城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控向人工智能邁進

提 綱1 城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語與展望城鎮(zhèn)化率高，人口密集水系復(fù)雜，河網(wǎng)密布涉水工程多，連通性差入河污染負荷強1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升、水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建城市河網(wǎng)水環(huán)境提升新模式理論層面技術(shù)層面水源量質(zhì)保障水系格局適配水動力重構(gòu)管理層面精細化模擬智能互饋物聯(lián)網(wǎng)+模型云研究目標關(guān)鍵環(huán)節(jié)研究內(nèi)容系統(tǒng)治理理念控源截污 河道整治 水系連通

動力調(diào)控

生態(tài)修復(fù)強化凈化 精細管理污染源解析與削減動態(tài)需水量確定水動力調(diào)控閾值標志成果核心環(huán)節(jié)水系連通動力調(diào)控1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路回字型環(huán)狀輻射型多級圩型輻射型X型田字型如何解決復(fù)雜河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控問題？？？需要從物聯(lián)感知、系統(tǒng)思維、系統(tǒng)學(xué)習(xí)、調(diào)度行為等方面，將人工智能與河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)度有機融合，滿足預(yù)報預(yù)警、預(yù)報調(diào)度的應(yīng)用需求，實現(xiàn)科學(xué)精準調(diào)度1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語與展望1人工智能（Artificial

Intelligence，縮寫AI）：它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求機器思維讓計算機能夠?qū)Ω兄降耐饨缧畔⒑妥约寒a(chǎn)生的內(nèi)部信息進行思維性加工。主要包括：推理、搜索、規(guī)劃等方面的研究機器感知要讓計算機具有類似于人的感知能力，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺，相當于智能系統(tǒng)的輸入部分。主要包括：機器視覺、模式識別、自然語言理解機器學(xué)習(xí)讓計算機能夠像人那樣自動地獲取新知識，并在實踐中不斷地完善自我和增強能力機器行為讓計算機能夠具有像人那樣地行動和表達能力，如走、跑、拿、說、唱、寫畫等，相當于智能系統(tǒng)的輸出部分廣義的人工智能內(nèi)容2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求感知讓終端具有智能感知能力：利用“天-空-地-人”監(jiān)測技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)）感知“雨、水、工情”多源信息，涉及水文/水動力/水質(zhì)/工程運行信號的同步實時獲取思維讓計算機能夠?qū)Ω兄降摹坝辍⑺?、工情”信息和“專業(yè)模型”產(chǎn)生的水環(huán)境調(diào)控預(yù)案信息進行思維性加工。包括：數(shù)據(jù)融合、同化、挖掘，并行計算、智能優(yōu)選等方面的研究學(xué)習(xí)讓計算機能夠像人那樣在水環(huán)境實況調(diào)度中自動集成新的調(diào)控應(yīng)對方案，并在實踐中不斷地更新調(diào)度預(yù)案倉庫，形成調(diào)度預(yù)案閉環(huán)，增強調(diào)度的科學(xué)性、精準度調(diào)度讓計算機能夠具有像人那樣決策水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案，對工程發(fā)出指令，啟動閘門、泵站等工程運行，相當于智能系統(tǒng)輸出部分水環(huán)境綜合調(diào)控范疇下的人工智能內(nèi)涵2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控體系城市河網(wǎng)水環(huán)境提升智能模型：異構(gòu)模型同化、多尺度分級雙向嵌套、模型離散與拼接精準模擬：調(diào)度預(yù)案集智能感知：利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無人機、遙感感知多源要素信息：水文/水力學(xué)/水質(zhì)/視頻要素的實時同步獲取、水利工程信息獲取物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺決策預(yù)案優(yōu)化：智能算法優(yōu)選、決策方案的強化學(xué)習(xí)方案自動發(fā)布：方案自動滾動計算與實時發(fā)布信息采集耦合模擬智能決策聯(lián)合控制運行保障51234自動化控制：閘/泵/堰水利工程群智能互饋：模型決策數(shù)據(jù)與水利工程群狀態(tài)2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語與展望1物聯(lián)感知需要通過建設(shè)天-空-地-人一體化的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)城市河網(wǎng)雨、水（水動力、水質(zhì)指標）、工情監(jiān)測信息的全覆蓋3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)水質(zhì)監(jiān)測水位流量監(jiān)測視頻監(jiān)控閘泵遠程測控雷達雨量監(jiān)測物聯(lián)感知傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備智能化：使其支持物聯(lián)網(wǎng)傳輸/互聯(lián)協(xié)議水位：基于虛擬、遙測技術(shù)實現(xiàn)河湖庫、閘站等區(qū)域水尺讀數(shù)及水域范圍的自動識別流量：基于雷達技術(shù)實現(xiàn)對河道、城市排水管網(wǎng)流量、流速、流場的在線監(jiān)測虛擬、遙測電子水尺自動采集水位雷達流量流速監(jiān)測3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)物聯(lián)感知研發(fā)智能監(jiān)測設(shè)備：水質(zhì)智能監(jiān)測設(shè)備、無人機遙感等，豐富監(jiān)測手段，實現(xiàn)水信息監(jiān)測的智能化。如在主干河道、重點關(guān)注河段，自動監(jiān)測透明度，太陽能野外無人值守水環(huán)境自動監(jiān)測站（總磷、濁度、溶解氧、等多項水質(zhì)參數(shù)）透明度自動識別監(jiān)測儀太陽能野外無人值守水環(huán)境自動監(jiān)測站3.5㎡視頻監(jiān)控判別水面垃圾漂浮物無人機遙感發(fā)現(xiàn)河道水浮蓮覆蓋3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)借助模型模擬技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，把人對水環(huán)境綜合調(diào)控思維以“模型庫”的形式賦予機器河網(wǎng)模型“智能”模擬技術(shù)需求之一：模型應(yīng)具有空間多尺度嵌套模擬要求流域-區(qū)域-城市-圩區(qū)多尺度模型流域尺度河網(wǎng)區(qū)域尺度河網(wǎng)街道社區(qū)尺度河網(wǎng)市（縣）

