智慧水利相關技術研究進展（倪建軍-河海大學）.pdf

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1、倪建軍智慧水利相關技術研究進展Presented by2020/1河海大學物聯網工程學院引 言p 2019年，水利部印發了加快推進智慧水利指導意見和智慧水利總體方案，明確提出要大幅提高水利科技創新實力，抓好智慧水利建設，加快信息化基礎設施升級改造，強化行業監管信息支撐，大幅提升水利信息化、智能化水平。p 智慧水利站在了水利科技發展的最前沿，迎來了新的機遇和挑戰。目 錄1智 慧 水 利 簡 介2相關技術研究進展3應用實踐與分析4總 結 與 展 望#1 #1 智慧水利簡介智慧水利簡介一、水利信息化的發展歷程 傳統水利現代水利水利智慧化（水聯網）水利信息化（網絡化）水利自動化詳見：倪建軍, et a

2、l. 水聯網與水利信息化理論探討及應用實踐. 水利信息化, 2016(4)1 1、水利信息化發展脈絡、水利信息化發展脈絡一、水利信息化的發展歷程2 2、水利信息化大事件水利信息化大事件（1）金水工程一、水利信息化的發展歷程2 2、水利信息化大事件水利信息化大事件（2）數字黃河 2003年，水利部正式批復數字黃河工程規劃和模型黃河工程規劃，標志三條黃河進入全面實施階段。 三條黃河：原型黃河、模型黃河、數字黃河一、水利信息化的發展歷程2 2、水利信息化大事件水利信息化大事件（3）感知太湖 2010年，無錫市感知太湖智慧水利項目通過中科院專家論證，正式開始進入實施階段。一、水利信息化的發展歷程2 2

3、、水利信息化大事件水利信息化大事件（4）2011年中央一號文件 目標任務。力爭通過年到年努力，從根本上扭轉水利建設明顯滯后的局面。 同一年：水利部發布關于開展推進水利現代化試點工作的通知，確定江蘇省為唯一一個省級區域水利現代化試點省份。一、水利信息化的發展歷程2 2、水利信息化大事件水利信息化大事件（5）2016年，河長制 2016年12月，中國中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了關于全面推行河長制的意見，并發出通知，要求各地區各部門結合實際認真貫徹落實。一、水利信息化的發展歷程2 2、水利信息化大事件水利信息化大事件（6）2019年，鄂部長在全國水利工作會議上的講話 中心思想：工程補短板、行業

4、強監管，奮力開工程補短板、行業強監管，奮力開創新時代水利事業新局面創新時代水利事業新局面 其中特別指出：要加強水文監測站網、水資源監控管理系統、水庫大壩安全監測監督平臺、山洪災害監測預警系統、水利信息網絡安全建設，推動建立水利遙感和視頻綜合監測網，提升監測、監視、監控覆蓋率和精準度，建設水利大數據中心，整合提升各類應用系統，增強水利信息感知、分析、處理和智慧應用的能力，以水利信息化驅動水利現代化。二、智慧水利簡介1 1、物聯網物聯網+ +人工智能人工智能=？當這些數以百萬計的嵌入式設備連接到人工智能機器，會發生什么？人工智能+物聯網=？是否正如我們所擔心的，將意味著文明的末日？ 物聯網可以被概

5、括地描述為無數物體、動物，甚至人與互聯網實現無線連接。這些“節點”可以在沒有人為干預的情況下發送或接收信息。有人估計，到2020年，接入物聯網的設備將多達500億臺。當人工智能遇上物聯網會帶來什么？二、智慧水利簡介2 2、物聯網、物聯網+ +人工智能的實際案例人工智能的實際案例思考：什么是真正智慧化？二、智慧水利簡介3 3、智慧水利的定義、智慧水利的定義智慧水利智慧水利=物聯網物聯網+人工智能人工智能+水利應用水利應用二、智慧水利簡介定義：物聯網在涉水行業的具體應用 特點：更透徹的感知、更全面的互聯互通以及更高的智能 目的：為實現真正的智慧水利服務水聯網智慧水利4 4、水聯網與智慧水利的關系分

