王忠靜-水聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智慧水利的途徑

王忠靜清華大學(xué)土木水利學(xué)院

（副院長）清華大學(xué)-

寧夏銀川水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水聯(lián)合研究院（院長）亞洲水理事會水聯(lián)網(wǎng)智慧水利專委會（主席）水聯(lián)網(wǎng)

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實(shí)現(xiàn)智慧水利的途徑一

水聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)是智慧水利、智慧水利具體路徑需水聯(lián)網(wǎng):智慧水利是運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，對

水利對象，如：河流、湖泊、地下水等自然對象，水庫、水電站、水閘、堤防、灌區(qū)等水利工程對象，以及擋水、蓄水、泄水、取水、輸水、供水、用水、耗水和排水等水利管理活動進(jìn)行透徹感知、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息共享和智能分

析，為水旱災(zāi)害防范與抵御、水資源開發(fā)與配置、水環(huán)境監(jiān)管與保護(hù)、河湖生態(tài)監(jiān)督與管理等水利業(yè)務(wù)提供智能處理、決策支持和泛在服

務(wù)，驅(qū)動水利現(xiàn)代化的新型業(yè)態(tài)。智慧水利建設(shè)的主要任務(wù)（1）構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)（2）完善全面互聯(lián)高速可靠水利信息網(wǎng)（3）建設(shè)水利大腦（4）構(gòu)建創(chuàng)新協(xié)同的智能應(yīng)用（5）提升網(wǎng)絡(luò)安全體系（6）構(gòu)建多維并重的智慧水利保障體系《智慧水利總體方案》（水利部2019年7月）智慧水利2012年11月，

中國

水利

學(xué)會年

會大會特

邀報(bào)告

《基

于水聯(lián)網(wǎng)

及智

慧水利

提高水資

源效

能

》

，

提出水聯(lián)

網(wǎng)框架設(shè)想。“實(shí)時(shí)感知、水信互聯(lián)、過程跟蹤、智慧處理”

“準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、精確調(diào)度、高效管理、有效利用”水聯(lián)網(wǎng)（TheInternetof

Waters

，IOWs）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及到方方面面，包括工業(yè)、

物流、安保等，有效推動了這些領(lǐng)域的智能化發(fā)展，

合理的使用分配，從而提高了行業(yè)效率、效益。Ourworld

is

becomingINSTRUMENTED.Ourworld

is

becomingINTERCONNECTED.Allthingsare

becomingINTELLIGENT.物聯(lián)網(wǎng)(The

Internet

of

things)的概念最早于1999年由美國Auto-ID提出，農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、

使得有限的資源更加Smartsupply

chainsSmart

retailSmartenergy

grids水聯(lián)網(wǎng)的概念演進(jìn)Smarttraffic

systemsSmartfood

systemsSmarthealthcare智慧交通內(nèi)涵目標(biāo)：高效、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保

核心特征：（1）路況實(shí)時(shí)監(jiān)控（2）信息服務(wù)終端（3）交通指揮平臺（4）數(shù)據(jù)優(yōu)化處理智慧交通

與

車聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)感知、互

聯(lián)、分析、預(yù)

測、控制能力車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)l

2001年美國電力科學(xué)研究院提出了智能電網(wǎng)的概念；l

2008年11月，中美清潔能源合

作組織特別會議上開始使用“SmartGrid”，中國將之翻

譯為“智能電網(wǎng)”，并在國內(nèi)

統(tǒng)一推廣這一概念，以指導(dǎo)相

關(guān)研究的開展。深度整合智能電網(wǎng)

與

電聯(lián)網(wǎng)(電力物聯(lián)網(wǎng))感知、通信、

信息處理技術(shù)電力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)智能電網(wǎng)城市的各項(xiàng)功能與信息技術(shù)的深度融合自動控制、高效管理結(jié)合具體行業(yè)，構(gòu)建全面感知、可靠傳遞、智能處理的信息物理系統(tǒng)工業(yè)、醫(yī)療、

交通、物流、

零售、安保、

家居、金融、

教育、能源、

環(huán)保、文化

等各個(gè)領(lǐng)域智慧城市物聯(lián)網(wǎng)智慧城市

與

物聯(lián)網(wǎng)?

