翟 欽

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

根據(jù)2019年度《中國水資源公報(bào)》公布的數(shù)據(jù)，2019年，全國用水總量6021.2億m3，較2018年增加5.7億m3。其中，生活用水871.7億m3，占用水總量的14.5%；工業(yè)用水1217.6億m3，占用水總量的20.2%；農(nóng)業(yè)用水3682.3億m3，占用水總量的61.2%。然而，我們的農(nóng)業(yè)灌溉用水效率總體不高，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)才0.554，高效節(jié)水灌溉率僅25%左右，都遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的水平。因此，我國最大的節(jié)水潛力在農(nóng)業(yè)灌溉。

我國政府已經(jīng)相繼開展了大中型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造等相關(guān)灌區(qū)信息化工程的建設(shè)，但是普遍側(cè)重于信息的獲取，對信息的高效利用還有所欠缺，離按需供水、精準(zhǔn)供水的目標(biāo)還有一定差距。主要原因在于灌區(qū)管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建涉及到水利科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)、自動化技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科，需要采集和處理的信息類型包括土壤墑情、作物長勢、氣象、水情、工情、設(shè)施運(yùn)行工況等方面，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全(結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)都有)，業(yè)務(wù)場景多，管理目標(biāo)間關(guān)系交錯，因此傳統(tǒng)的信息處理方式有心無力[1-3]。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)(以下統(tǒng)稱“新技術(shù)”)的迅猛發(fā)展，其對海量數(shù)據(jù)的處理速度和分析能力引起了包括水利、農(nóng)業(yè)等學(xué)科在內(nèi)專家學(xué)者及產(chǎn)業(yè)界人士的關(guān)注，并著手探索研究它們在灌區(qū)信息化管理中的應(yīng)用，成果斐然。文章將列舉部分頗具成效的例子，并給出一點(diǎn)見解和建議。

1 新技術(shù)在灌區(qū)信息系統(tǒng)中應(yīng)用總體情況

下面主要按系統(tǒng)層級對當(dāng)前應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

按照水利部智慧水利總體方案中的建議，智慧灌區(qū)信息系統(tǒng)分可為以下4層：智能應(yīng)用層、數(shù)據(jù)資源層、信息傳輸層、采集感知層，如圖1所示。

圖1 智慧灌區(qū)信息系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)參考圖

每一層的功能作用不再一一贅述，下面主要說明各層用到的新技術(shù)及其發(fā)展趨勢：

1.1 綜合感知層

綜合感知層中運(yùn)用最多的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)研究的比較早，有比較好的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)。目前采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備種類豐富，已經(jīng)用于包括水質(zhì)、水位、流量、工況、氣象、墑情、視頻等監(jiān)測要素在內(nèi)的場合。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展趨勢主要包括一體化、自主化。

一體化：得益于傳感器的小型化，可以將多種傳感器集成到同一設(shè)備上，從而滿足多參數(shù)測量、測控一體等需求。此外，低功耗、長續(xù)航也是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展重心。

自主化：整體而言，灌區(qū)使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還只實(shí)現(xiàn)了信息化改造。下一步，還需要提供數(shù)據(jù)分析、環(huán)境判斷、自主處理等能力。

1.2 信息傳輸層

信息傳輸方面目前主要是各種通信協(xié)議的比拼，3G/4G/5G、LoRa、NB_Iot等主流協(xié)議各有優(yōu)勢。

目前灌區(qū)業(yè)務(wù)涉及到的數(shù)據(jù)還是以水壓、水量、水位、設(shè)備工況等為主，單條數(shù)據(jù)量小，對協(xié)議帶寬和速度要求不高。隨著圖片、視頻等相關(guān)應(yīng)用場合的增加，對于通信協(xié)議低功耗、廣覆蓋、大帶寬的需求也會加快。

1.3 數(shù)據(jù)資源層

大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)是當(dāng)前數(shù)據(jù)資源層熱門技術(shù)。不過，這兩者有很強(qiáng)的行業(yè)通用性，凡是涉及到數(shù)據(jù)處理的行業(yè)都需要用到。因此對灌區(qū)來說，對于云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)沒有特別的要求，只需要保證數(shù)據(jù)安全、交換快速、使用方便即可。例如很多灌區(qū)的信息管理系統(tǒng)直接利用政務(wù)云平臺來進(jìn)行部署[4-5]。

1.4 智能應(yīng)用層

智能應(yīng)用層中主要用到的有人工智能、遙感等技術(shù)人工智能：這是一門利用計(jì)算機(jī)模擬人類智能行為科學(xué)的統(tǒng)稱，概念形成于20世紀(jì)50年代。得益于云平臺、大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)提供的數(shù)據(jù)、算法和強(qiáng)大的算力，人工智能已經(jīng)在很多業(yè)務(wù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，特別在計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人、語言處理等領(lǐng)域成果斐然，但是對水利行業(yè)而言應(yīng)用研究應(yīng)該說是才剛起步，目前較多的使用在智能監(jiān)控等業(yè)務(wù)上。可以肯定的是，未來人工智能技術(shù)將在水資源利用及配置、工程監(jiān)管(例如水庫大壩安全監(jiān)測)、水生態(tài)治理等方面取得較多的研究和實(shí)用成果。

遙感技術(shù)：目前遙感技術(shù)在灌區(qū)管理平臺中最普遍的應(yīng)用是灌區(qū)“一張圖”管理。該技術(shù)可以結(jié)合灌區(qū)地圖、設(shè)施分布圖、土地利用分布圖、河系分布圖、作物分布圖，再疊加氣象、環(huán)保、農(nóng)林、交通等專題信息，實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)全要素管控。除此之外，遙感技術(shù)在土地類型和種植結(jié)構(gòu)、灌溉監(jiān)測和土壤水分反演等業(yè)務(wù)中的應(yīng)用也愈加成熟。

