城市河网水环境综合调控向人工智能迈进

提 纲1 城市水环境挑战与治理思路水环境提升的智能技术需求水环境智能化调控系统架构应用案例与效果结语与展望城镇化率高，人口密集水系复杂，河网密布涉水工程多，连通性差入河污染负荷强1

城市水环境挑战与治理思路水环境提升、水生态系统构建城市河网水环境提升新模式理论层面技术层面水源量质保障水系格局适配水动力重构管理层面精细化模拟智能互馈物联网+模型云研究目标关键环节研究内容系统治理理念控源截污 河道整治 水系连通

动力调控

生态修复强化净化 精细管理污染源解析与削减动态需水量确定水动力调控阈值标志成果核心环节水系连通动力调控1

城市水环境挑战与治理思路回字型环状辐射型多级圩型辐射型X型田字型如何解决复杂河网水环境综合调控问题？？？需要从物联感知、系统思维、系统学习、调度行为等方面，将人工智能与河网水环境综合调度有机融合，满足预报预警、预报调度的应用需求，实现科学精准调度1

城市水环境挑战与治理思路提 纲城市水环境挑战与治理思路水环境提升的智能技术需求水环境智能化调控系统架构应用案例与效果结语与展望1人工智能（Artificial

Intelligence，缩写AI）：它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。2

水环境提升的智能技术需求机器思维让计算机能够对感知到的外界信息和自己产生的内部信息进行思维性加工。主要包括：推理、搜索、规划等方面的研究机器感知要让计算机具有类似于人的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，相当于智能系统的输入部分。主要包括：机器视觉、模式识别、自然语言理解机器学习让计算机能够像人那样自动地获取新知识，并在实践中不断地完善自我和增强能力机器行为让计算机能够具有像人那样地行动和表达能力，如走、跑、拿、说、唱、写画等，相当于智能系统的输出部分广义的人工智能内容2

水环境提升的智能技术需求感知让终端具有智能感知能力：利用“天-空-地-人”监测技术（物联网）感知“雨、水、工情”多源信息，涉及水文/水动力/水质/工程运行信号的同步实时获取思维让计算机能够对感知到的“雨、水、工情”信息和“专业模型”产生的水环境调控预案信息进行思维性加工。包括：数据融合、同化、挖掘，并行计算、智能优选等方面的研究学习让计算机能够像人那样在水环境实况调度中自动集成新的调控应对方案，并在实践中不断地更新调度预案仓库，形成调度预案闭环，增强调度的科学性、精准度调度让计算机能够具有像人那样决策水环境综合调控预案，对工程发出指令，启动闸门、泵站等工程运行，相当于智能系统输出部分水环境综合调控范畴下的人工智能内涵2

水环境提升的智能技术需求城市河网水环境综合调控体系城市河网水环境提升智能模型：异构模型同化、多尺度分级双向嵌套、模型离散与拼接精准模拟：调度预案集智能感知：利用物联网、大数据、无人机、遥感感知多源要素信息：水文/水力学/水质/视频要素的实时同步获取、水利工程信息获取物联网+模型云平台联控联调系统平台决策预案优化：智能算法优选、决策方案的强化学习方案自动发布：方案自动滚动计算与实时发布信息采集耦合模拟智能决策联合控制运行保障51234自动化控制：闸/泵/堰水利工程群智能互馈：模型决策数据与水利工程群状态2

水环境提升的智能技术需求提 纲城市水环境挑战与治理思路水环境提升的智能技术需求水环境智能化调控系统架构应用案例与效果结语与展望1物联感知需要通过建设天-空-地-人一体化的监控网络，实现城市河网雨、水（水动力、水质指标）、工情监测信息的全覆盖3

水环境智能化调控系统架构水质监测水位流量监测视频监控闸泵远程测控雷达雨量监测物联感知传统监测设备智能化：使其支持物联网传输/互联协议水位：基于虚拟、遥测技术实现河湖库、闸站等区域水尺读数及水域范围的自动识别流量：基于雷达技术实现对河道、城市排水管网流量、流速、流场的在线监测虚拟、遥测电子水尺自动采集水位雷达流量流速监测3

