2025水利感知网技术蓝皮书

水利感知网技术蓝皮书定义水利感知基础设施数智化参考架构序《水利感知网技术蓝皮书》的发布，正值我国加快推进数字中国建设、构建现代化基础设施体系的关键时期。水是生存之本、文明之源，水利事业事关国家发展全局、事关长远战略安全、事关人民群众切身利益。党的二十大强调高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，并对加强网络强国、数字中国建设作出系列部署，为感知作为智慧水利的基石，是构建数字孪生流域、实现水利治理能力现代化的核心支撑。近年来，水利部坚决贯彻党中央、国务院决策部署，将感知体系建设作为智慧水利建设的重中之重，着力打造覆盖全面、精准可靠、智能协同的水利感知网络，为提升水旱灾害防御能力、优化水资源配置格局、保障国家水安全提供坚实的数据基础和《水利感知网技术蓝皮书》的编制，系统回应了国家战略与行业发展需求，首次从体系架构、技术路径、建设模式等方面，对水利感知网进行了全面梳理与顶层设计。本书立足于推动感知能力从分散粗放向统一集约转变，从单点监测向天空地网一体化协同演进，旨在引导全行业凝聚共识、统一路径、共建共享，助力构建高效、智能、安本书的发布，期望能为各级水利部门、科研机构及相关企业提供权威参考与实践指引，共同促进水利感知技术标准化、装备智能化、数据价值化、应用协同化，为推动道阻且长，行则将至。水利感知网建设是一项系统工程，需凝聚各方合力，持续创新、久久为功。愿本书成为一个新起点，激发更多创新实践，共同书写智慧水利建设ⅡⅡⅢⅢ 全要素感知是智能化的前提。2024年7月，水利部印发《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》的通知，推动构建“天空地水工”一体化的智能感知体系，实现水利对象全要素和治理管理全过程的监测感知，为数字孪生水利的高保真建设运行提供有力算据保障，支撑构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，驱动引领水利高质量发展。水利部南京水利水文自动化研究所编制110项水利感知相关的国家和行业标准规范，为水利感知基础设施规2024年9月，国务院发展研究中心、华为等19家单位联合发布了《感知网络体系架构与创新》，首次明确定义了感知网络体系是以“感知”为基础，以通信、云、AI为手段，构建的一个精准感知、集约共享、自主决策、持续演进的智能系统，为外场基础水利感知网作为水利行业感知网络体系的实体支撑，包含感知站点、感知联接、感知平台。本蓝皮书对水利感知网相关定义、特征进行阐述，并针对当前水利感知网的发展趋势、体系架构、建设指南和后续展望进行了分析。本蓝皮书旨在作为水利感知网Ⅳ01020304Contents 1.1政策牵引 21.2需求驱动 21.3技术发展 3 42.1整体架构 52.2感知站点 42.1整体架构 52.2感知站点 62.3感知联接 72.4感知平台 8 93.1感知平台：分级部署、弹性扩展 3.2感知联接：因地制宜、可靠组网 3.3感知站点：技术先进、高效实用 趋势与需求11党的二十大报告提出高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，并对建设网络强国、数字中国，构建现代化基础设施体系，提高防灾减灾救灾和重大突发公共事件处置保障能力等作出重要部署。习近平总书记在二十届三中全会重要讲话中提出“完善自然灾害特别是洪涝灾害监测、防控措施，织密社会安全风险防控网，切实维护社会稳定”。《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》提出“发展以高水利部全面贯彻党的二十大和二十届二中、三中全会精神，深入践行习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和关于治水重要论述精神，按照水利新质生产力和“需求牵引、应用字赋能、提升能力”要求，加快构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，加快推进雨水情监测预报体系和2024年5月27日，李国英部长主持召开水利部部务会议，要求加快构建“天空地水工”一体的监测感知体系，夯实数字孪生水利建设的算据基础。