水聯(lián)網(wǎng)不同于物聯(lián)網(wǎng)，水聯(lián)網(wǎng)的特殊性： 形態(tài)多樣性【有形與無形，四水轉(zhuǎn)化】 流動性【水信息表達(dá)，不同介質(zhì)中的水】

傳輸介質(zhì)的特殊性【物流某些特性；物理通道】 供需匹配【不同于物流訂單生產(chǎn)】

IOW≠IOT

具備什么特征

就是水聯(lián)網(wǎng)感知傳遞應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)全面感知——利用

RFID

、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地

獲取物體的信息可靠傳遞—通過

無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)

網(wǎng)的融合，將物

體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)

確地傳遞給用戶智能處理—利用云計(jì)算、

數(shù)據(jù)挖掘以及模糊識別等

人工智能技術(shù)，對海量的

數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處

理，對物體實(shí)施智能化的

控制水聯(lián)網(wǎng)全面感知+實(shí)時(shí)感

知——利用各類傳

感器動態(tài)獲取水體

/土壤和大氣中的

涉水信息短距離傳輸自組

網(wǎng)+公網(wǎng)+承載網(wǎng)

水信互聯(lián)過程跟蹤、智慧處理，強(qiáng)

調(diào)供需精準(zhǔn)配置【物流：訂單生產(chǎn)，

以需

定供】是徜徉歐拉咖啡館，還是搭車?yán)窭嗜樟熊嚒?物理水網(wǎng)：物理世界中

的水循環(huán)系統(tǒng)?信息水網(wǎng)：水循環(huán)系統(tǒng)

的信息鏡像，是虛擬的

水網(wǎng)（當(dāng)前、未來）?智能水網(wǎng)：決策網(wǎng)、調(diào)

度網(wǎng)、市場網(wǎng)，業(yè)務(wù)處

理的智慧化信息水網(wǎng)物理水網(wǎng)觀測過程市場(決策)水網(wǎng)預(yù)測過程水聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型執(zhí)行過程決策過程應(yīng)用層水聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系與專有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范傳輸層PAN網(wǎng)絡(luò)：ZigBee

、WiFi

、Bluetooth

、

……WAN網(wǎng)絡(luò)：GPRSCDMA、3G

、4G

…

…異構(gòu)傳

感網(wǎng)接

入服務(wù)灌區(qū)環(huán)境狀態(tài)量水資源調(diào)配設(shè)施感控量感知層云計(jì)算平臺水情滾動預(yù)報(bào)、作物需水預(yù)測可供水量滾動模擬、各水源狀態(tài)模擬輸配水系統(tǒng)狀態(tài)仿真、多水源優(yōu)化調(diào)配云數(shù)據(jù)中心水情預(yù)報(bào)成果庫、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫云服務(wù)平臺開放數(shù)據(jù)自動獲取并發(fā)布基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)基于事件驅(qū)動的模型服務(wù)，

??

、

資源調(diào)度方案庫模型參數(shù)庫水資源數(shù)據(jù)應(yīng)用

支撐

水聯(lián)網(wǎng)體系，可看作是一個(gè)持續(xù)提升信息價(jià)值的過程

通量觀測各類監(jiān)測設(shè)備各類傳感設(shè)備各類計(jì)量設(shè)備視頻監(jiān)控GPS/北斗遙感監(jiān)測實(shí)時(shí)調(diào)度方案制定月旬調(diào)度計(jì)劃制定各種水源輸水通道（河流、管道、管道等）數(shù)據(jù)孤立、片斷化的狀態(tài)水聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系決策基于信息和知識的推演LAN

