城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控向人工智能邁進(jìn)

提 綱1 城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語(yǔ)與展望城鎮(zhèn)化率高，人口密集水系復(fù)雜，河網(wǎng)密布涉水工程多，連通性差入河污染負(fù)荷強(qiáng)1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升、水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建城市河網(wǎng)水環(huán)境提升新模式理論層面技術(shù)層面水源量質(zhì)保障水系格局適配水動(dòng)力重構(gòu)管理層面精細(xì)化模擬智能互饋物聯(lián)網(wǎng)+模型云研究目標(biāo)關(guān)鍵環(huán)節(jié)研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)治理理念控源截污 河道整治 水系連通

動(dòng)力調(diào)控

生態(tài)修復(fù)強(qiáng)化凈化 精細(xì)管理污染源解析與削減動(dòng)態(tài)需水量確定水動(dòng)力調(diào)控閾值標(biāo)志成果核心環(huán)節(jié)水系連通動(dòng)力調(diào)控1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路回字型環(huán)狀輻射型多級(jí)圩型輻射型X型田字型如何解決復(fù)雜河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控問題？？？需要從物聯(lián)感知、系統(tǒng)思維、系統(tǒng)學(xué)習(xí)、調(diào)度行為等方面，將人工智能與河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)度有機(jī)融合，滿足預(yù)報(bào)預(yù)警、預(yù)報(bào)調(diào)度的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)科學(xué)精準(zhǔn)調(diào)度1

城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語(yǔ)與展望1人工智能（Artificial

Intelligence，縮寫AI）：它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求機(jī)器思維讓計(jì)算機(jī)能夠?qū)Ω兄降耐饨缧畔⒑妥约寒a(chǎn)生的內(nèi)部信息進(jìn)行思維性加工。主要包括：推理、搜索、規(guī)劃等方面的研究機(jī)器感知要讓計(jì)算機(jī)具有類似于人的感知能力，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺，相當(dāng)于智能系統(tǒng)的輸入部分。主要包括：機(jī)器視覺、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言理解機(jī)器學(xué)習(xí)讓計(jì)算機(jī)能夠像人那樣自動(dòng)地獲取新知識(shí)，并在實(shí)踐中不斷地完善自我和增強(qiáng)能力機(jī)器行為讓計(jì)算機(jī)能夠具有像人那樣地行動(dòng)和表達(dá)能力，如走、跑、拿、說(shuō)、唱、寫畫等，相當(dāng)于智能系統(tǒng)的輸出部分廣義的人工智能內(nèi)容2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求感知讓終端具有智能感知能力：利用“天-空-地-人”監(jiān)測(cè)技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)）感知“雨、水、工情”多源信息，涉及水文/水動(dòng)力/水質(zhì)/工程運(yùn)行信號(hào)的同步實(shí)時(shí)獲取思維讓計(jì)算機(jī)能夠?qū)Ω兄降摹坝?、水、工情”信息和“專業(yè)模型”產(chǎn)生的水環(huán)境調(diào)控預(yù)案信息進(jìn)行思維性加工。包括：數(shù)據(jù)融合、同化、挖掘，并行計(jì)算、智能優(yōu)選等方面的研究學(xué)習(xí)讓計(jì)算機(jī)能夠像人那樣在水環(huán)境實(shí)況調(diào)度中自動(dòng)集成新的調(diào)控應(yīng)對(duì)方案，并在實(shí)踐中不斷地更新調(diào)度預(yù)案?jìng)}庫(kù)，形成調(diào)度預(yù)案閉環(huán)，增強(qiáng)調(diào)度的科學(xué)性、精準(zhǔn)度調(diào)度讓計(jì)算機(jī)能夠具有像人那樣決策水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案，對(duì)工程發(fā)出指令，啟動(dòng)閘門、泵站等工程運(yùn)行，相當(dāng)于智能系統(tǒng)輸出部分水環(huán)境綜合調(diào)控范疇下的人工智能內(nèi)涵2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求城市河網(wǎng)水環(huán)境綜合調(diào)控體系城市河網(wǎng)水環(huán)境提升智能模型：異構(gòu)模型同化、多尺度分級(jí)雙向嵌套、模型離散與拼接精準(zhǔn)模擬：調(diào)度預(yù)案集智能感知：利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)、遙感感知多源要素信息：水文/水力學(xué)/水質(zhì)/視頻要素的實(shí)時(shí)同步獲取、水利工程信息獲取物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺(tái)聯(lián)控聯(lián)調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)決策預(yù)案優(yōu)化：智能算法優(yōu)選、決策方案的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方案自動(dòng)發(fā)布：方案自動(dòng)滾動(dòng)計(jì)算與實(shí)時(shí)發(fā)布信息采集耦合模擬智能決策聯(lián)合控制運(yùn)行保障51234自動(dòng)化控制：閘/泵/堰水利工程群智能互饋：模型決策數(shù)據(jù)與水利工程群狀態(tài)2

