智慧灌区解决方案
1. 方案概述
随着物联网、云计算、大数据和人工智能技术的快速发展与成熟，为灌区信息化、智能化提升提供了有效的技术手段。智慧灌区信息化解决方案在“科学配水、节水灌溉、生态保护、智能控制”的目标指引下，实现灌区全域化数据“采、传、存、用、管”，满足灌区主管单位、水利部门、农业部门，乃至农户、第三方维护单位的实际应用需求，为灌区水利现代化和经济社会可持续发展提供可靠保障。
智慧灌区的建设，遵循以习近平总书记新时代中国特色社会主义思想为指导，按照水资源和谐发展的客观规律，依据以水定需、量水而行、因水制宜原则，提升灌区全域物联感知、互联互通、多网融合、数据模型大脑、智慧应用和态势展示、水资源调度的能力，推动灌区发展与水资源和水环境承载力相协调，发展完整的灌区水生态系统，建立灌区永久水资源保障制度，构建先进的灌区水科技文化。
1.1 智慧灌区建设背景
我国水资源总量居世界第四位，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大。但是，我国人均水资源占有量为仅为世界平均水平的1/4，居世界第121位 ,被列为世界上13个贫水国之一。在这种水资源匮乏的状况下，用于灌溉的农业用水却占了70%。全国拥有5.2亿亩灌溉面积，占农田总面积的41%，生产了占总产量75%的粮食和95%以上的其它作物，显然，灌溉工程在现代农业和农村经济发展中的地位和作用是显而易见的。
2019年3月6日，水利部在北京部署安排2019-2020年全国重点中型灌区节水配套改造工作，要求各地于2020年底基本完成重点中型灌区节水配套改造任务，解决影响灌区正常运行的“卡脖子”问题。我国共有重点大中型灌区7800多处，多数位于国家粮食主产区，是保障国家粮食安全的重要基地，也是实施乡村振兴战略的重要领域。实施重点中型灌区节水配套改造，加快补齐农村水利领域工程短板，是落实“节水优先”方针和“水利工程补短板、水利行业强监管”水利改革发展总基调的重要举措。
1.2 指导思想与目标
1.2.1指导思想
根据国家对水利信息化建设的宏观要求，以及灌区管理的实际需要，在确保灌区信息化预期目标实现的前提下，充分考虑资金、技术发展以及现行管理水平等客观因素，遵循“因地制宜、视需定建，突出重点、逐步扩展、高效可靠、确保效果”的原则，坚持先进性与经济性相兼容、超前性与实用性相兼顾的指导原则。在技术上采用先进、成熟的智能化技术，使其具有较长的生命周期；通过分层解耦的方式保证方案的开放性和兼容性，为技术更新和功能升级留有余地。
1.2.2目标
1.灌区水资源监测设施智能化提升，配置一体化的监测站点，实现水资源及周边相关环境数据的物联化采集与处理，获取水位、压力、流量、闸位、水质、工情、墒情、泵站、闸门运行信息以及现场视频信息等各种格式化或非格式化数据，供有关职能部门分析和决策使用。大（中）型灌区可以对远程现场的运行设备进行监测和控制，以实现灌区引水泵站机组运行参数、水位、流量等数据实时监测及闸门开关的自动控制，降低故障率和提高对系统的反应时间。对于点多面广，末级渠系纵横交错的小型灌区可以实时监测小水池、小水窑、小水渠、小塘坝等灌溉水源地的水位、用水量、水质等数据，满足数据定时上报、历史数据查询、用水数据动态分析、异常事件报警等需求，实现远程控制引水渠电子闸门的开启关闭。
2.根据灌区物理环境上的差异性和运营商网络的覆盖情况，系统满足多样化的组网需求，可实现向下数据接收、向上信息转发，在政务外网、政务内网、业务专网、互联网的多个网络实现数据的多网融合应用；
3.以数据价值驱动为指引，推动灌区生产、环境、时空等内外部数据的抽取、清洗、标签、聚合和专题化，构建灌区水资源数据中台。有助于事前预测预警、事中执行调度、事后分析评价的体系目标达成，最终形成可更新迭代的智能化模型大脑。
