智慧水利應用及其技術探討范文

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摘要：大數(shù)據(jù)技術在智慧水利的發(fā)展中具有核心地位，如何將大數(shù)據(jù)技術應用效率最大化，探究其技術特點特征是今后建設智慧水利工程中至關重要的環(huán)節(jié)。通過對云計算、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等大數(shù)據(jù)技術本身的研究，查找當前智慧水利與未來發(fā)現(xiàn)需求存在的差距，從而按圖索驥，尋求解決智慧水利應用難題的方法，探索今后基于大數(shù)據(jù)技術搭建平臺的可行性極其應用技術的發(fā)展。在設計平臺和應用技術能夠全面建立的理想情況下，智慧水利的效果可以得到顯著地提升，能夠真正的使智慧水利和大數(shù)據(jù)技術緊密結合起來，實現(xiàn)水利管理的數(shù)字化、智能化、規(guī)范化。

關鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；數(shù)據(jù)分析；智慧水利；大數(shù)據(jù)

1引言

對于“大數(shù)據(jù)”（Bigdata），KusnetzkyDan在他的《Whatis"BigData?"》中在給出了定義，“大數(shù)據(jù)”是來自各種來源的大量非結構化或結構化數(shù)據(jù)，是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應用軟件不足以處理的大或復雜的數(shù)據(jù)集，必須使用在數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千臺服務器上同時平行運行的軟件來進行處理。現(xiàn)代化的通信和信息網絡技術，專業(yè)的大數(shù)據(jù)技術，讓水利信息化走進了人們的視線。完善的信息化網絡傳輸體系，共享和可利用的信息資源、在線的檢測和實時動態(tài)查詢等功能，讓水利信息的時效性、及時性、準確性和可靠性得到了充分的保證，各項信息的傳輸更加及時和可靠，也由此形成了基于大數(shù)據(jù)的智慧水利[1]。當前，隨著我國水利信息化現(xiàn)代化程度不斷提升，相應的難題和以往存在的薄弱環(huán)節(jié)也暴露無遺[2]。由于水利信息采集類型多樣，站點分布廣泛，信息化項目的多事權特征，造成了資源整合難度大、共享利用不到位、數(shù)據(jù)分析難深入等弊端，因此需要在建立和完善數(shù)據(jù)采集、匯集交換、存儲處理和數(shù)據(jù)服務能力的基礎上，以開放的狀態(tài)構建水利數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)分布異構數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和高效利用。要想解決日益復雜的水利信息數(shù)據(jù)，只有高效運用大數(shù)據(jù)技術，才能滿足水利信息化面向公眾服務、面向行業(yè)應用、面向領導決策的需求[3]。本文重點通過對大數(shù)據(jù)分析技術概念、特點和應用領域的分析，闡述其在智慧水利中的重要作用。

2大數(shù)據(jù)技術特征及其應用

大數(shù)據(jù)從誕生到現(xiàn)在為世界帶來了翻天覆地的變化。“小數(shù)據(jù)時代”向“大數(shù)據(jù)時代”的邁步，象征著由簡至繁的計算方式，更意味著可以通過并行疊加的窗口去探索“新大陸”。大數(shù)據(jù)技術將在未來社會發(fā)展和科學進步中扮演著重要角色，而大數(shù)據(jù)分析將成為其中的關鍵。大數(shù)據(jù)分析的應用已經進入各行各業(yè)，這些行業(yè)利用大數(shù)據(jù)分析，解決了很多問題[4]。目前，不論是國計民生還是各行各業(yè)，都開始引進大數(shù)據(jù)技術，并將其作為主要分析手段，比如在智慧城市發(fā)展中的電力方面，我們可以通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，進一步確定用電的高峰期和熱點區(qū)域，生成相應的管理調度決策，改進電網運行；在金融行業(yè)方面，大數(shù)據(jù)技術不僅僅是被運用在貿易往來，在客戶情緒分析、行為推測方面也逐漸大顯神威；在快速發(fā)展的互聯(lián)網方面，大數(shù)據(jù)技術能夠為用戶提供貼心、精準的推薦服務。最常用方式是預測分析，通過采集數(shù)據(jù)、處理分析、預測結果，從而指導行動，一定程度上規(guī)避風險，提升未來事物發(fā)展的確定性。隨著信息化發(fā)展不斷橫向拓寬、縱向加深，大體量、多種類、低價值的數(shù)據(jù)高速涌向數(shù)據(jù)庫，如何從這些海量的數(shù)據(jù)中，快速準確地獲得有價值的信息，則需要采用Map（映射）和Reduce（化簡）兩個階段，對收集到的數(shù)據(jù)進行歸類、關聯(lián)、分析、重組，從而獲取分析處理結果。整個處理過程，在大數(shù)據(jù)分析中占據(jù)了非常重要的一環(huán)。