水环境智能化调控系统架构物联感知研发智能监测设备：水质智能监测设备、无人机遥感等，丰富监测手段，实现水信息监测的智能化。如在主干河道、重点关注河段，自动监测透明度，太阳能野外无人值守水环境自动监测站（总磷、浊度、溶解氧、等多项水质参数）透明度自动识别监测仪太阳能野外无人值守水环境自动监测站3.5㎡视频监控判别水面垃圾漂浮物无人机遥感发现河道水浮莲覆盖3

水环境智能化调控系统架构系统思维——模型模拟技术借助模型模拟技术、系统开发技术，把人对水环境综合调控思维以“模型库”的形式赋予机器河网模型“智能”模拟技术需求之一：模型应具有空间多尺度嵌套模拟要求流域-区域-城市-圩区多尺度模型流域尺度河网区域尺度河网街道社区尺度河网市（县）

尺度河网河道分级定义拓扑关系，粗化和细化模型时间标签的版本控制，按照时间模型分类进一步离散模型，按照行政区划和水利分区3

水环境智能化调控系统架构河网模型“智能”模拟技术需求之二：模型应具有基础数据动态更新功能1、解决不同空间尺度模型定制与计算？2、解决不同时间尺度模型定制与计算？3、解决不同时空尺度模型嵌套与计算？4、解决河网模型精细化精准模拟？5、构建智慧系统解决预报预警、预报调度业务？数据库模型库3

水环境智能化调控系统架构A04A05

A06A03A01

A02城区尺度圩区尺度a05a03a06a04a02a01编号名称1001a011002a021003a031004a041005a051006a06编号名称0001A010002A020003A030004A040005A050006A06对应关系000110010002100200031003000410040005100500061006系统思维——模型模拟技术模型双向嵌套-正向利用模型嵌套耦合技术，小尺度模型外部节点与大尺度模型内部节点自动匹配按照统一的数据交互协议，城区尺度模型为圩区尺度模型自动提供外边界，满足圩区模拟和预报的边界封闭性3

水环境智能化调控系统架构系统思维——模型模拟技术模型双向嵌套-反向：小尺度模型为大尺度模型外部节点提供产汇流过程根据圩区集水区范围、下垫面特点、槽蓄量、工程运行参数，建立降雨-径流-污染物入河诊断3

水环境智能化调控系统架构系统思维——系统开发技术系统集成“模型网络库”，利用物联感知体系、滚动计算接口配置技术（数据同化），加载所有可能的“模型事件库”，以“水动力阈值+水环境指标”目标最优，优选“调控逻辑库”

，形成系统调度思维雨水情系统服务预报预警计算引擎实时雨水情系统预报预警子系统预报预警计算服务数据处理服务计算数据资源预报预警数据展示预报预警应用服务预报预警数据数据库系统实时水情数据实时雨情数据数据库系统实时水情数据实时雨情数据JDBC/WebServiceLocalAPIHTTPJDBCSocketTCP/

IP物联感知体系（实时数据接入）滚动计算接口配置（数据同化）系统思维形成3

水环境智能化调控系统架构系统思维——系统开发技术利用模型库、结果库数据与系统交互技术，实现调度方案生成；物联感知信息与模型实时交互，实现单一模型驱动向在线监测联合模型驱动的水环境综合调控技术过渡模型库-预案集模型计算结果库河道断面、节点水动力结果（流速、流量、水位）；水质结果（TP、TN等）水文模型1D水力学模型溢流单元模型网络库设计洪水（降雨、水位、流量）实况洪水（降雨、水位、流量）事件库预报洪水（降雨、水位、流量）防洪调度方案水闸运行规则子流域河网管网堤防工程圩区 水文-水动力模型闸坝泵桥涵

