智慧水利相关技术研究进展

智慧水利相关技术研究进展目

录1234智

慧

水

利

简

介相关技术研究进展应用实践与分析总

结

与

展

望#1

智慧水利简介

现代水利水利信息化（网络化）

水利智慧化（水联网）

传统水利水利自动化详见：倪建军,

et

al.

水联网与水利信息化理论探讨及应用实践.

水利信息化,

2016(4)一、水利信息化的发展历程

1、水利信息化发展脉络一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件（1）金水工程一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件（2）数字黄河Ø

2003年，水利部正式批复《"数字黄河"工程规划》和《"模型黄河"工程规划》，标志三条黄河进入全面实施阶段。Ø

三条黄河：原型黄河、模型黄河、数字黄河一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件（3）感知太湖Ø

2010年，无锡市"感知太湖•智慧水利"项目通过中科院专家论证，正式开始进入实施阶段。一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件

（4）2011年中央一号文件Ø

目标任务。力争通过５年到１０年努力，从根本上扭转水利建设明显滞后的局面。Ø

同一年：水利部发布《关于开展推进水利现代化试点工作的通知》，确定江苏省为唯一一个省级区域水利现代化试点省份。一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件（5）2016年，河长制Ø

2016年12月，中国中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，并发出通知，要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。一、水利信息化的发展历程2、水利信息化大事件（6）2019年，鄂部长在全国水利工作会议上的讲话Ø

中心思想：工程补短板、行业强监管，奋力开创新时代水利事业新局面Ø

其中特别指出：要加强水文监测站网、水资源监控管理系统、水库大坝安全监测监督平台、山洪灾害监测预警系统、水利信息网络安全建设，推动建立水利遥感和视频综合监测网，提升监测、监视、监控覆盖率和精准度，建设水利大数据中心，整合提升各类应用系统，增强水利信息感知、分析、处理和智慧应用的能力，以水利信息化驱动水利现代化。二、智慧水利简介1、物联网+人工智能=？

物联网可以被概括地描述为无数物体、动物，甚至人与互联网实现无线连接。这些“节点”可以在没有人为干预的情况下发送或接收信息。有人估计，到2020年，接入物联网的设备将多达500亿台。当人工智能遇上物联网会带来什么？

当这些数以百万计的嵌入式设备连接到

人工智能机器，会发生什么？

人工智能+物联网=？是否正如我们所担心

的，将意味着文明的末日？二、智慧水利简介2、物联网+人工智能的实际案例思考：什么是真正智慧化？二、智慧水利简介3、智慧水利的定义智慧水利=物联网+人工智能+水利应用定义：物联网在涉水行业的具体应用

特点：更透彻的感知、更全面的互联互通以及更高的智能

目的：为实现真正的智慧水利服务水联网智慧水利二、智慧水利简介4、水联网与智慧水利的关系分析二、智慧水利简介5、智慧水利与数字水利之区别l

清华大学陈阳宇教授：Ø

数字水利是传承水信息学的进一步发展，是2000年以来发展了的现代水信息学。Ø

它从解决水问题的实际需求出发，以水循环的仿真模拟为基础，

综合汲取运用水科学、信息科学、系统科学和社会科学最新研

究成果，服务于提高水事活动效率和效能的目标，为水利现代

化提供技术支撑。二、智慧水利简介5、智慧水利与数字水利之区别l

郑州大学左其亭教授Ø

“水利４.０”即为“智慧水利”阶段，时间上预计在２021-2050年前后。Ø

该阶段的特点是以丰富的水利经验为基础，充分利

用信息通讯技术和网络空间虚拟技术，使传统水利

向智能化转型。摘自：左其亭.中国水利发展阶段及未来“水利４.０”战略构想.

水电能源科学,

2015,

33(4)二、智慧水利简介4、智慧水利与数字水利之区别

l

主要区别Ø

数字水利是智慧水利的基础；Ø

智慧水利是数字水利的发展。Ø

主要区别在于是否有“智慧”

。什么是“智慧”？三、智慧水利发展展望n

破解智慧水利瓶颈，需要从以下几个方面入手（1）标准与规范问题（2）技术问题（3）人才问题（4）安全问题（5）体制与观念问题详见：倪建军,中国水利报，2018年3月8日版#2

相关技术研究进展一、智慧水利发展相关核心技术第七次信息革命？现在我们正经历着一场信息革命。这不是在技术上、机器设备上、软件上或速度上的一场革命，而是一场“概念”上的革命。以往50年信息技术的重点在“技术”上，目的在于提升信息传播范围、传播能力和传播效率。而新的信息革命的重点将会在“信息”上。——彼得·德鲁克