水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語(yǔ)與展望1物聯(lián)感知需要通過(guò)建設(shè)天-空-地-人一體化的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)城市河網(wǎng)雨、水（水動(dòng)力、水質(zhì)指標(biāo)）、工情監(jiān)測(cè)信息的全覆蓋3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)水質(zhì)監(jiān)測(cè)水位流量監(jiān)測(cè)視頻監(jiān)控閘泵遠(yuǎn)程測(cè)控雷達(dá)雨量監(jiān)測(cè)物聯(lián)感知傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備智能化：使其支持物聯(lián)網(wǎng)傳輸/互聯(lián)協(xié)議水位：基于虛擬、遙測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)河湖庫(kù)、閘站等區(qū)域水尺讀數(shù)及水域范圍的自動(dòng)識(shí)別流量：基于雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)河道、城市排水管網(wǎng)流量、流速、流場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)虛擬、遙測(cè)電子水尺自動(dòng)采集水位雷達(dá)流量流速監(jiān)測(cè)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)物聯(lián)感知研發(fā)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備：水質(zhì)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、無(wú)人機(jī)遙感等，豐富監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)水信息監(jiān)測(cè)的智能化。如在主干河道、重點(diǎn)關(guān)注河段，自動(dòng)監(jiān)測(cè)透明度，太陽(yáng)能野外無(wú)人值守水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站（總磷、濁度、溶解氧、等多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)）透明度自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測(cè)儀太陽(yáng)能野外無(wú)人值守水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站3.5㎡視頻監(jiān)控判別水面垃圾漂浮物無(wú)人機(jī)遙感發(fā)現(xiàn)河道水浮蓮覆蓋3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)借助模型模擬技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，把人對(duì)水環(huán)境綜合調(diào)控思維以“模型庫(kù)”的形式賦予機(jī)器河網(wǎng)模型“智能”模擬技術(shù)需求之一：模型應(yīng)具有空間多尺度嵌套模擬要求流域-區(qū)域-城市-圩區(qū)多尺度模型流域尺度河網(wǎng)區(qū)域尺度河網(wǎng)街道社區(qū)尺度河網(wǎng)市（縣）

尺度河網(wǎng)河道分級(jí)定義拓?fù)潢P(guān)系，粗化和細(xì)化模型時(shí)間標(biāo)簽的版本控制，按照時(shí)間模型分類進(jìn)一步離散模型，按照行政區(qū)劃和水利分區(qū)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)河網(wǎng)模型“智能”模擬技術(shù)需求之二：模型應(yīng)具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新功能1、解決不同空間尺度模型定制與計(jì)算？2、解決不同時(shí)間尺度模型定制與計(jì)算？3、解決不同時(shí)空尺度模型嵌套與計(jì)算？4、解決河網(wǎng)模型精細(xì)化精準(zhǔn)模擬？5、構(gòu)建智慧系統(tǒng)解決預(yù)報(bào)預(yù)警、預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)？數(shù)據(jù)庫(kù)模型庫(kù)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)A04A05

A06A03A01

A02城區(qū)尺度圩區(qū)尺度a05a03a06a04a02a01編號(hào)名稱1001a011002a021003a031004a041005a051006a06編號(hào)名稱0001A010002A020003A030004A040005A050006A06對(duì)應(yīng)關(guān)系000110010002100200031003000410040005100500061006系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)模型雙向嵌套-正向利用模型嵌套耦合技術(shù)，小尺度模型外部節(jié)點(diǎn)與大尺度模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自動(dòng)匹配按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，城區(qū)尺度模型為圩區(qū)尺度模型自動(dòng)提供外邊界，滿足圩區(qū)模擬和預(yù)報(bào)的邊界封閉性3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——模型模擬技術(shù)模型雙向嵌套-反向：小尺度模型為大尺度模型外部節(jié)點(diǎn)提供產(chǎn)匯流過(guò)程根據(jù)圩區(qū)集水區(qū)范圍、下墊面特點(diǎn)、槽蓄量、工程運(yùn)行參數(shù)，建立降雨-徑流-污染物入河診斷3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)系統(tǒng)集成“模型網(wǎng)絡(luò)庫(kù)”，利用物聯(lián)感知體系、滾動(dòng)計(jì)算接口配置技術(shù)（數(shù)據(jù)同化），加載所有可能的“模型事件庫(kù)”，以“水動(dòng)力閾值+水環(huán)境指標(biāo)”目標(biāo)最優(yōu)，優(yōu)選“調(diào)控邏輯庫(kù)”