尺度河網(wǎng)河道分級定義拓撲關(guān)系，粗化和細化模型時間標簽的版本控制，按照時間模型分類進一步離散模型，按照行政區(qū)劃和水利分區(qū)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)河網(wǎng)模型“智能”模擬技術(shù)需求之二：模型應(yīng)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)動態(tài)更新功能1、解決不同空間尺度模型定制與計算？2、解決不同時間尺度模型定制與計算？3、解決不同時空尺度模型嵌套與計算？4、解決河網(wǎng)模型精細化精準模擬？5、構(gòu)建智慧系統(tǒng)解決預(yù)報預(yù)警、預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)？數(shù)據(jù)庫模型庫3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)A04A05

A06A03A01

A02城區(qū)尺度圩區(qū)尺度a05a03a06a04a02a01編號名稱1001a011002a021003a031004a041005a051006a06編號名稱0001A010002A020003A030004A040005A050006A06對應(yīng)關(guān)系000110010002100200031003000410040005100500061006系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)模型雙向嵌套-正向利用模型嵌套耦合技術(shù)，小尺度模型外部節(jié)點與大尺度模型內(nèi)部節(jié)點自動匹配按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，城區(qū)尺度模型為圩區(qū)尺度模型自動提供外邊界，滿足圩區(qū)模擬和預(yù)報的邊界封閉性3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)模型雙向嵌套-反向：小尺度模型為大尺度模型外部節(jié)點提供產(chǎn)匯流過程根據(jù)圩區(qū)集水區(qū)范圍、下墊面特點、槽蓄量、工程運行參數(shù)，建立降雨-徑流-污染物入河診斷3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)集成“模型網(wǎng)絡(luò)庫”，利用物聯(lián)感知體系、滾動計算接口配置技術(shù)（數(shù)據(jù)同化），加載所有可能的“模型事件庫”，以“水動力閾值+水環(huán)境指標”目標最優(yōu)，優(yōu)選“調(diào)控邏輯庫”