6、析、水聯網與智慧水利的關系分析二、智慧水利簡介5 5、智慧水利與數字水利之區別、智慧水利與數字水利之區別l 清華大學陳陽宇教授： 數字水利是傳承水信息學的進一步發展，是2000年以來發展了的現代水信息學。 它從解決水問題的實際需求出發，以水循環的仿真模擬為基礎，綜合汲取運用水科學、信息科學、系統科學和社會科學最新研究成果，服務于提高水事活動效率和效能的目標，為水利現代化提供技術支撐。 二、智慧水利簡介5 5、智慧水利與數字水利之區別、智慧水利與數字水利之區別l 鄭州大學左其亭教授 “水利.”即為“智慧水利”階段，時間上預計在021-2050年前后。 該階段的特點是以豐富的水利經驗為基礎，充分利

7、用信息通訊技術和網絡空間虛擬技術，使傳統水利向智能化轉型。摘自：左其亭.中國水利發展階段及未來“水利.”戰略構想. 水電能源科學, 2015, 33(4)二、智慧水利簡介4 4、智慧水利與數字水利之區別、智慧水利與數字水利之區別l 主要區別 數字水利是智慧水利的基礎； 智慧水利是數字水利的發展。 主要區別在于是否有“智慧” 。什么是“智慧”？三、智慧水利發展展望n 破解智慧水利破解智慧水利瓶頸，需要瓶頸，需要從以下幾個方面入手從以下幾個方面入手（1 1）標準與規范問題）標準與規范問題（2 2）技術問題）技術問題（3 3）人才問題）人才問題（4 4）安全問題）安全問題（5 5）體制與觀念問題）體

8、制與觀念問題詳見：倪建軍倪建軍, ,中國水利報，中國水利報，20182018年年3 3月月8 8日版日版#2 #2 相關技術研究進展相關技術研究進展一、智慧水利發展相關核心技術第七次信息革命第七次信息革命？現在我們正經歷著一場信息革命信息革命。這不是在技術上、機器設備上、軟件上或速度上的一場革命，而是一場“概念”上的革命。以往50年信息技術的重點在“技術”上，目的在于提升信息傳播范圍、傳播能力和傳播效率。而新的信息革命的重點將會在“信息”上。彼得德魯克 21世紀的管理挑戰一、智慧水利發展相關核心技術n目前，信息技術已經成為推動全球產業變革的核心力量，并且不斷集聚創新資源與要素，與新業務形態、新

9、商業模式互動融合，快速推動農業、工業和服務業的轉型升級和變革，全新的工業經濟發展模式正在到來。n云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能（“云大物移智” ）等新一代信息技術的發展正加速推進全球產業分工深化和經濟結構調整，重塑全球經濟競爭格局，并驅動我國數字經濟發展。n新一代信息技術的發展， 為建設智慧水利提供了全方位服務， 為應對全球水問題提供了新的解決手段和方案 。l 現在，“云計算”越來越成為人們所關注的一個名詞，因為它代表了信息時代的未來。l 云計算被視為科技業的下一次革命，而它也將對工作方式和商業模式帶來根本性的改變。那么，什么是云計算？云計算有什么用處？l 云計算不能算是一個全新

10、的概念，它是并行計算、分布式計算和網格計算的綜合和發展。二、云計算技術1、什么是云計算二、云計算技術2、云計算定義n云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問， 進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡，服務器，存儲，應用軟件，服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。 對云計算的定義有多種說法。對于到底什么是云計算，至少可以找到100種解釋。 現階段廣為接受的是美國國家標準與技術研究院（NIST）定義:二、云計算技術3、云計算服務及應用基礎設施即服務（IaaS，Infrastructure as a Service）

11、平臺即服務 （PaaS，Platform as a Service）軟件即服務 （SaaS，Software as a Service）桌面即服務 （DaaS ，Desktop as a Service）網絡即服務 （NaaS ，Network as a Service）大數據即服務 （BDaaS ，BigData as a Service）三、物聯網技術歐盟（2009） 將現有的互聯的計算機網絡擴展到互聯的物品網絡。國際電信聯盟ITU（2005） From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connect