，形成系統(tǒng)調(diào)度思維雨水情系統(tǒng)服務(wù)預(yù)報(bào)預(yù)警計(jì)算引擎實(shí)時(shí)雨水情系統(tǒng)預(yù)報(bào)預(yù)警子系統(tǒng)預(yù)報(bào)預(yù)警計(jì)算服務(wù)數(shù)據(jù)處理服務(wù)計(jì)算數(shù)據(jù)資源預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)展示預(yù)報(bào)預(yù)警應(yīng)用服務(wù)預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雨情數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雨情數(shù)據(jù)JDBC/WebServiceLocalAPIHTTPJDBCSocketTCP/

IP物聯(lián)感知體系（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入）滾動(dòng)計(jì)算接口配置（數(shù)據(jù)同化）系統(tǒng)思維形成3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)思維——系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)利用模型庫(kù)、結(jié)果庫(kù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案生成；物聯(lián)感知信息與模型實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)單一模型驅(qū)動(dòng)向在線監(jiān)測(cè)聯(lián)合模型驅(qū)動(dòng)的水環(huán)境綜合調(diào)控技術(shù)過(guò)渡模型庫(kù)-預(yù)案集模型計(jì)算結(jié)果庫(kù)河道斷面、節(jié)點(diǎn)水動(dòng)力結(jié)果（流速、流量、水位）；水質(zhì)結(jié)果（TP、TN等）水文模型1D水力學(xué)模型溢流單元模型網(wǎng)絡(luò)庫(kù)設(shè)計(jì)洪水（降雨、水位、流量）實(shí)況洪水（降雨、水位、流量）事件庫(kù)預(yù)報(bào)洪水（降雨、水位、流量）防洪調(diào)度方案水閘運(yùn)行規(guī)則子流域河網(wǎng)管網(wǎng)堤防工程圩區(qū) 水文-水動(dòng)力模型閘壩泵橋涵

水力學(xué)計(jì)算公式邏輯庫(kù)泵站運(yùn)行規(guī)則模型庫(kù)模型預(yù)案庫(kù)、結(jié)果庫(kù)模型+實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程模型結(jié)果驅(qū)動(dòng)-解析-發(fā)布3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)水文-水動(dòng)力-水質(zhì)一體化多尺度嵌套專業(yè)模型模型庫(kù)調(diào)度預(yù)案集集成至調(diào)度系統(tǒng)3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)學(xué)習(xí)首先，基于實(shí)況調(diào)度應(yīng)用，系統(tǒng)自動(dòng)以實(shí)況雨、水、工情為計(jì)算條件，進(jìn)行歷史調(diào)度過(guò)程的復(fù)演模擬，選擇性的集成“執(zhí)行調(diào)度預(yù)案”匯入““綜合調(diào)控?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”那么，每一次調(diào)度執(zhí)行過(guò)程也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器不斷的學(xué)習(xí)過(guò)程，形成調(diào)度預(yù)案的“大數(shù)據(jù)”，將大數(shù)據(jù)分析模型與行業(yè)機(jī)理模型有機(jī)融合按照系統(tǒng)思維，未來(lái)調(diào)度將從“綜合調(diào)控?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”中快速查詢“與當(dāng)前河網(wǎng)情勢(shì)相似的歷史過(guò)程”，并將歷史過(guò)程的調(diào)度方案、效果進(jìn)行全方位展示與發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)河網(wǎng)水環(huán)境的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)度與綜合預(yù)報(bào)調(diào)度自我學(xué)習(xí)過(guò)程自動(dòng)復(fù)演模擬計(jì)算人的思維賦予機(jī)器3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)調(diào)度行為基于智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)、專業(yè)模型模擬技術(shù)、耦合模型-水環(huán)境調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)-水利工程控制信息智能互饋技術(shù)形成水環(huán)境綜合調(diào)控平臺(tái)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)處理調(diào)度預(yù)案形成“調(diào)度知識(shí)庫(kù)”，以支撐智慧大腦的“智能”訓(xùn)練，并響應(yīng)智慧大腦的調(diào)度、控制指令，控制水利工程的運(yùn)行，形成“物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)——專業(yè)模型模擬——大數(shù)據(jù)集成分析——系統(tǒng)決策——物聯(lián)網(wǎng)控制”的聯(lián)控聯(lián)調(diào)過(guò)程智能互饋控制3

水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)提 綱城市水環(huán)境挑戰(zhàn)與治理思路水環(huán)境提升的智能技術(shù)需求水環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用案例與效果結(jié)語(yǔ)與展望1物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)考慮萬(wàn)物接入和萬(wàn)物聯(lián)動(dòng)。