4.满足灌区主管单位、水利部门、农业部门，乃至农户、第三方维护单位的实际应用需求，从监测、管控、调度、便农、运维等角度促进业务信息系统在灌区中的应用与推广。对于水资源调配进行专项专题，也可以通过数据-模型-预案-决策的方式建立线上线下预案，以应对突发事件的应急处置。
5.构建多维一体的水资源调度展示中心，实时掌握关键数据与设备运行状态，实现异常事件的跟踪与处理，通过移动应用让决策人员、分析人员随时随地发现问题、分析问题和解决问题。自下而上夯实信息化、智能化基础设施，从上往下应用需求贯穿始终。 智慧灌区解决方案
1.3 设计依据
本方案主要遵循的规范标准如下：
➢ 《中华人民共和国水法》
➢ 《国务院办公厅关于推进农业水价综合改革的意见》
➢ 《关于持续推进农业水价综合改革工作的通知》（发改价格〔2020〕1262号）
➢ 水利部办公厅关于《加强灌溉用水定额管理的指导意见》
➢ 水利部《关于加强水文计量管理工作的通知》
➢ 水利部办公厅《关于加强农业取水许可管理的通知》
➢ 《地下水管理条例（征求意见稿）》
➢ 《国家防汛指挥系统》
➢ 农计发[2015]145号《全国农业可持续发展规划（2015-2030年）》
➢ 《大中型灌区标准化规范化管理指导意见（试行）》
➢ 《全国大型灌区基础数据库设计指南》
➢ 《水法规建设规划（2020—2025年）》
➢ 《灌溉渠道系统量水规范（2017）》
➢ GB 50288-2018 《灌溉与排水工程设计规范》
➢ GB/T 29404-2012 《灌溉用水定额编制导则》
➢ GB 5084-2005 《农田灌溉水质标准》
➢ SL/T246－1999 《灌溉与排水工程技术管理规程》
➢ SL 364-2015 《土壤墒情监测规范》
➢ SL 365-2015 《水资源水量监测技术导则》
➢ SL/T 769-2020《农田灌溉建设项目水资源论证导则》
➢ SL 21-2015 《降水量观测规范》
➢ SL 254-2000 《泵站技术改造规程》
➢ GB/T28714 《取水计量技术导则》
➢ SL 256-2000 《机井技术规范》
➢ SL380-2007 《水资源监控管理系统数据库表结构及标识符标准》
➢ SZY206-2016 《水资源监测数据传输规约》
➢ SL/Z332-2005 《水利信息系统初步设计报告编制规定》
➢ SL/T 783-2019 《水利数据交换规约》
➢ SL/T 415-2019 《水文基础设施及技术装备管理规范》
➢ SL 730-2015 《水利空间要素图式与表达规范》
➢ SL 620-2013 《水利统计基础数据采集技术规范》
➢ SL 434-2008 《水利信息网建设指南》
➢ SL 340-2006 《流速流量记录仪》
➢ SL/Z 589-2013 《水利信息化业务流程设计方法通用指南》
➢ SL 415-2007 《水文基础设施及技术装备管理规范》
➢ SL 180-2015 《水文自动测报系统设备遥测终端机》
➢ SL 61-2015 《水文自动测报系统技术规范》
➢ SL 292 《水利系统通信业务导则》
➢ SL231-98 《水利工程基础信息代码编制规定》
➢ SL323-2005 《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》
➢ SL324-2005 《基础水文数据库表结构与标识符标准》
➢ SL330-2005 《水情信息编码标准》
➢ SL61-2003 《水文自动测报系统技术规范》
➢ SL/T102-95 《水文自动测报系统设备基本技术条件》
➢ SL/T243-1999 《水位计通用技术条件》
➢ SL324-2005 《基础水文数据库表结构及标识符标准》
➢ SL325-2005 《水质数据库表结构与标识符标准》
➢ SL/Z349-2006 《水资源实时监控系统建设技术导则》
➢ SL426-2008 《水资源监控设备基本技术条件》