12、ivity for anything。（任何時間，任何地點，任何人，任何事之間建立連接。）麻省理工（1999，首次提出） 將各種信息傳感設備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，方便識別和管理。 1、物聯網的定義（Internet Of Things）三、物聯網技術2、物聯網的體系結構四層體系架構四、移動互聯網1 1、什么是互聯網、什么是互聯網 互聯網（英文Internet），又稱網際網路，根據音譯也被叫做因特網、英特網，是網絡與網絡之間所串連成的龐大網絡，這些網絡以一組通用的協

13、議相連，形成邏輯上的單一且巨大的全球化網絡。 在這個網絡中有交換機、路由器等網絡設備、各種不同的連接鏈路、種類繁多的服務器和數不盡的計算機、終端。 使用互聯網可以將信息瞬間發送到千里之外的人手中，它是信息社會的基礎。四、移動互聯網2 2、移動互聯網定義、移動互聯網定義從技術層面的定義：以寬帶IP為技術核心，可以同時提供語音、數據、多媒體等業務的開放式基礎電信網絡從終端的定義：用戶使用手機、上網本、筆記本電腦、平板電腦、智能本等移動終端，通過移動網絡獲取移動通信網絡服務和互聯網服務移動互聯網就是將移動通信與互聯網兩者結合起來，發揮各自的優勢，融為一體。四、移動互聯網3 3、5G5G技術介紹技術介

14、紹 5G通俗的來講就是一項無線通信技術，可以通過無線電波傳遞交換數據，高速度是它的最大特點，比如下載一部1G的電影只要幾秒鐘，比現在我們使用4G的網絡有著數十倍的差別。 5G特點：高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯、重構安全。五、大數據技術1 1、什么是大數據、什么是大數據所謂所謂“大數據大數據”（big data）指的是這樣一種現象：一個公司日常運營所生成和積累用戶）指的是這樣一種現象：一個公司日常運營所生成和積累用戶行為數據行為數據“增長如此之快，以至于難以使用現有的增長如此之快，以至于難以使用現有的工具來駕馭，困難存在于數工具來駕馭，困難存在于數據的據的、和和等方面。等方面?！边@些

15、數據量是如此之大，已經不這些數據量是如此之大，已經不是以我們所熟悉是以我們所熟悉G或或T為單位來衡量，而是以為單位來衡量，而是以或 為計量單位，所以稱之為大數據。為計量單位，所以稱之為大數據。五、大數據技術2 2、大數據的大數據的特點（特點（4V4V）（1）多樣性Variety（2）體量Volume（3）價值密度Value（4）速度Velocity大數據之“大”，其實并不在于其表面的“大容量”，而在于其潛在的“大價值”。數據產生的速度快、數據處理的速度快。2010年人類擁有的信息總量是1.2Z（1Z=10243T）,2020年將突破35Z,增長近20倍。六、人工智能 1嚴格定義：目前還沒有，因

16、為智能本身也還無嚴格定義。12一般解釋：人工智能就是用人工的方法在機器（計算機）上實現的智能，或稱機器智能。1 1、人工智能定義、人工智能定義詳見：倪建軍 主編. 人工智能與機器人, 科學出版社，2019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； 機器感知相當于智能系統的輸入部分，主要包括：機器視覺、模式識別、自然語言理解。機器思維 讓計算機能夠對感知到的外界信息和自己產生的內部信息進行思維性加工。 主要包括：推理、搜索、規劃等方面的研究。機器學習 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

17、動和表達能力，如走、跑、拿、說、唱、寫畫等。 機器行為相當于智能系統的輸出部分。2 2、人工智能主要研究內容、人工智能主要研究內容六、人工智能七、小 結 總體來看，“云大物移智” 代表著信息技術的大融合，大變革。 在“基建時代”，云計算本質上還是傳統IT（Information Technology，信息技術）；到了“應用時代”，它變成新的IT（Intelligence Technology，智能技術）。在云計算發展早期，它與大數據是割裂的。而到了應用時代，云計算、大數據和AI（人工智能）開始深度融合。 智慧水利是以云計算為平臺，移動互聯網、物聯網為終端，大數據為核心應用的水利（水務）綜合信息