即對(duì)水體、水利工程、調(diào)度人員等不同對(duì)象的監(jiān)測(cè)、控制和互動(dòng)接口全部接入物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺(tái)考慮基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的平臺(tái)架構(gòu)模式，構(gòu)建模型云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型云服務(wù)5

應(yīng)用案例與效果物聯(lián)網(wǎng)+模型云平臺(tái)河網(wǎng)模型特征統(tǒng)計(jì)河道斷面：22699個(gè)河段：8751段，長(zhǎng)15373km水閘：1145座；泵站：760座圩區(qū)：1109個(gè)；子集水區(qū)：4973個(gè)連接節(jié)點(diǎn)：8589個(gè)湖泊、水庫(kù)調(diào)蓄點(diǎn)：136個(gè)邊界控制點(diǎn)：84個(gè)計(jì)算效率：一維模型4分鐘計(jì)算6天5

應(yīng)用案例與效果數(shù)據(jù)庫(kù)——模型庫(kù)建立了太湖地區(qū)多尺度精細(xì)化模型提供模型定制與發(fā)布服務(wù)利用構(gòu)建的江蘇省太湖地區(qū)離散化分區(qū)模型以及流域級(jí)別-與區(qū)域級(jí)別、區(qū)域級(jí)別與城市嵌套耦合模型，模型最小嵌套單元按照行政分區(qū)可以到街道社區(qū)，按照水利分區(qū)嵌套單元可以至圩區(qū)基于云平臺(tái)模型定制與發(fā)布?。ㄊ校┙值类l(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)（縣）流域區(qū)域圩區(qū)城市村5

應(yīng)用案例與效果本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)結(jié)果為驅(qū)動(dòng)，以水文～水動(dòng)力～水質(zhì)一體化模型為核心，以工程調(diào)控為手段，以運(yùn)行效果為目標(biāo)，集成了水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案集，并開發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)控方案、預(yù)報(bào)預(yù)警、預(yù)案管理四個(gè)核心功能模塊。系統(tǒng)已在阿里云部署運(yùn)行5

應(yīng)用案例與效果模塊一：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在研究區(qū)域內(nèi)布控了水文、水動(dòng)力、水質(zhì)、視頻等物聯(lián)感知監(jiān)控站網(wǎng)，實(shí)時(shí)采集并以地圖圖表形式展現(xiàn)全要素監(jiān)控信息。在線提供區(qū)域河網(wǎng)水位、水質(zhì)（NH3-N、總P、總N、DO、COD、藻密度、濁度、電導(dǎo)率等），視頻（水利工程運(yùn)行狀態(tài)，水尺、藍(lán)藻、閘門開度識(shí)別），水利工程運(yùn)行過(guò)程等數(shù)據(jù)。建立了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的交互機(jī)制，為模型計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐5

應(yīng)用案例與效果模塊二：調(diào)控方案：基于水環(huán)境綜合調(diào)控決策預(yù)案集與調(diào)控閾值，當(dāng)區(qū)域河網(wǎng)發(fā)生水位異常、水質(zhì)惡化時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)模型計(jì)算，并觸發(fā)調(diào)度方案優(yōu)選程序，推送該時(shí)段最優(yōu)調(diào)控方案。調(diào)度人員可根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)選區(qū)推選的不同調(diào)度方案查詢與對(duì)比河網(wǎng)水動(dòng)力、水質(zhì)效果，并執(zhí)行調(diào)度5

應(yīng)用案例與效果模塊三：預(yù)報(bào)預(yù)警：與實(shí)時(shí)雨情、水情、工情數(shù)據(jù)對(duì)接，模型在線滾動(dòng)計(jì)算，預(yù)報(bào)未來(lái)一段時(shí)間（1-3天）城市河網(wǎng)區(qū)內(nèi)任意關(guān)注點(diǎn)的水位、水質(zhì)變化過(guò)程，依據(jù)水動(dòng)力、水質(zhì)指標(biāo)閾值，發(fā)布預(yù)警信息，為預(yù)報(bào)調(diào)度提供支持5

應(yīng)用案例與效果模塊四：預(yù)案管理：集成了濱湖城市河網(wǎng)區(qū)汛期、非汛期，藍(lán)藻期、非藍(lán)藻期水環(huán)境綜合調(diào)控預(yù)案集，可以查詢、管理、年度更新調(diào)度預(yù)案信息和模型信息5

應(yīng)用案例與效果智能技術(shù)應(yīng)用水質(zhì)、水位、視頻自動(dòng)監(jiān)控WebGIS與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)水環(huán)境監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)城市河網(wǎng)智慧管理平臺(tái)—城區(qū)防洪排澇與水環(huán)境提升聯(lián)控聯(lián)調(diào)集控管理系統(tǒng)（SUR-IOS）治理后治理前5

應(yīng)用案例與