，形成系統(tǒng)調(diào)度思維雨水情系統(tǒng)服務(wù)預(yù)報預(yù)警計算引擎實時雨水情系統(tǒng)預(yù)報預(yù)警子系統(tǒng)預(yù)報預(yù)警計算服務(wù)數(shù)據(jù)處理服務(wù)計算數(shù)據(jù)資源預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)展示預(yù)報預(yù)警應(yīng)用服務(wù)預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實時水情數(shù)據(jù)實時雨情數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實時水情數(shù)據(jù)實時雨情數(shù)據(jù)JDBC/WebServiceLocalAPIHTTPJDBCSocketTCP/

IP物聯(lián)感知體系（實時數(shù)據(jù)接入）滾動計算接口配置（數(shù)據(jù)同化）系統(tǒng)思維形成3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)利用模型庫、結(jié)果庫數(shù)據(jù)與系統(tǒng)交互技術(shù)，實現(xiàn)調(diào)度方案生成；物聯(lián)感知信息與模型實時交互，實現(xiàn)單一模型驅(qū)動向在線監(jiān)測聯(lián)合模型驅(qū)動的水環(huán)境綜合調(diào)控技術(shù)過渡模型庫-預(yù)案集模型計算結(jié)果庫河道斷面、節(jié)點水動力結(jié)果（流速、流量、水位）；水質(zhì)結(jié)果（TP、TN等）水文模型1D水力學(xué)模型溢流單元模型網(wǎng)絡(luò)庫設(shè)計洪水（降雨、水位、流量）實況洪水（降雨、水位、流量）事件庫預(yù)報洪水（降雨、水位、流量）防洪調(diào)度方案水閘運行規(guī)則子流域河網(wǎng)管網(wǎng)堤防工程圩區(qū) 水文-水動力模型閘壩泵橋涵

水力學(xué)計算公式邏輯庫泵站運行規(guī)則模型庫模型預(yù)案庫、結(jié)果庫模型+實時監(jiān)測聯(lián)合驅(qū)動實現(xiàn)流程模型結(jié)果驅(qū)動-解析-發(fā)布3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)水文-水動力-水質(zhì)一體化多尺度嵌套專業(yè)模型模型庫調(diào)度預(yù)案集集成至調(diào)度系統(tǒng)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)學(xué)習(xí)首先，基于實況調(diào)度應(yīng)用，系統(tǒng)自動以實況雨、水、工情為計算條件，進行歷史調(diào)度過程的復(fù)演模擬，選擇性的集成“執(zhí)行調(diào)度預(yù)案”匯入““綜合調(diào)控數(shù)據(jù)倉庫”那么，每一次調(diào)度執(zhí)行過程也是實現(xiàn)機器不斷的學(xué)習(xí)過程，形成調(diào)度預(yù)案的“大數(shù)據(jù)”，將大數(shù)據(jù)分析模型與行業(yè)機理模型有機融合按照系統(tǒng)思維，未來調(diào)度將從“綜合調(diào)控數(shù)據(jù)倉庫”中快速查詢“與當前河網(wǎng)情勢相似的歷史過程”，并將歷史過程的調(diào)度方案、效果進行全方位展示與發(fā)布，實現(xiàn)對河網(wǎng)水環(huán)境的實時精準調(diào)度與綜合預(yù)報調(diào)度自我學(xué)習(xí)過程自動復(fù)演模擬計算人的思維賦予機器3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)度行為基于智能監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)、專業(yè)模型模擬技術(shù)、耦合模型-水環(huán)境調(diào)度系統(tǒng)平臺-水利工程控制信息智能互饋技術(shù)形成水環(huán)境綜合調(diào)控平臺，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)處理調(diào)度預(yù)案形成“調(diào)度知識庫”，以支撐智慧大腦的“智能”訓(xùn)練，并響應(yīng)智慧大腦的調(diào)度、控制指令，控制水利工程的運行，形成“物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測——專業(yè)模型模擬——大數(shù)據(jù)集成分析——系統(tǒng)決策——物聯(lián)網(wǎng)控制”的聯(lián)控聯(lián)調(diào)過程智能互饋控制3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語與展望1物聯(lián)網(wǎng)平臺考慮萬物接入和萬物聯(lián)動。