➢ SL427-2008 《水资源监控管理系统数据传输规约》
1.4 预期效益
1．通过智慧灌区信息化系统的高效运行，为灌区管理决策提供及时、准确、科学的信息，管理者能够随时了解灌区管理的运行状态、掌握安全隐患，做到防患于未然，强化灌区管理的安全机制，提高其水资源能力，实现灌区管理从被动反应式走向主动前瞻式，并由此产生巨大的经济效益。
2．系统运行过程中积累的宝贵数据资源能够为相关信息系统建设提供数据基础，同时系统具有良好的扩展性，能够进一步提供各种社会增值服务，打造全方位的灌区管理服务体系。
3．通过智慧灌区建设，保障灌区管理日趋高效。将完善灌区农村水资源调配网络体系，提高灌区供水保证率，缓解灌溉用水矛盾，减少水事纠纷，促进社会和谐稳。同时，极大的提高了数据的全面性、准确性和适应性，提高了管理水平和效率，推动灌区管理和决策从此向纵深、精细和高水平方向发展。
2. 需求分析
2.1 灌区基础数据的需求
随着大数据技术和人工智能的快速进步与发展，在社会民生的各行各业越来越意识到数据所带来的巨大意义和价值，在智慧灌区领域也不例外。按照DIKW体系的金字塔层次分级，数据、信息、知识、智慧是逐级上升，每一层都比下一层赋予多一些的特质。原始观察及计量获得了数据，分析数据间的关系并加工获得了信息，通过对信息运用产生了知识，知识指引现实便是智慧，智慧是模型也是未来。这是数据的进化论，也是灌区智能化的必经路径，更是国家以深化数据要素市场化配置改革的核心方向。通过多年建设，灌区已经在水资源管理、水量调度、水利工程设计等方面建立了初步信息化基础设施，具备了信息化的管理雏形。但从全国2200多处重点中型灌区的体量上来看，对各个点位全面、快速、准确的数据采集和大量信息加工的需求依旧巨大，包括水雨情、流量水位、土壤墒情、灌区用水、农户用水、管灌用水、机井用水、工业用水等格式化数据，也包含视频、图像等非结构化数据。这使得智能的物联感知设备和采集加工技术，以及一体化站点的需求呼之欲出；同时让无序的数据在前端就被加工成可识别的信息，降低后端计算资源的投入与耗费，让边缘计算技术的融合也顺理成章。
2.2 传输适应性的需求
由于灌区物理环境的差异性影响，对信息传输的要求也有所不同。首先，由于前端监测采集设备大量安装于郊区农村、丘陵、群山中，障碍物越密集，对无线通讯距离的影响就越大。其次，直流电机、高压电网、高频电子设备等电磁环境对通信信号的质量也有着很大的影响。第三，温度也会对信号的传输有着明显的影响，当温度越高发射功率越低，接受的灵敏度也会降低，从而减少了通讯距离；相反温度越低，通信距离越长。最后，因为全国各省市基站建设的进度不同，还可能会出现覆盖不足的情况。因此对于不同情况下的适应性传输技术需求成为在具体实践中必须要考虑的因素。除了已逐步成熟的Nbiot、LoRa等物联网窄带传输技术以外，Zigbee，Cat.1技术能够更好适应更大数据量传输、移动性和语音功能的需求；与此同时5G的大规模覆盖让行业级的切片应用也提上日程，北斗短报文功能更让我们不再受制于传统蜂窝技术的局限，但在应对大容量的非结构化数据传输应用上，光纤仍然是较为稳妥的一种方法。
2.3 多网数据融合的需求
单一业务的数据只能展示出业务的过去和现在，随着数字政府、数据共享理念的深化，让大家切身体会到挖掘不同业务数据之间的相关性具有巨大的二次价值，而建立在相关关系分析法基础上的预测更是大数据应用的核心。数字政府是指在现代计算机、物联网、人工智能等技术支撑下，一种遵循“业务数据化，数据业务化”的新型管理模式。通过构建大数据驱动的业务新机制、新平台，进一步优化运作程序和管理服务，全面提升在治理、服务、环境保护等领域的能力，形成“用数据对话、用数据决策、用数据服务、用数据创新”的现代化治理模式。虽然灌区各个业务系统的信息化建设已经初具规模，但由于管理业务分散在不同的网络上，有互联网、有业务专网，还有政务网，使得实际数据相互独立，依旧存在数据孤岛的现象。反观在灌区管理、监测预警、全域资源调配等现实需求面前，通过数据的抽取、清洗、标签化乃至聚合形成专题库等数据融合技术的需求实际已经迫在眉睫。通过内部业务数据的聚合，将外部行业数据接入融合已经成为必选项，同时也能为更及时准确的预警模型、预测模型、水利模型、调度模型提供足够丰富的数据信息支撑。