7月11日部以水信息〔2024〕178号通知印发《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》，其核心目标是通过构建“天空地水工”一体化监测感知体系，实现基本覆盖水利对象全要素和水利治理管理全过程，为具有“四预”功能的数字孪生水利体系提供全面、实时、精准、可靠的算据支撑。1.2需求驱动水利感知网是构建数字孪生水利体系的前提和基础，近年来水利监测感知网建设取得显著成效，但在支撑数字孪生水利体系数字孪生模型动态计算和业务仿真决策方部分中小河流、农村地区、偏远山区等区域的监测站点密度低，数据监测覆盖度不足，难以支撑构建全流域数02监测要素完整性待提升水文、水资源、工程安全等空间数据采集不全，亟需结合卫星遥感、无人机、雷达监测等新技术，扩大“天空地水工”监测覆盖尺度满足数字孪生对多尺度数据融合03数据时效性不足地化数据实时处理能力弱，导致数据传输量大、时效性04感知装备标准化规范化程度低各类感知数据格式、采集频率差异大，存储标准不统一，支撑数字孪生水利模型动态计算和业务仿真决策不05网络及数据安全水平不够水利网络安全面临的形势依然严峻，关键信息基础设施等重要系统仍存在风险隐患和薄弱点，以商用密码为基06感知站点装备智能化运维程度低当前水利感知站点多，智能化运维程度低，需要投入大量的人力和高频更换易损易耗品，运维不及时，直接影现有通信基础设施薄弱，5G、卫星等通信技术应用少，在极端天气突发情况下，通信链路易受到破221.3技术发展伴随5G、物联网、云计算、人工智能等新兴技术的发展，水利建设已经步入智慧化转型的新阶段。水利部多次在全国水利工作会等会议上提出：充分运用物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术，加快智慧水利建设。特别是要加强水安全监测体系建设，加快构建雨水情“三道防线”，完善大江大河及重要支流、中小河流、中小型水库、灌区、闸泵等测控体系，提升在传统传感技术发展的基础上，引入雷达、光谱、视频等近场技术，可实现多源数据融合；引入卫星遥感、航天遥感、低空遥感等技术，可获取面降水、水体面积、水质变化、地形地貌等大范围水利信息，为数字孪生水利建设提供大范围数据底板；引入分布式光纤传感等技术，可实现水利工程安全精准监测；通过多种技术手段02边缘计算技术基于开放式软硬件解耦平台，二次开发简单高效，行业应用随需部署，灵活扩展挂载传感器。在感知端进行数据处理（如异常检测、压缩、模型计算等），减少数据03基于IPv6的数据回传技术常规站点可以通过4G/5G+卫星双链路保障数据回传；固定监测站点（如大坝）可以通过光纤网络实时传输数据；多要素多点位局部监测区域可以通过Wifi/蓝牙等局部组网传输；基于IPv6实现感知泛化，通过网络切片实04物联网技术通过物联网平台统一水利终端管理，确保数据高效接入和共享，将各类水利监测设备连接起来，实现设备的互联互通和智能化管理，使水利感知网中的各个元素能够05人工智能技术利用AI算法对水利图像、视频数据进行分析，实现对水332水利感知网架构44水利感知网是智慧水利体系中的关键信息化基础设施之一，利用多维感知、物联网、大数据、人工智能等技术，实现对水文水资源、水环境、水工程等全要素的实水利感知网和水利信息网、水利云平台共同构成智慧水利的信息化基础设施，支撑水利数字孪生体系完成从物2.1整体架构水利感知网为水利感知基础设施数智化提供参考技术架构，是感知网络体系在水利行业的实例化应用与落地。水利感知网包含感知站点、感知联接、感知平台三层，同时应符合水利数据采集、传输、存储、治理及应用等在水利基础设施的相关重要点位按需部署具备感（感知监测装备）、接（传感器数据接入）、算（边缘计算）、传（数据传输）等功能的感知站点，强调多维融02感知联接据传递给感知平台，强调因地制宜、固移结合、高可靠03感知平台实现感知站点所采集的物联、视频、遥感等数据的汇聚及统一管理，并实现面向感知站点的设备管理，强调统图2-1：水利感知网整体逻辑架构水利云（感知应用）@政务云水利云（感知应用）@政务云水利信息网（水利信息网（WAN） 设备管理物联数据管理 