水力学计算公式逻辑库泵站运行规则模型库模型预案库、结果库模型+实时监测联合驱动实现流程模型结果驱动-解析-发布3

水环境智能化调控系统架构水文-水动力-水质一体化多尺度嵌套专业模型模型库调度预案集集成至调度系统3

水环境智能化调控系统架构系统学习首先，基于实况调度应用，系统自动以实况雨、水、工情为计算条件，进行历史调度过程的复演模拟，选择性的集成“执行调度预案”汇入““综合调控数据仓库”那么，每一次调度执行过程也是实现机器不断的学习过程，形成调度预案的“大数据”，将大数据分析模型与行业机理模型有机融合按照系统思维，未来调度将从“综合调控数据仓库”中快速查询“与当前河网情势相似的历史过程”，并将历史过程的调度方案、效果进行全方位展示与发布，实现对河网水环境的实时精准调度与综合预报调度自我学习过程自动复演模拟计算人的思维赋予机器3

水环境智能化调控系统架构调度行为基于智能监测技术、物联网接入技术、专业模型模拟技术、耦合模型-水环境调度系统平台-水利工程控制信息智能互馈技术形成水环境综合调控平台，并通过大数据技术处理调度预案形成“调度知识库”，以支撑智慧大脑的“智能”训练，并响应智慧大脑的调度、控制指令，控制水利工程的运行，形成“物联网监测——专业模型模拟——大数据集成分析——系统决策——物联网控制”的联控联调过程智能互馈控制3

水环境智能化调控系统架构提 纲城市水环境挑战与治理思路水环境提升的智能技术需求水环境智能化调控系统架构应用案例与效果结语与展望1物联网平台考虑万物接入和万物联动。

即对水体、水利工程、调度人员等不同对象的监测、控制和互动接口全部接入物联网+模型云平台考虑基于物联网、大数据的平台架构模式，构建模型云平台，实现模型云服务5

应用案例与效果物联网+模型云平台河网模型特征统计河道断面：22699个河段：8751段，长15373km水闸：1145座；泵站：760座圩区：1109个；子集水区：4973个连接节点：8589个湖泊、水库调蓄点：136个边界控制点：84个计算效率：一维模型4分钟计算6天5

应用案例与效果数据库——模型库建立了太湖地区多尺度精细化模型提供模型定制与发布服务利用构建的江苏省太湖地区离散化分区模型以及流域级别-与区域级别、区域级别与城市嵌套耦合模型，模型最小嵌套单元按照行政分区可以到街道社区，按照水利分区嵌套单元可以至圩区基于云平台模型定制与发布省（市）街道乡镇区（县）流域区域圩区城市村5

应用案例与效果本系统基于B/S架构，以实时监测与预报结果为驱动，以水文～水动力～水质一体化模型为核心，以工程调控为手段，以运行效果为目标，集成了水环境综合调控预案集，并开发实时监测、调控方案、预报预警、预案管理四个核心功能模块。系统已在阿里云部署运行5

应用案例与效果模块一：实时监测：在研究区域内布控了水文、水动力、水质、视频等物联感知监控站网，实时采集并以地图图表形式展现全要素监控信息。在线提供区域河网水位、水质（NH3-N、总P、总N、DO、COD、藻密度、浊度、电导率等），视频（水利工程运行状态，水尺、蓝藻、闸门开度识别），水利工程运行过程等数据。建立了实时监测数据与模型数据的交互机制，为模型计算提供数据支撑5

应用案例与效果模块二：调控方案：基于水环境综合调控决策预案集与调控阈值，当区域河网发生水位异常、水质恶化时，系统将自动启动模型计算，并触发调度方案优选程序，推送该时段最优调控方案。调度人员可根据系统优选区推选的不同调度方案查询与对比河网水动力、水质效果，并执行调度5

应用案例与效果模块三：预报预警：与实时雨情、水情、工情数据对接，模型在线滚动计算，预报未来一段时间（1-3天）城市河网区内任意关注点的水位、水质变化过程，依据水动力、水质指标阈值，发布预警信息，为预报调度提供支持5

应用案例与效果模块四：预案管理：集成了滨湖城市河网区汛期、非汛期，蓝藻期、非蓝藻期水环境综合调控预案集，可以查询、管理、年度更新调度预案信息和模型信息5

应用案例与效果智能技术应用水质、水位、视频自动监控WebGIS与业务数据融合的数据可视化技术中国国际进口博览会水环境监控调度系统城市河网智慧管理平台—城区防洪排涝与水环境提升联控联调集控管理系统（SUR-IOS）治理后治理前5

应用案例与