即對水體、水利工程、調(diào)度人員等不同對象的監(jiān)測、控制和互動接口全部接入物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺考慮基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的平臺架構(gòu)模式，構(gòu)建模型云平臺，實現(xiàn)模型云服務(wù)5

應(yīng)用案例與效果物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺河網(wǎng)模型特征統(tǒng)計河道斷面：22699個河段：8751段，長15373km水閘：1145座；泵站：760座圩區(qū)：1109個；子集水區(qū)：4973個連接節(jié)點：8589個湖泊、水庫調(diào)蓄點：136個邊界控制點：84個計算效率：一維模型4分鐘計算6天5

應(yīng)用案例與效果數(shù)據(jù)庫——模型庫建立了太湖地區(qū)多尺度精細化模型提供模型定制與發(fā)布服務(wù)利用構(gòu)建的江蘇省太湖地區(qū)離散化分區(qū)模型以及流域級別-與區(qū)域級別、區(qū)域級別與城市嵌套耦合模型，模型最小嵌套單元按照行政分區(qū)可以到街道社區(qū)，按照水利分區(qū)嵌套單元可以至圩區(qū)基于云平臺模型定制與發(fā)布?。ㄊ校┙值类l(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)（縣）流域區(qū)域圩區(qū)城市村5

應(yīng)用案例與效果本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，以實時監(jiān)測與預(yù)報結(jié)果為驅(qū)動，以水文～水動力～水質(zhì)一體化模型為核心，以工程調(diào)控為手段，以運行效果為目標，集成了水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案集，并開發(fā)實時監(jiān)測、調(diào)控方案、預(yù)報預(yù)警、預(yù)案管理四個核心功能模塊。系統(tǒng)已在阿里云部署運行5

應(yīng)用案例與效果模塊一：實時監(jiān)測：在研究區(qū)域內(nèi)布控了水文、水動力、水質(zhì)、視頻等物聯(lián)感知監(jiān)控站網(wǎng)，實時采集并以地圖圖表形式展現(xiàn)全要素監(jiān)控信息。在線提供區(qū)域河網(wǎng)水位、水質(zhì)（NH3-N、總P、總N、DO、COD、藻密度、濁度、電導(dǎo)率等），視頻（水利工程運行狀態(tài)，水尺、藍藻、閘門開度識別），水利工程運行過程等數(shù)據(jù)。建立了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的交互機制，為模型計算提供數(shù)據(jù)支撐5

應(yīng)用案例與效果模塊二：調(diào)控方案：基于水環(huán)境綜合調(diào)控決策預(yù)案集與調(diào)控閾值，當區(qū)域河網(wǎng)發(fā)生水位異常、水質(zhì)惡化時，系統(tǒng)將自動啟動模型計算，并觸發(fā)調(diào)度方案優(yōu)選程序，推送該時段最優(yōu)調(diào)控方案。調(diào)度人員可根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)選區(qū)推選的不同調(diào)度方案查詢與對比河網(wǎng)水動力、水質(zhì)效果，并執(zhí)行調(diào)度5

應(yīng)用案例與效果模塊三：預(yù)報預(yù)警：與實時雨情、水情、工情數(shù)據(jù)對接，模型在線滾動計算，預(yù)報未來一段時間（1-3天）城市河網(wǎng)區(qū)內(nèi)任意關(guān)注點的水位、水質(zhì)變化過程，依據(jù)水動力、水質(zhì)指標閾值，發(fā)布預(yù)警信息，為預(yù)報調(diào)度提供支持5

應(yīng)用案例與效果模塊四：預(yù)案管理：集成了濱湖城市河網(wǎng)區(qū)汛期、非汛期，藍藻期、非藍藻期水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案集，可以查詢、管理、年度更新調(diào)度預(yù)案信息和模型信息5

應(yīng)用案例與效果智能技術(shù)應(yīng)用水質(zhì)、水位、視頻自動監(jiān)控WebGIS與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中國國際進口博覽會水環(huán)境監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)城市河網(wǎng)智慧管理平臺—城區(qū)防洪排澇與水環(huán)境提升聯(lián)控聯(lián)調(diào)集控管理系統(tǒng)（SUR-IOS）治理后治理前5

應(yīng)用案例與