《21世纪的管理挑战》一、智慧水利发展相关核心技术nnn目前，信息技术已经成为推动全球产业变革的核心力量，并且不断集聚创新资源与要素，与新业务形态、新商业模式互动融合，快速推动农业、工业和服务业的转型升级和变革，全新的工业经济发展模式正在到来。云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能（“云大物移智”

）等新一代信息技术的发展正加速推进全球产业分工深化和经济结构调整，重塑全球经济竞争格局，并驱动我国数字经济发展。新一代信息技术的发展，

为建设智慧水利提供了全方位服务，为应对全球水问题提供了新的解决手段和方案

。l

现在，“云计算”越来越成为人们所关注的一个名词，因为它代表了信息时代的未来。l

云计算被视为科技业的下一次革命，而它也将对

工作方式和商业模式带来根本性的改变。那么，

什么是云计算？云计算有什么用处？l

云计算不能算是一个全新的概念，它是并行计算、分布式计算和网格计算的综合和发展。二、云计算技术1、什么是云计算n云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，

进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。二、云计算技术2、云计算定义

Ø

对云计算的定义有多种说法。对于到底什么是云计算，至少可以找到100

种解释。

现阶段广为接受的是美国国家标准与技术研究院（NIST）定义:二、云计算技术3、云计算服务及应用

基础设施即服务（IaaS，Infrastructure

as

a

Service）平台即服务软件即服务桌面即服务网络即服务（PaaS，Platform

as

a

Service）（SaaS，Software

as

a

Service）（DaaS

，Desktop

as

a

Service）（NaaS

，Network

as

a

Service）大数据即服务

（BDaaS

，BigData

as

a

Service）…

欧盟

（2009）

将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。国际电信联盟ITU（2005）

From

anytime,

any

placeconnectivity

for

anyone,

wewill

now

have

connectivity

foranything。（任何时间，任何地点，任何人，任何事之间建立连接。）

麻省理工

（1999，首次提出）

将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。三、物联网技术1、物联网的定义（Internet

Of

Things）三、物联网技术2、物联网的体系结构四层体系架构四、移动互联网1、什么是互联网Ø

互联网（英文Internet），又称网际网路，根据音译也被叫做因特网、英特

网，是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相

连，形成逻辑上的单一且巨大的全球化网络。Ø

在这个网络中有交换机、路由器等网络设备、各种不同的连接链路、种类繁多的服务器和数不尽的计算机、终端。Ø

使用互联网可以将信息瞬间发送到千里之外的人手中，它是信息社会的基础。从技术层面的定义：以宽带IP为技术核心，可以同时提供语音、数据、多媒体等业务的开放式基础电信网络从终端的定义：用户使用手机、上网本、笔记本电脑、平板电脑、智能本等移动终端，通过移动网络获取移动通信网络服务和互联网服务四、移动互联网2、移动互联网定义

移动互联网就是将移动通信

与互联网两者结合起来，发

挥各自的优势，融为一体。四、移动互联网3、5G技术介绍Ø

5G通俗的来讲就是一项无线通信技

术，可以通过无线电波传递交换数据，

高速度是它的最大特点，比如下载一

部1G的电影只要几秒钟，比现在我

们使用4G的网络有着数十倍的差别。Ø

5G特点：高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联、重构安全。五、大数据技术1、什么是大数据

所谓“大数据”（big

data）指的是这样一种现象：一个公司日常运营所生成和积累用户

行为数据“增长如此之快，以至于难以使用现有的

工具来驾驭，困难存在于数据的、、、、和等方面。”这些数据量是如此之大，已经不是以我们所熟悉G或T为单位来衡量，而是以或

为计量单位，所以称之为大数据。五、大数据技术2、大数据的特点（4V）

（1）多样性Variety

（2）体量Volume（3）价值密度Value（4）速度Velocity2010年人类拥有的信息总量是1.2Z（1Z=10243T）,2020年将突破35Z,增长近20倍。大数据之“大”，其实并不在于其表面的“大容量”，而在于其潜在的“大价值”。数据产生的速度快、数据处理的速度快。1

12

严格定义：目前还没有，因为

智能本身也还无严格定义。一般解释：人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上六、人工智能

1、人工智能定义

实现的智能，或称机器智能。详见：倪建军

主编.