網(wǎng)絡(luò)：WLAN

、Ethernet

、WiMax水資源量和質(zhì)的態(tài)量水利信息化共性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全體系對信息的關(guān)聯(lián)演化進(jìn)水資源調(diào)配工程和設(shè)施水資源效能評價(jià)模塊來水滾動預(yù)報(bào)服務(wù)年耕作計(jì)劃制定結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)行刻畫應(yīng)用

支撐土壤水作物水大氣水水的狀邏輯化、信息監(jiān)測降水智慧水利云服務(wù)要完全徹底

水聯(lián)網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理是本質(zhì)要求二、ScopeHomogeneous

ApplicationWebServicesServicesComponentsObjects問題規(guī)模的提

升要求轉(zhuǎn)變信

息化的范式Global

Enterprise

Ecosystems,Social

Network,水聯(lián)網(wǎng)水聯(lián)網(wǎng)的面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)用戶眾多，數(shù)據(jù)量、計(jì)算量大

無法以單機(jī)程序的方式交付

Coupling

GranularityProgramTighterLooserDataBaseGlobalNetworkModelParameterGlobalPrecipitationGlobalRunoffWindowsAzureScheme_DownloadWeb_GUIRunoffPredictionResult_GetInteractionWebServerClusterWebService

ClusterHPC

ClusterData

CenterModelTUD-Basin(hydrologicalsimulation)HydroMP（river

routing

simulation）River

NetworkBrowseScheme_SubmitProcess_QueryWebService水利數(shù)學(xué)模型的云服務(wù)技術(shù)數(shù)字流域模型的云服務(wù)集成

WindowsAzure云服務(wù)器架構(gòu)SchemeManagementPrecipitation

QueryV

irtua

l

Network水聯(lián)網(wǎng)服務(wù)示范平臺--全球水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)字流域模型方案管理與結(jié)果查詢?nèi)蚝泳W(wǎng)屬性數(shù)據(jù)功能開發(fā)數(shù)字流域模型計(jì)算方案設(shè)定水聯(lián)網(wǎng)角度的水資源利用管理過程●

監(jiān)測體系●

模型體系逐日流量水聯(lián)網(wǎng)灌區(qū)多水源過程控制與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避*

短期水文預(yù)報(bào)

(及河

道演進(jìn))*

中長期徑流預(yù)報(bào)*耦合預(yù)報(bào)的多水源

調(diào)度模型*

渠道水力學(xué)模型*

地下水模型*

灌溉需水模型*氣象信息*云服務(wù)平臺

*

田間監(jiān)測信息

灌溉需水小時(shí)流量預(yù)報(bào)徑流AOP：

實(shí)際供水策略TRH：時(shí)間序列預(yù)報(bào)模型

與優(yōu)化調(diào)度模型相耦合的

滾動決策CRH：耦合預(yù)報(bào)模型與優(yōu)

化調(diào)度模型相耦合的滾動

決策PRH：完美預(yù)報(bào)（未來來

水條件已知）與優(yōu)化調(diào)度

模型相耦合的滾動決策基于滾動預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)對沖調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)控制效果18互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代治水百花齊放水聯(lián)網(wǎng)智慧水利注重實(shí)效三、疏勒河水聯(lián)網(wǎng)示范灌區(qū)（

5萬畝）石羊河水聯(lián)網(wǎng)水權(quán)交易示范區(qū)（20萬畝）“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——五萬畝級示范疏勒河流域

石羊河流域?qū)崿F(xiàn)自動化智能化，提高水利用效率的同時(shí)，管理人員減少75%。疏勒河昌馬灌區(qū)南干渠灌區(qū)清華大學(xué)、疏勒河管理局）田間自動控制閘門田間土壤水分傳感器灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)水權(quán)交易示范區(qū)建設(shè)—20萬畝青海大學(xué)、清華大學(xué)甘肅水利科學(xué)研究院寧夏水利科學(xué)研究院青海水利水電科學(xué)研究所?

低碳、精量、生態(tài)、智慧、經(jīng)濟(jì)的節(jié)灌技術(shù)?

規(guī)?；?jié)水灌溉與生態(tài)修復(fù)協(xié)同的集成技術(shù)轉(zhuǎn)化?

