建设还存在一些薄弱环节

^[5]。为适应智慧功能的提升和建设标准的提高，其底层感知网的建设需要引起足够重视。以下将从智慧水利对感知层面多个方面存在的需求做一个分析。

1.1感知数据支撑不够

水利行业不同业务领域关注的感知对象及要素不尽相同，传统水利管理对象描述的数据多是孤立无序、缺乏群体性，工程系统的应用往往局限于各工程管理单位，不同工程的业务系统信息共享和业务协同困难,数据资源的综合利用不足，缺少感知平台对数据综合分析利用，形成信息孤岛，难以实现全面完整的系统认识，造成较大浪费。

数字孪生技术在信息空间中对流域要素、外部设备、环境等实体进行复刻，在虚拟空间中形成映射，需要大量高精度感知设备获取流域、水库等基础数据生成BIM、GIS、孪生等数据^[5]。时间尺度上跨度大，反映全生命周期过程，并处于实时交互。因此，面向智慧水利建设的新使命，需要扩大感知及监测范围，提供全覆盖、高精度、高时效、长时间序列的感知功能，获取有效数据以保障流域智能运行、精准管控和安全运转。

1.2感知数据利用率较低

随着传感器技术的提升，感知手段日益丰富，但当前感知技术手段也存在较大差距，自动化程度不高。为适应智慧水利建设要求，必须重视感知技术及其数据处理的相关研究，充分发挥各感知设备功能，以实现对自然水系、水利工程、水利管理活动对象等数据完整采集及治理。通过卫星、雷达、无人机、遥感、遥控船等新型遥感监测手段，以及高清视频监控的应用，实现面向高空、低空、地上、水面的空天地网一体化、全方位、多角度监测。

另一方面，水利行业内部的专业部门间信息共享不足，行业外部与环保、交通、国土等部门数据也难以实现数据实时共享，可以针对不同传感器、不同时空尺度的多来源、多类型、多尺度的数据，充分利用大数据的全样本描述、擅长规律分析和关联分析、快速实时处理等优势，加以科学分类和分析，面向治水业务需求，通过数据共享与融合形成高质量的水利大数据，将分散在跨层级、跨行业、跨部跨系统等涉水数据进行融合与同化，为复杂环境下水利精细化运行管理提供信息支持^[6]。

1.3后期维护成本高

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、智慧功能尚未得到充分显现。水利管理对象点多面广、且高度分散，尤其郊区和偏远地区，无电场景多，无光纤，无通讯信号，导致取电取网成本高、人力巡检效率低维护难，智能化水平低、维护成本高甚至监管空白等问题，这对于智能水利建设连续、长时效、高精度感知要求而言，显得更为重要且不容忽视。

传感器要做到远程可维护或免维护，需要采用先进工艺和加工设备，研制低运行功耗，低通信功耗、支持新能源供电方式的感知设备，最大限度地减少能量消耗，以支持长期捕获信息和传输数据。传统机房多采用单独部署方式，无法高效合理的利用硬件计算资源，也不利于未来水库信息系统的拓展、大数据的综合分析与处理、以及智慧水库信息系统的业务发展需求。采用模块化设计，降低运维成本，通过远程、宽环境、快速部署，实现精准化定位和智能化、高可靠、免维护。边缘站点实行统一管理，无需值守，河道沿线、水库无网无电场景组网、支持点对多点灵活组网，解决无网场景可靠传输，实现对流域范围内河流水系、水利工程和水利管理活动等水管理对象的全域全时空立体感知监管监控、智能预报预警。

2 智慧水利感知体系建设

2.1 智能感知建设原则

针对此，本文提出从稳定性、鲁棒性、可靠性、可持续迭代性等方面加强智慧水利感知层建设。

（1）稳定性

建设智能化感知平台，获取感知设备实时运行状态，对运行状态异常的设备进行及时维修或更换。加快传感器硬件升级，做到自检、自查，遇异常主动向感控平台发送信息，布设更加稳定可靠的传感器。

（2）鲁棒性

感知设备往往暴露在较为恶劣的环境中，通常会存在许多外界干扰。提高智慧水利感知系统的鲁棒性，提升感知设备的自我学习和感知能力，能主动感知外部环境的变化，使其具备独立处理复杂信息的能力，做出自己的决策。

（3）可靠性

利用高性能、高精度传感器采集数据，对数据接收的准确性、误码率、畅通率进行统计与分析，以便于维护、改进软硬件工作环境和系统通信方式。利用遥测数据与实时感知的融合技术，增强数据的时效性与准确性。

（4）可持续迭代性

将各种新型技术手段应用到智慧水利感知系统建设中，提出可落地、可推广、可迭代的技术应用手段和解决方案。采用分布式部署，使用标准统一的接口通信，降低模块间耦合度，定期维护及评估感知设备；持续优化监测分析技术，持续训练和学习安全数据，提高准确率，降低误报率。同时，持续升级感知系统软、硬件性能，加快建设空天化一体的立体感知体系，为智慧水利的感知、数据服务提供支持。

2.2 关于智能感知网建设的思考

传统各自为政的点式离散感知难以支撑智慧水利建设，考虑到水利建设的公益属性，智慧水利智能感知建设需要国家统筹考虑并兼顾地区资源和需求的差异。同时，新的感知需求要求新的技术，可能需要从原理、材料、技术和设备展开研发，鼓励高科技企业在相关的新技术、新装备研发和跨领域跨学科技术转化。并从系统考虑角度开展示范性，进行推广应用，初步形成规模和可行模式。

系统建设方面，当前和今后一段时期的工作重点是要完善网络环境，提升网络安全态势感知和应急处置能力；加强信息系统基础设施建设，保障水利大数据、信息汇集以及信息系统的运行，为智慧水利的发展保驾护航；加快水利云平台建设，提升水利在线网络储存能力和计算分析能力，支持海量数据管理并提供公共服务支撑功能，减少托管和维护工作成本。

3 总结

智慧水利建设是认真落实国家“十四五”规划纲要的重要工作，也是水利现代化的重要内容，是实现水资源和水工程科学利用、高效管理和有效保护的基础和前提。随着数字孪生技术的不断发展，它已经在各行各业取得了进步和突破，而它在水利方面还处于初级阶段，要想实现虚拟场景与现实状况完全孪生，还需将智慧水利平台与GIS、BIM技术更好地融合。本文提出了为最终全面实现智能水利宏伟蓝图的智能感知系统的建设思路，以期为智慧水利数字孪生平台的构建提供支撑，为智慧水利的建设提供科学参考。

参考文献

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[2]尤林奇, 王楠, 陶玉波, 等. 基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法及应用[J]. 水电能源科学. 2021, 39(08):169-173.

[3]朱德军, 李浩博, 王晓明. GNSS遥感技术在智慧水利建设中的应用展望[J/OL]. 水利水电技术（中英文）（2022-04-06）[2022-04-09]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1746.TV. 20220402. 1627.002.html

[4]黄跃文, 牛广利, 李端有, 等. 大坝安全监测智能感知与智慧管理技术研究及应用[J]. 长江科学院院报, 2021, 38(10): 180-185.

[5]张绿原, 胡露骞, 沈启航, 等. 水利工程数字孪生技术研究与探索[J]. 中国农村水利水电. 2021, (11):58-62

[6]冶运涛, 蒋云钟, 梁犁丽, 等, 智慧水利大数据理论与方法[M] , 2020年, 科学出版社出版

作者信息：郭华，男，高级工程师，E-mail: [e-mail]

基金项目：广东省教育厅重点领域专项项目（2020ZDZX1052）深圳市科创委稳定支持计划（20200809215801001）

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