设备管理物联数据管理视频数据管理遥感数据（北斗等）（4G/5G/NB-IOT/微波/超短波等）感算接算传水文监测水文监测水资源监测工程安全监测水土保持监测水环境检测水生态监测水生态监测河道采砂监管水域岸线监测…………水利感知网水利感知网552.2感知站点水利感知站点是数字孪生水利体系的末梢神经系统，主要基于水利测雨雷达、雨量计、水位计、流速仪、水质仪表、卫星、视频、无人机、无人船、光纤光栅等各种接触式或非接触式多维融合泛在感知技术，在时间、空间、精度、频次等方面协同融合，实现水利对象全要素和治理管理全过程纵向到底、横向到边的智能实时感水利感知站点可以分为感知装备、站点接入单元、边缘计算、站点传输单元四大模块，分别实现感、接、算、感感水利感知站点中的“感”是利用卫星遥感、雷达等现代传感技术结合传统声光电热磁技术，进行多维融合泛在感知降水、水位、流速、水质、大坝形变、位移、闸门开度等要素，实现对水文、水资源、水环境、水工程等全要素数接算接算水利感知站点中的“接”是传感器通过通信接口将原始感知数据传输到RTU或边缘网关等设备。传感器接入技术主要包含有线和无线两大类，其中有线常用技术有开关量、模拟信号、RS485串行通信、电力载波（PLC）等，无线常用技术有LoRa、ZigBee、NB-IOT、星闪等，需根水利感知站点中的“算”是边缘计算，实现现场数据处理，数据采集常用到边缘计算，简单的边缘计算包括数据的去误差、去异常处理，设备自检、升级和故障处理等，比较复杂的边缘计算包括ADCP的数据处理、视频AI处理等。边缘计算是为了减少数据的大量传输，提高现场数据传传水利感知站点中的“传”是通过站点数据传输单元将站点采集分析过的数据传输至监测平台。站点传输技术一般有三类：有线网络（以太网、光纤专网等）、无线网络（4G/5G、NB-IOT、微波、超短波等）和卫星短消息通信。02从对象视角来看03从业务视角来看水利感知站点可以分为水文、水资源、灌区、水利工程、水土保持、水环境、水生态、水域岸线、采砂管理04从部署视角来看水利感知站点可以分为面向流域的卫星感知全覆盖、面向区域的水利测雨雷达和无人机动态及时高精度感知、面向地面关键点位全天候实时精准感知、面向江河湖库水体动态及时高精度感知、面向水利工程动态及时高精662.3感知联接感知联接是联接感知站点和感知平台之间的双向通信网络，与感知站点中的数据传输单元对应，同样有络、无线公网、无线专网、卫星通信）感知联接技术，可以因地制宜，采用合适的技术或者多种技术结合表2-1：感知联接技术分类工业以太网：稳定、高速，支持ModbusTCP/IP等协议光纤专网：高带宽、低延迟、抗干扰，适合实时视频监控或4G/5G蜂窝网络：覆盖广、部署快，依赖基站覆盖NB-IOT：运营商网络，广覆盖、低功耗，感知设备直接回传，不通过RTU或网关微波/WIFIMesh：自组网、低成本，适合短距离多节点传输北斗短报文：支持短文本和传感器数据回传，按条收费，适合低频关键数据，一般用于的应急通信，或者作为关键感知站点的备份回传网络；VSAT/天通卫星：稳定高速，但月租费用高，适用大型水利工程的海量数据回传（如海外项目）感知联接侧需要提供与感知站点回传单元对应的数据中继传输和汇聚的通信网络设备，通过这些设备接入图2-2：感知联接逻辑示意图RTU/网关摄像头水位计雨量计水质监测温湿度工情监测RTU/网关摄像头水位计雨量计水质监测温湿度工情监测77有线网络连接感知联接侧提供以太网或光传输汇聚设备，将一个或者多个感知数据汇聚起来，再通过水利专网或者互联网传输至一无线公网联接无线专网连接无线专网联接，感知联接侧通过无线中继节点进行点对点或者点对多点自组网，将感知站点数据传输至无线汇聚节卫星通信联接感知联接侧通过通信卫星接收感知站点卫星终端上传的数据之后，再传输给地面卫星接收站，然后再通过水利专网2.4感知平台水利感知平台是水利感知网的业务边界终结点，向下通过感知联接层与感知站点相连，支持海量设备接入和采集数据上传，向上则通过水利信息网将水利感知监测数从业务视角看，水利感知平台可分为设备管理、物联数实现对设备的远程控制、参数配置、固件升级、健康状态监测等操作；并实现一张图管理全网所有感知站点的位置、在/离线状态、告警状态、设备状态，支持远程设备运维、状态实时监测、设备告警、故障定位定界、报表统计等功能，从而极大提高设备管理的效率和灵活性。此外，设备管理平台宜支持设备即插即用，实现Zero-Touch开局。03视频级联集控管理视频级联集控管理平台主要包括视频中心、智能中心和运维中心等功能模块。