2.4 业务应用智能化的需求
业务应用智能化是灌区主管单位、水利部门、农业部门，乃至农户、第三方维护单位的实际工作需求，是数据信息化后用好和管好的关键环节。从国家治理的角度来看，科学配水、节水灌溉、保护生态是绿色可再生战略基本纲领，同时在面对水资源缺乏时也要能够提供必要的预警预判、调度来保障人民生产生活安全，逐步构建线上预警线下预案的行动模式。对于灌区主管单位来说，则更专注于灌区本身的水源与渠道、地下水、农田灌溉的分配、管理与监测以及闸门控制等，通过水资源一张图的方式让管理单位能够直观地在调度中心就实现全域数据的可视化以及资源和人员的调度工作，并且在安全的前提下赋能到移动端，实现随时随地资源管控的能力需求。同时及时向社会提供水利信息相关服务，比如国家政府的政策、收费标准、各用水单位用水量和用水费用，使电子政务透明、公正、公开、公平。从便农助农的角度来看，如何能够合理制定年度水量分配预案，保证农业灌溉用水，实现高水高用、低水低用的用水置换，避免水资源的浪费和过度开采地下水。同时能够充分考虑到农户技能水平不高、老龄化的特点，利用技术实现农户简单易用、随用随结的目标。从设施维护和日常巡防的需求来说，由于灌区前端设备布设的设备大多位置分散，且信息化设备有天然的人员维护需求，如何通过智能化的方式制定或调整巡检计划、临时检查计划，并管理巡检人员的巡检情况，如巡检员到位率及各类巡检结果报表等也是在整体方案规划过程中不可缺少的一部分。 智
3 智慧灌区总体设计
3.1 设计理念
整个系统设计围绕“科学配水、节水灌溉、生态保护、智能控制”的目标进行设计，保证系统在灌区应用中的实时性、有效性、稳定性、科学性、适应性，坚持先进性与经济性相兼容、超前性与实用性相兼顾的指导原则。整体上采用分层解耦、多维构建的设计，有国家标准规范的采用国家标准规范，采用主流先进、成熟的智能化技术，保证系统在十年内的技术不落后。系统设备要适应灌区信息化管理的实际场景需求，具有科学性、适应性，长期稳定；在数据上需确保一定实时性、有效性，保证数据在多场景、多网络中的传输、共享的准确和安全，保证系统设备、网络、管理、应用等的多层次安全。系统保持开放性和兼容性，对于不同的系统间数据交互和不同设备的互联简单、标准、规范，提供对外应用接口，支持高并发、大数据的场景应用。同时，为了保证系统稳定，支持一定冗余，并且保证经济性，实用性，不做过多拓展。设计符合水利部门、灌区管理、灌溉农户等相关人员和组织单位的使用习惯，在实现信息化需求的同时，支持系统功能拓展。
3.2 设计原则
为确保系统的成功应用与可持续发展，在系统建设及方案设计时我们遵循如下原则：
3.2.1 标准化原则
平台设计、建设的各项技术遵循国际标准、国家标准、行业的相关规范和要求。对外接口根据国际标准语言规范设计，管理、维护等符合国家相关规范、要求，系统设计既要全面，同时建设内容又要符合当前需求以及发展的需要。
3.2.2 先进性原则
系统构成必须采用成熟、具有国内先进水平，采用先进的管理方法、先进的决策支持方法，并符合国际国内发展趋势的技术、软件产品和设备。在设计过程中，应充分依照国际上的规范、标准，借鉴国内外目前成熟的主流网络和综合信息系统的体系结构，以保证系统具有较长的生命力和扩展能力。保证先进性的同时还要保证技术的稳定、安全性。
3.2.3 统一性原则