2.1數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘（DataMining）是各類大數(shù)據(jù)分析，特別是預測分析的必經之路。一套成熟的預測分析模式可以幫助水利部門準確地把握下步工作重點，對預測到的水災情況能夠制定相關的防范措施，提高水利綜合治理能力。尤其是在對水利數(shù)據(jù)具體的操作中，我們可以運用Hadoop的軟件框架，對大體量的水利數(shù)據(jù)進行可靠、高效的分布式處理，利用機器學習（MachineLearning）的技術分析海量數(shù)據(jù)，采用MapReduce對節(jié)點間的通信與調度進行有效管理，并在各節(jié)點之間快速搜索篩選信息，再采用DataBlock技術對復雜多樣的數(shù)據(jù)進行集成，在其管理下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚與交換。2.2云計算云計算豐富的IT資源，其廣泛分布的特性，給大數(shù)據(jù)帶來了技術支持。而云計算中的云數(shù)據(jù)庫，則大大增強了數(shù)據(jù)庫的存儲能力，在一定程度上消除了人力、物力的重復投入，使數(shù)據(jù)庫具有高度的可塑性、實用性。IaaS（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）和SaaS（軟件即服務）是云計算的三種商業(yè)服務模式。云計算意味著將計算能力當作商品進行流通，不論是取用還是存儲，都極為方便，且價格低廉，因為它是通過互聯(lián)網進行傳輸。當前，云計算應是最普遍、最大眾的數(shù)據(jù)存儲地，絕大部分軟件必須主動與云平臺有機結合，相配套的產業(yè)已基本健全，初具規(guī)模。目前，國內云計算已推廣應用于生物醫(yī)學、物流、城市規(guī)劃、金融、汽車、能源、零售業(yè)等多個領域，水利行業(yè)也應該迎頭趕上。云計算是大數(shù)據(jù)計算的一部分，是大數(shù)據(jù)的核心技術，能夠在海量的數(shù)據(jù)中快速搜尋、篩選有價值信息，從而得出優(yōu)化結果。

2.3可視化分析

大數(shù)據(jù)分析不單是數(shù)字化的體現(xiàn)，也可以利用可視化分析，將數(shù)據(jù)轉換成圖形或者圖像，給人以直觀的印象。數(shù)據(jù)可視化是信息化的關鍵技術，是從靜到動、從單調到多元的重大跨越，數(shù)據(jù)的采集、信息的提取、決策的生成，一系列過程都能夠以可視的狀態(tài)呈現(xiàn)出來，有利于激發(fā)人們的判斷力、創(chuàng)造力和洞察力[5]。大數(shù)據(jù)的可視化分析技術已經非常成熟，在工程、勘探、醫(yī)學等方面得到了廣泛應用。在水利信息化方面，我們能夠將數(shù)據(jù)可視化的作用發(fā)揮到極致[6]。利用Tableau、IntelligenceDesigner等可視化工具，將全國的地理信息系統(tǒng)作為底板，實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)作為背景，對水利數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控、動態(tài)分析、預警預報、決策生成，輔以水利資源管理系統(tǒng)和相關業(yè)務服務系統(tǒng)，實現(xiàn)跨區(qū)域、跨部門的數(shù)據(jù)共享和全國水利資源信息一體化，并繪制Dashboard控制面板圖，對水利數(shù)據(jù)進行可視化展示。使大數(shù)據(jù)具備知識服務功能，推動我國水利信息化向深遠發(fā)展。

3智慧水利的現(xiàn)狀

目前，國內智慧水利還處于一個初步發(fā)展的階段，發(fā)展速度很快，但與未來需求存在不小的差距，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。3.1在布局和互聯(lián)上的工作不夠全面在水利部門內部還存在共享難、格局小的現(xiàn)實情況，《中國水利》中“智慧水利現(xiàn)狀分析及建設初步設想”一文指出：當前國內73%的縣級水利部門是不能直接連接水利業(yè)務網的，基層水利部門較少使用水利信息系統(tǒng)[16]。數(shù)據(jù)庫不連通，無法實現(xiàn)地域間的數(shù)據(jù)整合、分析，導致數(shù)據(jù)僵硬化，很難對于水資源的聯(lián)合管理和洪澇災情的聯(lián)合整治。