2 新技術(shù)典型應(yīng)用實(shí)例

2.1 一體化設(shè)備

目前比較典型的產(chǎn)品是一體化閘門。

一體化閘門是精確計(jì)量和精準(zhǔn)控制于一體的自動化計(jì)量灌溉設(shè)備，目前主流產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多能源驅(qū)動、水位測量、流量測量、無線通訊、遠(yuǎn)程控制、精確流量控制、圖像監(jiān)控等功能，管理者可以通過軟件平臺實(shí)時(shí)了解各個閘門點(diǎn)的流量情況，搭配相關(guān)的水資源動態(tài)分配算法，就可以實(shí)現(xiàn)閘門聯(lián)動控制。智能應(yīng)用層的各種決策最終還是需要相匹配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，以一體化閘門為代表的智能設(shè)備將成為實(shí)現(xiàn)智慧灌區(qū)的抓手。

2.2 水庫群聯(lián)合調(diào)度

水庫群的聯(lián)合調(diào)度是指對流域內(nèi)一群相互間具有水文、水力、水利聯(lián)系的水庫以及相關(guān)工程設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)調(diào)度，使流域內(nèi)水利效益最大化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的非線性映射能力能比較好的反映水庫調(diào)度中多個自變量和因變量之間的復(fù)雜關(guān)系，因此這方面的研究工作開展的較多，也相繼出現(xiàn)了很多新型智能算法。

和水庫群聯(lián)合調(diào)度類似的還有灌區(qū)水資源動態(tài)分配，目前相關(guān)研究主要以實(shí)驗(yàn)分析為主，但其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是可以期待的。

2.3 基于邊緣計(jì)算的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式。

在灌區(qū)這個具體應(yīng)用場景中，將視頻模型庫和AI模型訓(xùn)練程序部署在云端，利用云端強(qiáng)大的算力來訓(xùn)練模型，訓(xùn)練好的模型下發(fā)到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)對其管轄范圍內(nèi)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對識別出來的行為、人物等通知給管理平臺客戶端。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是將原本基于云平臺的計(jì)算任務(wù)遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，降低云計(jì)算中心的處理負(fù)擔(dān)，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力。

相關(guān)系統(tǒng)目前已經(jīng)有較多實(shí)際應(yīng)用，例如四川都江堰灌區(qū)，在渠道漂浮物識別、堤岸塌方監(jiān)控、砂石盜采監(jiān)控等方面取得了較好的效果?；谶吘売?jì)算的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖，見圖2。

圖2 基于邊緣計(jì)算的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.4 智慧田間灌溉系統(tǒng)

通過整合水肥一體化、田間系統(tǒng)自動化，構(gòu)建灌區(qū)田間協(xié)同的智慧化體系；構(gòu)建集大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算、專家決策為一體的干旱區(qū)綠洲灌溉農(nóng)業(yè)智能灌排工程技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)田間系統(tǒng)的智慧化協(xié)同。

類似的智慧灌溉系統(tǒng)在新疆、海南等地的灌區(qū)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，對作物生長狀態(tài)以及土壤鹽堿化進(jìn)行遙感分析，結(jié)合氣象、土壤墑情等信息，在灌溉過程中，滿足作物需水，提升灌區(qū)種植效益的同時(shí)關(guān)注土壤環(huán)境，以環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)鹽分淋洗水量，以水控鹽，上灌下排，保持水鹽平衡，實(shí)現(xiàn)了田間精準(zhǔn)灌溉的目標(biāo)。智慧田間灌溉系統(tǒng)示意圖，見圖3。

圖3 智慧田間灌溉系統(tǒng)示意圖

3 建設(shè)中需要注意的問題

應(yīng)該認(rèn)識到，智慧灌區(qū)信息系統(tǒng)是一個比較大的概念，想實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用點(diǎn)越多，需要投入的資金量也越大，而且實(shí)現(xiàn)過程不是一蹴而就的，因此在實(shí)施中需要做好規(guī)劃設(shè)計(jì)。以下4點(diǎn)建議供參考：

3.1 抓主放次

應(yīng)該仔細(xì)分析當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)建設(shè)實(shí)際狀況、重點(diǎn)業(yè)務(wù)，抓住主要問題優(yōu)先解決。例如南方地區(qū)水量較豐富，灌水方式還較粗放，帶來的生態(tài)環(huán)境問題可能是痛點(diǎn)，因此信息系統(tǒng)可以將有效減少農(nóng)業(yè)面源污染作為一個研究重點(diǎn)。

3.2 實(shí)用優(yōu)先

具體技術(shù)選擇方面也要本著實(shí)用的原則，不能盲目追求先進(jìn)，要針對應(yīng)用場合選擇合適的技術(shù)。例如5G這種新技術(shù)有速度快、延遲低等優(yōu)點(diǎn)，但是需要有密集站點(diǎn)作為基礎(chǔ)，在灌區(qū)還不能作為網(wǎng)絡(luò)方式的優(yōu)先選擇。

3.3 以人為本

灌區(qū)管理人員是管理平臺的直接使用者，也是模型算法參考決策的最終確定者。他們對相關(guān)技術(shù)了解、掌握的程度將一定程度上影響管理平臺的使用效果。因此產(chǎn)品提供者應(yīng)該深入了解他們的技術(shù)水平，開發(fā)出管用、實(shí)用、好用的產(chǎn)品。

3.4 遵照標(biāo)準(zhǔn)

近期，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部印發(fā)了《國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，要求到2023年，初步建立人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)研制數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)、服務(wù)等重點(diǎn)急需標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)產(chǎn)業(yè)方需要密切關(guān)注，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)，讓行業(yè)規(guī)范、健康地成長。