人工智能与机器人,

科学出版社，2019

机器感知

要让计算机具有类似于人的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉；

机器感知相当于智能系统的输入部分，主要包括：机器视觉、模式识别、自然语言理解。

机器学习

让计算机能够像人那样自动地获取新知识，并

在实践中不断地完善自我和增强能力。

机器思维

让计算机能够对感知到的外界信息和自己产生

的内部信息进行思维性加工。

主要包括：推理、搜索、规划等方面的研究。

机器行为

让计算机能够具有像人那样地行动和表达能力，如走、跑、拿、说、唱、写画等。

机器行为相当于智能系统的输出部分。六、人工智能2、人工智能主要研究内容七、小

结Ø

总体来看，“云大物移智”

代表着信息技术的大融合，大变革。Ø

在“基建时代”，云计算本质上还是传统IT（Information

Technology，信息技术）；到了“应用时代”，它变成新的IT（IntelligenceTechnology，智能技术）。在云计算发展早期，它与大数据是割裂的。而到了应用时代，云计算、大数据和AI（人工智能）开始深度融合。Ø

智慧水利是以云计算为平台，移动互联网、物联网为终端，大数据为核心应用的水利（水务）综合信息系统。#3

应用实践与分析一、基于物联网的水利信息化平台综合架构二、水源地水质监控系统实践1、关键技术与难点二、水源地水质监控系统实践2、工作亮点亮点1：基于智能手机的水环境自动巡查u

手机进行现场视频、音频同步

交互传输，实现指挥中心远程

指令的可视对讲指挥的需求；u

可以进行直播，也可以实现本地存储；u

方便、使用、投入少。二、水源地水质监控系统实践2、工作亮点亮点2：云平台的使用u

由于水源地比较分散，监测的相关数据由DTU通过4G网

络直接发送到云端数据库；u

为了减少基层水利部门的投入及信息系统维护成本，视频流媒体服务的功能也采用租用云平台的模式。二、水源地水质监控系统实践2、工作亮点亮点3：人工智能技术应用u

智能语音识别：在进行巡查过程中，

为了实现快速录入，支持语音输入与

智能识别，减少基层巡查人员劳动强

度。u

水污染事件智能诊断：系统中采用基

于人工智能故障诊断技术，可以精确

区分传感器故障与突发水污染事件。三、智慧河长制平台解决方案1、解决方案全景图三、智慧河长制平台解决方案2、解决方案系统架构四、其他应用实践1、水利枢纽三维动态展示平台可将实时监控数据与三维动态展示相结合。四、其他应用实践2、基于智能眼镜的关键设备远程维护Ø

基于智能眼镜的设备现场维护系统，相关领域专家进行远程

指挥，本地工程师现场操作，完成远程故障恢复等功能。Ø

节约时间、降低成本、提高效率。••••••多种水质参数采集，目前只支持常规五参数。自主导航、自主航行，可按设定路线自动到达指定地点。根据GPS实现定位，完成任务后自动返航。可以接受手动遥控操作，完成航行和水质参数采集任务。可以接受地面基站的各种指令，完成定位、姿态调整等任务，可实现水质数据、视频信息等实时监控和存储功能。具有一定的自保护功能，包括避障、电池电量报警等。四、其他应用实践