3.2在水利數(shù)據(jù)應用上效果還不夠顯著

大數(shù)據(jù)雖然有數(shù)據(jù)多、種類雜的特點，但是對于數(shù)據(jù)本身也有要求。如今水利數(shù)據(jù)的采集缺乏標準，導致數(shù)據(jù)的質量得不到保證，從而在數(shù)據(jù)的應用上問題明顯，并且對于基于數(shù)據(jù)生成決策的能力有待加強，對于數(shù)據(jù)價值的挖掘能力有待提高。

3.3在水利數(shù)據(jù)分析上技術還不夠先進

大數(shù)據(jù)技術的最終目的在于生成分析處理結果，其中關于數(shù)據(jù)的分析至關重要。在水利信息化不斷推進的情況下，水利數(shù)據(jù)分析技術缺乏針對性[1]。同水利專業(yè)最密切的水文系統(tǒng)，是地球上最大、最復雜的動態(tài)系統(tǒng)，包含了同樣復雜的多個子系統(tǒng)，其中有大氣層-海洋系統(tǒng)、坡面系統(tǒng)、河流系統(tǒng)、海岸線系統(tǒng)、冰川系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)、風成沉積系統(tǒng)。即使其中的河流系統(tǒng)，流淌著的水流千姿百態(tài)，自然狀態(tài)多為紊流，流動規(guī)律過于復雜[7]，更何況挾沙水流中含大量泥沙顆粒后，影響因子增多，問題更為復雜[8][9]。因此，水利專業(yè)大數(shù)據(jù)除具備大數(shù)據(jù)的一般特點外，還具有不少特殊性[1]。水利數(shù)據(jù)來源形式多樣，存在大量內生性數(shù)據(jù)，加之其自身特殊性，現(xiàn)有技術難以挖掘其中價值，必須構建水利汐超算[1]，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律。“汐超算”實際上就是具有水利專業(yè)特色的云計算，能夠進行超級計算與處理復雜水利問題的趨勢，用來解決水利數(shù)據(jù)分析技術不夠先進的難題。

4大數(shù)據(jù)技術在未來智慧水利中的應用

當前是用數(shù)據(jù)說話的時代，水利行業(yè)作為關乎國家戰(zhàn)略發(fā)展和普惠民生的關鍵，在數(shù)據(jù)增長方面也是幾何式的，不管是黃河治理還是南水北調調控，不管是居民用水還是工、農業(yè)用水，日益增加的數(shù)據(jù)都必然引起人們關注。為應對日益增長的水利數(shù)據(jù)，增強水利行業(yè)部門之間的信息共享和聯(lián)動能力，探索大數(shù)據(jù)技術在智慧水利中的應用已經迫在眉睫。需要進一步確立大數(shù)據(jù)技術的重要性，建立健全配套的采集、匯總機制，強化存儲、更新能力，真正做到讓數(shù)據(jù)“說話”。對于信息共享和數(shù)據(jù)服務要廣開大門，打破地域、行業(yè)之間的限制壁壘，在數(shù)據(jù)流通中獲取高價值回報。大數(shù)據(jù)分析下的智慧水利，從根本上打破了信息的壁壘，將大量的放置的數(shù)據(jù)變的不再“僵硬”，而是隨時可以調用，數(shù)據(jù)從此也可以“說話”，對于水利部門來說，沒有大數(shù)據(jù)分析的智慧水利，是沒有“靈魂”的。大數(shù)據(jù)分析下的智慧水利，使水利數(shù)完成了由“靜”到“動”的轉變。各相關部門應按照水資源管理數(shù)據(jù)庫建設規(guī)范標準，開發(fā)水資源、水功能區(qū)、水資源量檢測、取用水量檢測等實時水利數(shù)據(jù)平臺，利用平臺層提供的監(jiān)控管理功能建立水利基本數(shù)據(jù)庫，在實現(xiàn)水資源數(shù)據(jù)資源的集成管理、存儲管理、安全管理的同時，整合水利信息資源，實現(xiàn)省市縣之間的數(shù)據(jù)匯集、業(yè)務應用與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換，強化數(shù)據(jù)處理分析能力。以全國水利信息化架構為基礎，以水利網絡為載體，以通訊網絡的互聯(lián)互通為神經，以數(shù)據(jù)中心為中樞，以智慧服務的水利應用為核心，廣泛應用物聯(lián)網、視聯(lián)網、泛在網、云計算、大數(shù)據(jù)、可視化新技術，促進“互聯(lián)網+”與現(xiàn)代水利的深度融合，全面承載各類水利信息資源，真正將智慧化水利當作惠及民生的重點工程去建設，最終形成以物聯(lián)網為技術支撐的水利數(shù)據(jù)采集監(jiān)控體系，完善水利大數(shù)據(jù)的應用。下圖為模擬水利大數(shù)據(jù)平臺，其中包含信息采集、數(shù)據(jù)匯集、應用支持和分析決策4大模塊。通過信息采集系統(tǒng)將各類水利數(shù)據(jù)采集匯總，傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺中；利用匯集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)清洗、分類，按需存儲在云平臺上；應用支持平臺提取已存儲的數(shù)據(jù)進行處理，進行日常辦公等活動；分析決策平臺通過建模將數(shù)據(jù)分析、預測，所得結果供用戶決策。借助這四個平臺，水利大數(shù)據(jù)才具有完整性、連續(xù)性和系統(tǒng)性。