規(guī)?；?jié)水灌溉的安全性和可持續(xù)性評價(jià)方

法、應(yīng)用條件、激勵機(jī)制和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)西北典型地區(qū)節(jié)水與生態(tài)修

復(fù)技術(shù)集成提升與規(guī)模示范提升?示范區(qū)綜合水效率提升

10-20%“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目示范?

甘肅、青海、寧夏，三地萬畝級中試示范水聯(lián)網(wǎng)自流灌區(qū)示范

水聯(lián)網(wǎng)揚(yáng)水灌區(qū)示范水聯(lián)網(wǎng)提水灌區(qū)示范研發(fā)????揚(yáng)水灌區(qū)首部樞紐智能化：從手動擋--

自動擋--無極變速智能優(yōu)化高含沙測流傳感技術(shù)改進(jìn)：抽的是水？是沙？自己清楚、農(nóng)民信任全渠系智能預(yù)測控制算法：系統(tǒng)治理上水平，全心全意放、管、服水流產(chǎn)權(quán)水市場及水銀行：兩手發(fā)力，再破寧夏水資源短缺的瓶頸寧夏河套揚(yáng)黃典型灌域水聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉與水銀行示范南山臺子試點(diǎn)23.3萬畝

，扁擔(dān)溝試點(diǎn)21.7萬畝

，紅寺堡改造20萬畝。吳忠市利通區(qū)扁擔(dān)溝揚(yáng)水灌區(qū)中衛(wèi)市南山臺子揚(yáng)水灌區(qū)吳忠市紅寺堡揚(yáng)水灌區(qū)……

揚(yáng)水灌區(qū)政府企業(yè)學(xué)研三螺旋推進(jìn)新時(shí)代數(shù)字治水期待創(chuàng)新四、各級政府的責(zé)任：頂層設(shè)計(jì)與原型增長的關(guān)系l智慧水利是政府的需求？社會的需求？企業(yè)的需求？

…l智慧水利是行業(yè)的任務(wù)？部門的任務(wù)？市場的任務(wù)？

…l智慧水利是水利的市場？社會的市場？公眾的市場？

…大專院校的責(zé)任：理論體系到技術(shù)架構(gòu)的關(guān)系l水利工程生產(chǎn)過程在物聯(lián)網(wǎng)體系下如何科學(xué)表達(dá)？l水連續(xù)體在物聯(lián)網(wǎng)傳輸感知構(gòu)架下如何具體實(shí)現(xiàn)？l水連續(xù)體在物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)構(gòu)架下如何可靠動作？l水聯(lián)網(wǎng)、智慧水利的表達(dá)范式及經(jīng)濟(jì)社會學(xué)意義。科研院所的責(zé)任：技術(shù)體系到應(yīng)用體系的關(guān)系l從常規(guī)水資源管理范式向智慧水利管理范式的轉(zhuǎn)變；l將80%可靠性的水利過程提高到98%可靠性的行業(yè)；l水聯(lián)網(wǎng)智慧水利對”空間均衡、系統(tǒng)治理”的支撐。圍繞智慧水利的研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)聯(lián)盟不斷涌現(xiàn)

物理水網(wǎng)升級改造建設(shè)方案

數(shù)字水網(wǎng)能力提升建設(shè)方案

市場水網(wǎng)活力促進(jìn)建設(shè)方案

數(shù)字治水體制機(jī)制建設(shè)方案

水聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代生態(tài)灌區(qū)規(guī)劃

城鄉(xiāng)供水一體同質(zhì)化規(guī)劃

水權(quán)水價(jià)水市場水銀行規(guī)劃

水環(huán)境保護(hù)智慧河長規(guī)劃

水生態(tài)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃

數(shù)字水文可靠提升規(guī)劃

防汛抗旱智能預(yù)報(bào)規(guī)劃

水文化繁榮社會化融合規(guī)劃寧夏水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水總體實(shí)施方案u全縣19.1萬農(nóng)村群眾實(shí)現(xiàn)了自