其中视频中心提供视频内容的接入、存储、治理、应用、共享等功能；智能中心提供智能算法导入、规则配置、任务编排、算力调度、算法共享等功能；运维中心提供水利视频监测站点在/离线状态监测、图像质量监测、设备资产管理、运维工单管理等04遥感数据管理采集水利行业遥感数据并分类存储，适当拓展外部遥感数据源，并对遥感数据进行预处理，满足遥感解译识别02物联数据管理物联数据管理是水利感知平台的核心功能，基于水利行业或地方标准数据通信规约，统一接收处理各类监测感知数据并存储入库，具备较强的并发处理能力，保障原始数据质量和完整性，提供适当的数据服务接口或功88C3水利感知网建设指南99水利感知网作为智慧水利体系的核心基础设施，其顶层设计需要构建“天空地水工”一体化监测感知体系，按照国家、行业信创相关政策规定和安全建设要求，实现分散建设易导致重复投资与资源浪费，通过制定省级或流域级水利设施专项规划，明确站点功能定位与空间布局，建立工程设计、数据接口等技术标准体源高效利用。建立跨部门、跨区域联席决策机制，保障规划落地。同时对现有站点通过改扩建或功能合并实现集约化；引入物联网、大数据技术构建管理平台，实现通过统一规划与集约建设，可提升水利设施综合效能，降低运维成本，同时增强流域水资源调控能力，为智慧水利感知平台宜采用一级（省级/流域级）或多级（省级-地市级-区县级）部署，实现分层分级管理，重点强调分级部署省级水利感知平台：主要实现对全省范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总；市级水利感知平台：主要实现对全市范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总，通过水利信息网（内网）与省水利厅的网络进行连接；区县水利感知平台：对于部分有条件的区县，还可以进一步下沉部署区县级感知平台，主要实现对全区/县范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总，通过水利信息网（内网）与省水利分部门分地域囚通过权限配置，满足不同业务部门用户需求。例如，省级水利融合感知平台可以支持水文、水利工程管理等不同业务主管部门使用，并进一步划分市、县地域用户的权02从技术视角看水利感知平台宜基于云或虚拟化层进行部署，重点强调资源池化基于云或虚拟化层管理异构资源，建设统一的硬件资源池，打破“烟囱式”系统架构，减少冗余投资，实现成本弹性扩展弹性扩展面向未来海量“天空地水工”感知站点的接入和管理，需3.2感知联接：因地制宜、可靠组网因地制宜采用以太网、F5G、4G/5G、Wi-Fi、卫星、有线网络传输宜优先租用运营商专线链路进行互联，所需网络连接设备应支持IPv6新型互联网协议和技术，如网络切片，随流检测，SRv6和SDN等。无线连接采用主流通信技术，如4G/5G技术，实现数据02可靠传输网络应具备可靠性保障措施，关键站点宜使用卫星通信技术作为备份通道。针对应急场景（如断路、断网、断电的“三断”场景），宜采用卫星通信、无线微波、超03算网协同水利感知站点感知涉及多种感知传感器，宜利用边缘计算实现中间数据的处理，只传输结果数据，降低对网络带宽和时延的要求，同时也更加有利于高频率的监测和3.3感知站点：技术先进、高效实用水利感知数据是构建数字孪生水利体系的前提和基础，建设技术先进、高效实用的感知站点，为数字孪生水利的高保真建设运行提供有力算据保障，支撑构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，驱动引领水利高质提升水文、水资源、水生态、水土保持、水工程等各类监测站网密度，提升降水、蒸发、流量、土壤水等要素监测覆盖度。开展卫星遥感在水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、冰湖凌情、水土保持、灌区管理、河湖库管理和蓄滞洪区等业务中的应02感知装备高效能开展高集成、高精度、低功耗、少维护、一体化、易安装、智能化的水利感知技术装备研制和装备应用，强化全要素、全量程、全天候自动监测及智能感知能力。开展高精度一体化智能雨量、水位、流速（流量）、水质等仪器研制，以及一体化小型农业供水监控设备与装置、便携式多参数水力学监测装备、微试剂或无试剂非接触型