4.1建立水利工程綜合運行管理平臺

利用互聯(lián)網、云服務、大數(shù)據(jù)等對河流流域的市縣級水利工程進行綜合管理和開發(fā)，將目前我國各流域的水利工程“制度化、專業(yè)化、信息化、景觀化”，保證水利工程的全面監(jiān)管。初步完成大數(shù)據(jù)基礎設施、大數(shù)據(jù)管理與應用平臺、云數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)網平臺的搭建。打造使用NoSQL可擴展的、能與云計算緊密融合的互聯(lián)互通、資源共享的水利數(shù)據(jù)庫。

4.2建立防洪預報系統(tǒng)

以洪災頻發(fā)的黃河為例，雖然最近由于治理較好，特大洪水災情基本上已經很少見，但是，“三年兩決口、百年一改道”的黃河，依舊是世界上最為復雜難治的河流，據(jù)黃委水文局統(tǒng)計，僅2010—2017年，黃河中游便有7條支流9個站點出現(xiàn)建站以來最大洪水。其中，黃河一級支流無定河流域2017年遭遇特大暴雨，陜西子洲、綏德縣城受淹，最大水深達4m，最大淤積厚度2.6m。（來源中國水利網，《黃河洪水，憂思仍在——汛來問黃河•專家訪談•之一》）。對于黃河來說，洪災的預報比直接治理洪災更重要，而報警系統(tǒng)的建立，可以依賴智慧水利對歷史降雨洪水的過程進行模擬，同時通過輸入降雨量等數(shù)據(jù)，利用高水平的水沙數(shù)學模型[10]，預測流域某出口的洪水流量等信息，從而進行預報。為了保證防洪預報的準確性和及時性，水利部門應完成水沙因子檢測、水質監(jiān)測等需要的基礎性設施建設。此外，依賴于大數(shù)據(jù)技術建立的防汛防凌抗旱指揮系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)不僅依賴當前的實際收集，也應該有歷史洪水的參數(shù)模擬。同時，防洪預報對于黃河流域土壤侵蝕的治理也有很大的效果，通過對流域內水沙因子的數(shù)據(jù)分析，可以分析出不同地方的水土的侵蝕的程度，從而進行針對性的治理，對于整個流域的水土治理，在平臺的數(shù)據(jù)監(jiān)控下，也可以隨時掌握[11]。

4.3建立智慧水電云平臺

水資源的利用一直都是普遍關注的課題。對于水電的管理，也需要一個智慧化的管理平臺，此平臺的設立，需要云存儲技術、移動互聯(lián)網技術讓水電站的運行和監(jiān)管、監(jiān)控一體化，實現(xiàn)水利大數(shù)據(jù)移動端應用全部上線，開展水務一體化管理系統(tǒng)、水利政務及公共服務等應用系統(tǒng)[12]。一個部門統(tǒng)籌和集中運營監(jiān)管水電站，實現(xiàn)少人或者無人值班值守，完成Web端和移動端的全部上線運行。

4.4支持河長制任務落實

建立與河長制相配套的信息保障平臺，包括數(shù)據(jù)整合、動態(tài)監(jiān)控和預測預報，同時兼顧社會輿情監(jiān)督服務，通過數(shù)據(jù)的采集分析，為河長制提供強有力的技術支撐。和傳統(tǒng)的河長制對比，擁有信息保障平臺的河長制任務，落實的過程中可以更加全面的依靠互聯(lián)網手段，不管是數(shù)據(jù)的整合還是數(shù)據(jù)的分析和預測，都會更加全面和詳實，對于提升數(shù)字化辦公能力，起到十分關鍵的作用，更好的為河長制任務的落地生根服務。

