水联网 —— 实现智慧水利的途径

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王忠静 清华大学土木水利学院 （副院长） 清华大学 - 宁夏银川水联网数字治水联合研究院（院长） 亚洲水理事会水联网智慧水利专委会（主席） zj.wang@tsinghua.edu.cn 水联网 —— 实现智慧水利的途径 一 水联网发展目标是智慧水利 、智慧水利具体路径需水联网 : 智慧水利是运用云计算、大数据、物联网、 移动互联网和人工智能等新一代信息技术，对 水利对象，如：河流、湖泊、地下水等自然对 象，水库、水电站、水闸、堤防、灌区等水利 工程对象，以及挡水、蓄水、泄水、取水、输 水、供水、用水、耗水和排水等水利管理活动 进行透彻感知、网络互联、信息共享和智能分 析，为水旱灾害防范与抵御、水资源开发与配 置、水环境监管与保护、河湖生态监督与管理 等水利业务提供智能处理、决策支持和泛在服 务，驱动水利现代化的新型业态。 智慧水利建设的主要任务 （ 1 ）构建天空地一体化水利感知网 （ 2 ）完善全面互联高速可靠水利信息网 （ 3 ）建设水利大脑 （ 4 ）构建创新协同的智能应用 （ 5 ）提升网络安全体系 （ 6 ）构建多维并重的智慧水利保障体系 《智慧水利总体方案》（水利部 2019 年 7 月） 智慧水利 2012 年 11 月 ， 中国 水利 学会年会大 会特 邀报告《基 于 水联网 及智 慧水利 提高水资 源效 能》 ， 提出水联 网框架设想。 “ 实时感知、水信互联、过程跟踪、智慧处理” “ 准确预报、精确调度、高效管理、有效利用” 水联网（ The Internet of Waters ， IOWs ） 物联网 (The Internet of things) 的概念最早于 1999 年由美国 Auto-ID 提出， 是新一代信息技术的重要组成部分。 物联网的应用领域涉及到方方面面，包括工业、农业、环境、交通、 物流、安保等，有效推动了这些领域的智能化发展，使得有限的资源更加 Our world is becoming INSTRUMENTED. Our world is becoming INTERCONNECTED. All things are becoming INTELLIGENT. 合理的使用分配，从而提高了行业效率、效益。 Smart supply chains Smart retail Smart energy grids 水联网的概念演进 Smart traffic systems Smart food systems Smart healthcare 智慧交通内涵 目标：高效、经济、安全、环保 核心特征： （ 1 ）路况实时监控 （ 2 ）信息服务终端 （ 3 ）交通指挥平台 （ 4 ）数据优化处理 智慧交通 与 车联网 增强感知 联、分析、预 测、 、互 控制能力 车联网架构 . 2001 年美国电力科学研究院提 出了智能电网的概念； . 2008 年 11 月，中美清洁能源合 作组织特别会议上开始使用 “Smart Grid” ，中国将之翻 译为“智能电网”，并在国内 统 一推广这一概念，以指导相 关研究的开展。 深度 整合 智能电网 智能电网 与 电联网 ( 电力物联网 ) 感知、通信、 信息处理技术 电力基础结构 城市的各项功能 与信息技术的深度融合 自动控制、高效管理 结合具体行业， 构建全面感知、 可靠传递、智能处理 的信息物理系统 工业、医疗、 交通、物流、 零售、安保、 家居、金融、 教育、能源、 环保、文化 等各个领域 智慧城市 物联网 智慧城市 与 物联网 . 水联网不同于物联网，水联网的特殊性： > 形态多样性【有形与无形，四水转化】 > 流动性【水信息表达，不同介质中的水】 > 传输介质的特殊性【物流某些特性；物理通道】 > 供需匹配【不同于物流订单生产】 x = x(a 、 b 、 c 、 t, ) | y = y(a 、 b 、 c 、 t, 〉 z = z(a 、 b 、 c 、 t, J| | u = u IOW#IOT 具备什么特 征 就是水联 网 ux = ux (x 、 y 、 z 、 t,) 感知 传递 应用 物联网 全面感知——利用 RFID 、传感器、 二维码等随时随地 获取物体的信息 可靠传递—通过 无线网络与互联 网的融合， 将物 体的信息实时准 确地传递给用户 智能处理—利用云计算、 数据挖掘以及模糊识别等 人工智能技术，对海量的 数据和信息进行分析和处 理，对物体实施智能化的 控制 水联网 全面感知 + 实时感 知——利用各类传 感器动态获取水体 / 土壤和大气中的 涉水信息 短距离传输自组 网 + 公网 + 承载 网 水信互联 过程跟踪、智慧处理，强 调供需精准配置 【物流：订单生产， 以需 定供】 是徜徉欧拉咖啡馆，还是搭车拉格朗日列车。 • 物理水网：物理世界中 的水循环系统 • 信息水网：水循环系统 的信息镜像，是虚拟的 水网（当前、未来） • 智能水网：决策网、调 度网、市场网，业务处 理的智慧化 信息水网 物理水网 观测过程 预测过程 市场 ( 决策 ) 水 网 水联网的结构模型 执行过程 决策过程 应 用 层 传 输 层 异构传 感网接 入服务 水的状态量 监测 水资源调配设施感控量 感 知 层 应用 支撑  水联网体系，可看作是一个持续提升信息价值的过程 年耕作计划制定 月旬调度计划制定 来水滚动预报服务 实时调度方案制定 水资源效能评价模块 水 联 网 技 术 体 系 与 专 有 标 准 规 范 水 利 信 息 化 共 性 标 准 规 范 与 安 全 体 系 输水通道（河流、管道、管道等） 各种水源 数据 孤立、片断化的状态 水联网的技术体系 决策 基于信息和知识的推演 云数据中心 水情预报成果库、实时监测数据库 水资源数据库、水资源调度方案库 模型参数库， ⅆⅆ PAN 网络： ZigBee 、 WiFi 、 Bluetooth 、 …… LAN 网络： WLAN 、 Ethernet 、 WiMax 云计算平台 水情滚动预报、作物需水预测 可供水量滚动模拟、各水源状态模拟 输配水系统状态仿真、多水源优化调配 云服务平台 开放数据自动获取并发布 基础地理数据 基于事件驱动的模型服务， ⅆⅆ 知识 对信息的关联演化进 水 源量和质的 结构化数据 WAN 网络： GPRS 、 CDMA 、 3G 、 4G … … 信 逻辑 各类传感设备 各类计量设备 水资源调配工程和设施 灌区环境状态量 各类监测设备 行刻画 GPS/ 北 斗 视频监控 遥感监测 通量观测 应用 支撑 作物水 土壤水 大气水 化、 降水 智慧水利云服务要完全彻底 水联网风险管理是本质要求 二、 Global Enterprise Ecosystems, Social Network, 水联网 Homogeneous Application Program Web Services Services Components 问题规 模 的提 升要求转变信 息化的范式 用户众多，数据量、计算量大 无法以单机程序的方式交付 水联网的面向服务架构 (SOA) Objects Granularity Coupling Tighter Scope Looser Windows Azure Model TUD-Basin (hydrological simulation) HydroMP （ river routing simulation ） Web Service Scheme_Submit Process_Query Scheme_Download Result_Get Web_GUI River Network Browse Precipitation Query Scheme Management Runoff Prediction 水利数学模型的云服务技术 数字流域模型的云服务集成 Windows Azure 云服务器架构 DataBase Global Precipitation Model Parameter Interaction Global Network V irtual Network Global Runoff Web Service Cluster Web Server Cluster HPC Cluster Data Center 水联网服务示范平台 -- 全球水情预报系 统 数字流域模型方案管理与结果查询 全球河网属性数据功能开发 数字流域模型计算方案设定 水联网灌区多水源过程控制与风险规 避 * 短期水文预报 ( 及河 道演进 ) * 中长期径流预报 * 渠道水力学模型 * 地下水模型 * 耦合预报的多水源 调度模型 水联网角度的 水资源利用管理过程 * 灌溉需水模型 * 田间监测信息 . 监测体 系 . 