3、基于无人船的河道自动巡查

1）无人船主要功能3、基于无人船的河道自动巡查2）无人船实际系统开发四、其他应用实践四、其他应用实践

4、基于深度学习的智能河道管理

1）深度学习技术nn传统的计算机视觉问题：图像分割和关键点检测，由于局部区域包含信息量有限，往往产生分类错误。深度模型具有强大的学习能力，高效的特征表达能力，从像素级原始数据到抽象的语义概念逐层提取信息。4、基于深度学习的智能河道管理四、其他应用实践2）识别结果智慧水务:管理员监控水管网各项指标地理信息系统SCADA系统外部数据源如天气预报水网地图天气预报流量计液位变送器数据集成展现KPI模型KPI热点图KPI下钻展现传感器读数传感器历史趋势下水管道设备监控地图地理信息系统SCADA系统外部数据源如天气预报水网地图天气预报流量计液位变送器数据集成语义模型设备列表智慧水务:管理员监控水管网各种设备地理信息系统SCADA系统外部数据源如天气预报水网地图天气预报流量计液位变送器数据集成展现事件规则设备/事件地图事件列表传感器历史趋势智慧水务:管理员监控污水溢出预警地理信息系统SCADA系统外部数据源如天气预报水网地图天气预报流量计液位变送器数据集成展现工作流第一步:领导批准第二步:创建工单第三步:工单优化排程第四步:确认完成领导管理员系统自动/管理员维修工智慧水务:多方协同处理污水溢出事件智慧水务:产销差综合分析面临的挑战产销差水为水务公司日常运营活动带来可观的运营损失。如何减少产销差，减少运营损失，提高经营利润成为水务公司迫切需求如何通过产销差数据分析，进行运营优化控制，成为产销差控制技术难点解决手段利用二次供水（或远程水表）监测数据，利用时间序列分析算法，构建小区的月用水量周期模型；对于有全年数据的情形：利用月用水量的周期模型，对小区的年总量进行细分，降低人工经验分割的波动；对于部分月份数据的情形：对IC卡用户，分析充值交易记录，得到月用水量；根据水表或流量计的部署位置，结合网络拓扑，利用图分析算法，进行一个最佳的分割，极大化每个分区间的独立性；对于重叠部分，按照水费平均分摊供水区域对比分析时间趋势分析改进措施效果评价产销差计算模式分析预防性维修优化动态水压控制泄漏检测现状洞察控制优化二次供水监控数据二次供水小区的月提升水量计算小区月用水量周期模型IC卡水购买交易记录月消费折算（平均分摊）基于多年数据，得到月消费周期模式基于整年水费数据，修正月用水量当前周期的用户水费的折算人工收费交易记录大用户远程水表数据当前周期收入计算智慧水务:管网风险预测供水系统面临的挑战管网爆管/泄漏事件频繁，中等城市每年有上百起水管网事故，大大影响着城市的正常运营；水泄漏率高，中国城市的平均水泄漏率为21.5%。解决手段建立基于历史维修数据分析的管网风险预测系统；重点维修2%的高危管道，可减少20%的泄漏事件；准确度比人工经验提高3～10倍；提高预防性维修的针对性，降低泄漏率；投资较低，不安装额外的设备和仪表；1、管网GIS系统2、维护工单和故障报告3、其他历史数据a.数据质量分析b.故障预测模型c.故障风险评价及可视化1、预防性维护计划2、维护工单派发智慧水务:管理员优化操作流程，减少人工成本功能展示:

优化工作人员的时间表，最小化无效工作时间，最大化生产力水管理员和监督员最优化安排工作人员:

图形化交互操作

时间安排选项

手动自动使用最优算法带更多优化的工单分析查询过滤

公共服务优先级资产和它的现状类型人员位置优化过的工单计划表地图显示未被安排的和已安排的工单，并用不同色彩标记人员分配未被计划的工单列表智慧水务:

管理员通过可视化的方式监测用户用量功能展示:

用水量的可视化展现及用水模式分析水管理员获得全市的账户、资产和工单可视化信息:

账户和工单的空间地理可视化

分类和过滤信息以便更容易了解和分析

通过报表显示趋势客户账户地图平均耗水量在前10%的客户账户详细信息未计划安排的工单地图通过在地图上选择的方式选择需要处理的工单智慧水务:通过节水门户，帮助用户识别用水模式，提倡水资源可持续利用智慧水务:水环境安全预警两大系统水环境安全预警Web系统水环境安全评价模型构架工具三类用户公众：提供流域水环境的全面、实时展示，提高公众在水环境保护上的互动专家：通过实时监测、精细评价、溯源分析、场景模拟，防患于未然决策者：通过全面、动态、实时的数据展示和可视化展示，保证流域水环境的全程可视可控和统筹规划五项功能公众门户现状监控评价预警事故应急蓝藻监测三大技术特点开放式架构：支持与不同数据源的整合科学的风险评价方法：采用国际标准框架，运用一系列严谨的群决策算法（熵权、AHP、聚类分析），降低专家的个体偏差强大的扩展能力：可对不同类型公共水域水环境进行监测智慧水务:河流水环境实时监控融合采集的数据信息“创建“可视化的虚拟河流科学家，教育工作者和政府决策者，通过由电脑综合数据形成的“虚拟”河，以进一步了解生态系统，观察沉积物和化学污染物，深入了解人类对水质和鱼类的迁移的影响。修定区域发展政策和模式传感器数据的收集和处理借助IBM的新的“流计算”技术，对分布式传感器网络收集到的实时的连续的物理、化学和生物数据流进行检查分类并按优先次序处理分布式传感器网络由移动和固定无线传感器（每个传感器都有自己的计算芯片）组成的一个分布式传感器网络，负责收集传送流域的物理，化学和生物的变化实时数据1996年，纽约州长柏德基签署了哈德森河河口管理法案，这是一个为长期保护和恢复河流生态系统（从特洛伊大坝到纽约港入海口）的全面蓝图。智