4.5綜合管理信息系統(tǒng)的效益

大數(shù)據(jù)技術加持下的智慧化黃河管理是全國水利信息化進程中的關鍵一環(huán)，通過管理、預警、治理、調度平臺，強化了水利管理效能，使水利數(shù)據(jù)信息傳遞得到有效提速，一方面提高了預警預報的及時性、準確性，另一方面為管理人員決策提供了科學依據(jù)，管理效率得到提升，一定程度上降低了成本，形成了全面參與、共享共治的黃河水利管理新局面。綜上所述，擁有大數(shù)據(jù)技術的智慧水利，具有大數(shù)據(jù)技術同樣的屬性，黃河智慧化的管理，就充分說明了智慧水利是可以跟隨大數(shù)據(jù)技術發(fā)展而發(fā)展的，準確的和及時的預報，管理效率的提高，讓智慧水利顯得離不開大數(shù)據(jù)分析，而事實上也是這樣。大數(shù)據(jù)技術不僅可以實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、處理和預報，更重要的是可以將采集到的數(shù)據(jù)和其他相關部門進行傳輸，比如水利可以和林業(yè)部門進行數(shù)據(jù)共享，不僅可以豐富數(shù)據(jù)分析依據(jù)，還可以共享處理結果，實現(xiàn)全平臺的信息共享。且大數(shù)據(jù)技術還能夠充分利用龐大的水文數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化后的計算方式，進行旱澇預報、風險評估、資源調度、管理協(xié)調等。智慧水利關鍵在于“智慧”，而大數(shù)據(jù)技術就是為用戶提供知識型智能服務[12]，借助大數(shù)據(jù)技術的海量數(shù)據(jù)處理功能，提取有價值信息，形成分析結果，只有大數(shù)據(jù)技術能夠在信息化飛速發(fā)展的今天，使水利走進數(shù)字時代。借助大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)水利綜合決策科學化、水利監(jiān)管精細化、水利公共服務便民化。此外，為了響應國家戰(zhàn)略規(guī)劃，大數(shù)據(jù)與專業(yè)結合勢在必行。智慧水利在將來的應用必然是全方位的，通過數(shù)據(jù)的深入分析，可以輕松的獲取區(qū)域水域的監(jiān)管信息，從而提高水資源的利用效率[13]。智慧水利不僅運用于灌溉農田和水資源共享管理，在洪澇災害的預測預警方面，通過建立相應的水文數(shù)據(jù)庫，將歷史上的洪澇災情、方向、流量、區(qū)域進行匯總分析，運用大數(shù)據(jù)分析對可能發(fā)生的災情進行預警和評估[14]，通過可視化技術展示，制定各類方法措施、通過有線或無線通信手段，實現(xiàn)智能控制[15]。與此同時，有效利用水質監(jiān)測站檢測結果，對區(qū)域內水污染根源進行排查整治。

5.結語

智慧水利的進步，需要加強水利數(shù)據(jù)中心和分中心數(shù)據(jù)資源管理平臺的搭建，推進各級數(shù)據(jù)中心的資源共享平臺建設，并增強水利數(shù)據(jù)中心和分中心的容災能力，從而保障智慧水利的業(yè)務應用和監(jiān)管能力。依托大數(shù)據(jù)分析下的智慧水利，實現(xiàn)人水和諧的水利現(xiàn)代化建設。智慧水利的成功必須建立在大數(shù)據(jù)分析的基礎上，沒有科學分析過的數(shù)據(jù)，是僵化的，沒有生命力的數(shù)據(jù)。水利數(shù)據(jù)來源形式多樣，存在大量內生性數(shù)據(jù)，加之其自身特殊性，現(xiàn)有技術難以挖掘其中價值，必須構建具有水利專業(yè)特色的云計算平臺——“汐超算”，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律，用來解決水利數(shù)據(jù)分析技術不夠先進的難題，實現(xiàn)智慧水利的目標。各種關鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和智能分析，讓水利監(jiān)管人員對于各種突發(fā)情況有更加全面的處理能力。智慧水利的發(fā)展和建設，都離不開大數(shù)據(jù)分析，只有將大數(shù)據(jù)分析全面落實到智慧水利的每一個方面，才能在智慧水利的理念和發(fā)展下，實現(xiàn)水利管理的數(shù)字化、智能化和規(guī)范化。

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作者：趙藝璇1,2 單位：1.美國哥倫比亞大學數(shù)據(jù)科學學院，2.清大動力（北京）水治理科學技術研究院有限公司