18、系統。#3 #3 應用實踐與分析應用實踐與分析一、基于物聯網的水利信息化平臺綜合架構二、水源地水質監控系統實踐1 1、關鍵技術與難點關鍵技術與難點二、水源地水質監控系統實踐2 2、工作亮點工作亮點亮點1：基于智能手機的水環境自動巡查u 手機進行現場視頻、音頻同步交互傳輸，實現指揮中心遠程指令的可視對講指揮的需求；u 可以進行直播，也可以實現本地存儲；u 方便、使用、投入少。二、水源地水質監控系統實踐2 2、工作亮點工作亮點亮點2：云平臺的使用u 由于水源地比較分散，監測的相關數據由DTU通過4G網絡直接發送到云端數據庫；u 為了減少基層水利部門的投入及信息系統維護成本，視頻流媒體服務的功能也采

19、用租用云平臺的模式。二、水源地水質監控系統實踐2 2、工作亮點工作亮點亮點3：人工智能技術應用u 智能語音識別：在進行巡查過程中，為了實現快速錄入，支持語音輸入與智能識別，減少基層巡查人員勞動強度。u 水污染事件智能診斷：系統中采用基于人工智能故障診斷技術，可以精確區分傳感器故障與突發水污染事件。三、智慧河長制平臺解決方案1 1、解決方案全景圖、解決方案全景圖三、智慧河長制平臺解決方案2 2、解決方案系統架構、解決方案系統架構四、其他應用實踐1 1、水利樞紐三維動態展示平臺、水利樞紐三維動態展示平臺可將實時監控數據與三維動態展示相結合。四、其他應用實踐2 2、基于智能眼鏡的關鍵設備遠程維護、基

20、于智能眼鏡的關鍵設備遠程維護 基于智能眼鏡的設備現場維護系統，相關領域專家進行基于智能眼鏡的設備現場維護系統，相關領域專家進行遠程遠程指揮，本地工程師指揮，本地工程師現場現場操作操作，完成遠程故障恢復等功能。，完成遠程故障恢復等功能。 節約時間、降低成本、提高效率節約時間、降低成本、提高效率。3 3、基于、基于無人船的河道自動巡查無人船的河道自動巡查1）無人船主要功能多種水質參數采集，目前只支持常規五參數。自主導航、自主航行，可按設定路線自動到達指定地點。根據GPS實現定位，完成任務后自動返航?？梢越邮苁謩舆b控操作，完成航行和水質參數采集任務?？梢越邮艿孛婊镜母鞣N指令，完成定位、姿態調整等任

21、務，可實現水質數據、視頻信息等實時監控和存儲功能。具有一定的自保護功能，包括避障、電池電量報警等。四、其他應用實踐3 3、基于、基于無人船的河道自動巡查無人船的河道自動巡查2）無人船實際系統開發四、其他應用實踐4 4、基于深度學習的智能河道管理、基于深度學習的智能河道管理1）深度學習技術四、其他應用實踐n傳統的計算機視覺問題：圖像分割和關鍵點檢測，由于局部區域包含信息量有限，往往產生分類錯誤。n深度模型具有強大的學習能力，高效的特征表達能力，從像素級原始數據到抽象的語義概念逐層提取信息。4 4、基于深度學習的智能河道管理、基于深度學習的智能河道管理四、其他應用實踐2）識別結果四、總結與展望n

22、總總 結結l 智慧水利是水利信息化發展的新階段，是智慧地球、智慧城市理念在水利行業的延伸 。l 發展智慧水利， 要具備互聯網思維， 消除一切制約創新的環節， 打破傳統水利壁壘， 轉變水利行業中那些不適合智慧水利發展的落后理念， 加快推進水環境、 水上交通、 水利工程建設等水利行業內部各部門之間的深度融合， 協調水利行業與農業、 氣象、 環保、 能源、 城市管理等其他各部門之間的跨界融合。四、總結與展望n 展望展望發展智慧水利，應注重基礎研究，技術上應特別關注如下幾個方面：（1）芯片技術（2）邊緣計算（3）機器學習（4）智能機器人（5）信息安全（7）三維建模（8）數字孿生（9）標準與規范 等 等。