模型体 系 * 气象信息 * 云服务平台 预报径流 逐日流量 灌溉需水 小时流量 2019/1 1/7 AOP ：实际供水策略 TRH ：时间序列预报模 型 与优化调度模型相耦 合的 滚动决策 CRH ：耦合预报模型与 优 化调度模型相耦合的 滚动 决策 PRH ：完美预报（未来 来 水条件已知）与优化 调度 模型相耦合的滚动 决策 基于滚动预报和风险对冲调度的风险控制效果 1 8 互联网现代治水百花齐放 三、水联网智慧水利注重实效 疏勒河水联网示范灌区（ 5 万亩） 石羊河水联网水权交易示范区（ 20 万亩） “ 十二五”国家科技支撑计划项目——五万亩级示范 石羊河流域 疏勒河流域 实现自动化智能化，提高水利用效率的同时，管理人员减少 75% 。 疏勒河昌马灌区南干渠灌区清华大学、疏勒河管理局） 田间土壤水分传感器 田间自动控制闸门 灌区水联网水权交易示范区建设— 20 万 亩 青海大学、清华大学 甘肃水利科学研究院 宁夏水利科学研究院 青海水利水电科学研究所 • 低碳、精量、生态、智慧、经济的节灌技术 • 规 模 化节水灌溉与生态修复协同的集成技术 示范 转化 • 规 模 化节水灌溉的安全性和可持续性评价方 法、应用条件、激励机制和技术标准 西北典型地区节水与生态修 复技术集成提升与规 模示 范 提升 • 示范区综合水效率提升 10-20% “ 十三五”国家重点研发计划项目 • 甘肃、青海、宁夏，三地万亩级中试示范 水联网自流灌区示范 水联网扬水灌区示范 水联网提水灌区示范 研发 • 扬水灌区首部枢纽智能化 ：从手动挡 -- 自动挡 -- 无极变速智能优 化 • 高含沙测流传感技术改进 ：抽的是水？是沙？自己清楚、农民信 任 • 全渠系智能预测控制算法：系统治理上水平，全心全意放、管、 服 • 水流产权水市场及水银行：两手发力，再破宁夏水资源短缺的瓶 颈 宁夏河套扬黄典型灌域水联网节水灌溉与水银行示范 南山台子试点 23.3 万亩 ，扁担沟试点 21.7 万亩 ，红寺堡改造 20 万亩。 吴忠市利通区扁担沟扬水灌区 中卫市南山台子扬水灌区 吴忠市红寺堡扬水灌区 …… 扬水灌区 新时代数字治水期待创新 政府企业学研三螺旋推进 四、 . 智慧水利是政府的需求？ 社会的需求？ 企业的需求？ … . 智慧水利是行业的任务？ 部门的任务？ 市场的任务？ … . 智慧水利是水利的市场？ 社会的市场？ 公众的市场？ … 各级政府的责任：顶层设计与原型增长的关系 . 水利工程生产过程在物联网体系下如何科学表达？ . 水连续体在物联网传输感知构架下如何具体实现？ . 水连续体在物联网控制技术构架下如何可靠动作？ . 水联网、智慧水利的表达范式及经济社会学意义。 大专院校的责任：理论体系到技术架构的关系 . 从常规水资源管理范式向智慧水利管理范式的转变； . 将 80% 可靠性的水利过程提高到 98% 可靠性的行业； . 水联网智慧水利对 ”空间均衡、系统治理”的支撑。 科研院所的责任：技术体系到应用体系的关系 围绕智慧水利的研究机构、行业联盟不断涌现 > 物理水网升级改造建设方案 > 数字水网能力提升建设方案 > 市场水网活力促进建设方案 > 数字治水体制机制建设方案 > 水联网现代生态灌区规 划 > 城乡供水一体同质化规 划 > 水权水价水市场水银行规 划 > 水环境保护智慧河长规 划 > 水生态建设协调发展规 划 > 数字水文可靠提升规 划 > 防汛抗旱智能预报规 划 > 水文化繁荣社会化融合规 划 宁夏水联网数字治水总体实施方案  全县 19.1 万农村群众实现了自来水供水，达到 了城乡供水“同源、同质、同网、同价”。  全县农村安全饮水水平提高 • 安全覆盖率由 80% 提高到 100% • 自来水入户率由 60% 提高到 99.8% • 供水保证率由 65% 提高到 95% • 水质达标率由 80% 提高到 100%  管理模式从以前的人工管理转变为“无人值守、 自动运行”，管理人员从 90 人减少到 40 人。  管网漏失率由 40% 降低到 15% ，年节约水量 20% 。  全县人饮安全群众满意度达 98% ，群众供水投 诉率下降了 88% 。 宁夏彭阳“互联网 + 人饮”城乡供水一体化水联网模式 2021 年，宁夏 22 个县将全部实现 Smart Water 2021 年， 百万亩级水联网灌区将初步实现，智慧水利将得到进一步挖掘 百万亩级水联网数字治水关键技术集成与示范 西干渠水联网数字治水体 制机制创新示范 西干渠干渠全渠道智能控 制技术集成示范 西干渠灌域重点河段智慧 河长应用与示范 苏峪口 - 西干渠智能防洪 预报调度集成示范 企业的责任：从好看的 3I 到好用的 3I . 经济可靠 Instrumented （设备提供商 100 ） . 便捷安全 Interconnected （技术提供商 10 ） . 在线服务 Intelligent （集成应用商 1 ） 让我们主动融入信息时代的水利世界