基于“空天地一體”的智慧水務平臺

雷代銀,黃慶令,韓 君,楊嵐斐,羅朝傳,唐金慧

(1.成都萬江港利科技股份有限公司,成都 610015;2.四川大學-萬江科技人工智能與涉水專業算法聯合實驗室,成都 610065)

1 研究背景

習近平總書記強調“綠水青山既是自然財富、生態財富,又是社會財富、經濟財富”[1]?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出,深入打好污染防治攻堅戰,建立健全環境治理體系,推進精準、科學、依法、系統治污,協同推進減污降碳,不斷改善水環境質量[2]。隨著國家全面推進生態文明建設步伐的加快,強化水環境信息化建設,實施精準治理,建立河湖動態監管機制是新時期國家開展水環境管理的具體要求,是打贏水污染防治攻堅戰的重要任務[3]。歷經多年保護治理,很多河、湖及流域已經基本建立了水環境監測和管理體系。然而,目前的管理體系中仍然存在監測和環境感知體系不完善、環境綜合監管現代化程度不高、智能化綜合決策能力薄弱等問題,難以支撐科學精準決策管理需求。

本文利用“空天地一體”技術,對智慧水務信息數據實時動態采集、實時動態監管,形成多元時空動態大數據;利用Hadoop+分布式多模數據庫技術,為智慧水務大數據存儲、分析計算及深度挖掘提供基礎,實現全時空多元數據信息互聯共享;形成支撐水質安全智能監測與評估的智能決策“超級大腦”;建立基于大數據與人工智能技術的水環境管理模式,實現水務數據分布的自適應時空網絡拓撲結構,開發面向政府決策、企業監督和公眾參與的可視化、智能化的智慧水務決策分析平臺,提供防汛抗旱、城市內澇、水環境監測、水量調度、河湖長管理、智能決策等應用功能。

2 研究內容

2.1 “空天地一體”的環境感知系統

基于“空天地一體”的環境感知系統(如圖1所示)是智慧水務系統的重要組成部分,運用先進的傳感設施、通信網絡,構建涵蓋水資源、水安全、水生態領域的信息采集、傳輸、處理、存儲,對雨情、水情、工情、水量、水質、圖像、生態等信息進行匯集,為水環境、水生態、水政監管提供重要的數據支撐。

圖1 “空天地一體”的環境感知系統

整合流域現有監測資源,補齊流域生態監測網絡和環境感知系統短板,形成覆蓋湖體、水庫、入湖河流、地下水、濕地、調蓄帶、土壤、岸線、農田等多要素的環境感知體系,實現數據的動態采集、匯聚、存儲、清洗和處理。其中,通過國土監測衛星、光譜成像衛星、全天候雷達衛星、地球同步軌道衛星傳回的圖片信息對大范圍水資源情況進行宏觀監測分析,彌補普通監測手段無法達到的效果,補布點密集度不夠、地域遼闊不具備布點條件等就無法獲取宏觀信息的短板。系統化、全方位、多層次、實時動態反映目標流域生態環境狀況,形成支撐流域管理決策的全時空動態多元大數據。

2.2 分布式智慧水務共享數據中心

基于Hadoop+分布式多模(關系、文檔、鍵值)數據庫的分布式計算與存儲基礎架構(如圖2所示),為智慧水務大數據資源提供數據存儲、分析計算以及深度數據挖掘分析處理的基礎運行支撐環境和工具。建設統一的數據服務平臺,實現異構多源、分散多樣的各類數據的采集匯聚,提供批量采集和基于流處理的準實時采集能力;實現對匯聚到平臺的數據進行集中治理、管控等,最終形成統一的標準數據及相關業務數據主題庫;創建智慧水務數據資源全視圖,分別為數據的供需方提供數據資產目錄管理和數據服務目錄管理等功能。搭建統一的智慧水務數據與服務集成平臺,實現對內為各個業務子系統提供共享交換服務,對外與關聯各單位的共享交換(如圖3所示)。

圖2 數據中心分布式計算與存儲基礎架構

圖3 各單位數據信息化協同關系

2.3 一體化智慧水務決策分析平臺

智慧水務決策分析平臺主要包含水務主管部門關注的防汛抗旱、城市內澇、水環境監測、水量調度、河湖長管理、智能決策等應用功能(如圖4所示)。

圖4 智慧水務決策分析平臺業務架構

水務平臺接入徑流預報模型通過建設水文氣象監測,實時監測降水、水位,并通過流域水文氣象預測預報;對城市內澇易發點的水位、視頻等信息進行集中監控管理,及時掌握城市內澇區域水位、流量、視頻等信息及內澇具體受災情況,記錄歷史數據和現有的數據,分析未來的走勢;系統可接入衛星云圖、雷達拼圖、水文遙感信息和水情信息等多種水文氣象信息,綜合展示出轄區內的水文氣象,為城市防洪決策指揮調度提供輔助支撐。同時,平臺可根據氣象降水預報,結合流域DEM高程數據,可查看小流域范圍的地表徑流,站點的預報降水、土壤含水量、預報流量、洪水等級、實測水位等。

3 結語

現階段的智慧水務更加關注智慧與水務相結合,利用新一代信息技術優化水資源可持續利用,構建一個在區域、流域、地方不同尺度上集水資源、農業生態發展與水環境需求為一體的水資源網絡。本文通過“空天地一體”水務信息的感知、傳輸、處理、存儲、管理、服務、應用等環節,可以實現防汛抗旱、城市內澇、水環境監測、水量調度、河湖長管理、智能決策等應用功能,助力智慧水務長效發展。