系统应遵循统筹规划和统一设计的结构，尤其是系统、设备标准协议、应用系统建设结构、数据模型结构、数据存储结构以及系统扩展规划等内容，均需从全局出发、从长远角度考虑。系统设计要考虑到业务未来发展的需要，尽可能设计得简明，降低各功能模块耦合度，并充分考虑兼容性，并能够支持对多种格式数据的存储。
3.2.4 高可靠原则
系统和数据架构设计中充分考虑系统的安全和可靠，需符合气候异常变化的野外场景的应用可靠性和系统长期运行的可靠性，有多个衡量指标，包括机器设备常用可靠度、平均故障间隔时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR)、可用度、有效寿命、和经济性等指标表示，系统统要有较强的容错能力。系统通过设备安全、链路安全、数据安全、应用安全、管理安全等手段来保证系统的安全性。从前端设备的安全建设、网络安全建设、平台安全建设和制度安全建设等多维度保证系统安全。采用符合国家和国际标准的技术成熟、先进的系统设计工具，以保障安全设计对建设内容的全覆盖，并建立统一的质量控制标准、数据与系统一致性和标准化符合性测试检验规范，确保项目信息与系统管理制度的建设和落实，为平台的安全运行奠定基础。
3.2.5 适用性原则
系统采用的技术平台，应采用国际主流、成熟的体系架构来构建，应能实现跨平台的应用，在满足应用需求的前提下，尽量降低建设成本。遵循“应用框架＋功能模块＋客户化改造”的基本原则，平台的设计应具有高强壮性、集成性、灵活性、开放性和可扩展性，以此来满足未来的扩展需求，平台应提供友好的界面操作性，简单易用。
3.2.6 持续性原则
平台应具备一定的动态负载能力，可以支持平台系统性能升级与数量扩充，并可支持高并发用户。平台应具备开放性，应满足新业务范围的扩展，当出现新的业务时，可以轻松添加进来；平台应具备良好的用户设计体验，并需采用兼容性比较高的系统接口，可以与外部系统或平台进行低耦合的集成，并与其他商业伙伴之间可以进行数据交换。
3.2.7 易维护性原则
系统充分考虑使系统管理员便于检修与维护，支持远程维护，设备和系统状态自动感知，能轻松实现远程升级。
3.3 系统架构设计
整个智慧灌区管理系统分成七层架构，包括物联感知层、互联互通层、多网融合层、数据中台层、模型大脑层、智慧应用层、展示座舱层，面向水利厅、农业局、灌区管理局等管理单位和农户、维保人员等使用人员。系统遵循国家标准规范和相关政策要求，在设备、链路、数据、应用、管理各方面保障系统运行安全。从底层感知系统到最终业务应用，再到水资源调配的重大专项处理，真正实现智慧系统的“采、传、存、用、管”全流程，达到科学配水、节水灌溉、生态保护、智能管控的目标。
3.4 主要建设内容
构造一个从前端到中心，从数据到需求的整体信息化系统，主要建设物联感知——实现前端数据监测采集，互联互通——实现数据不同场景的多样化通信传输，多网融合——多网络数据实现共享交换，数据中台——实现多源数据的融合处理，模型大脑——实现数据的业务重构，智慧应用——实现灌区管理和便农服务的业务场景应用，展示座舱——满足多样化的数据可视化需求共七大层级体系。
3.4.1 物联感知
对灌区前端各项要素指标进行数据采集，包括灌区水位、灌区流量、灌区气象、农田水质等要素，并对闸门、机井、水泵进行远程控制和联动。主要建设包括渠道量测水、闸门监测控制在内的多个监测站点，满足采集、供电、传输、控制、储存、显示的多样化监测需求。
3.4.2 互联互通
通过遥测传输终端对采集的水情、墒情等数据信息进行远程无线/有线传输，支持多种传输方式，包括2.5G/3G/4G/Ethernet/LoRa/NB-IoT/WIFI/卫星/北斗等，支持水文/水资源/MQTT等多种国家标准规约，可根据不同的监测场景需求选择不同的设备，适应不同需求。
3.4.3 多网融合
系统数据包括多种监测数据，如视频数据、空间数据、监测数据、系统数据等等，还有其他平台的数据交互，互联网端的数据传输，涉及政务内网、政务外网、互联网、专网等多个网络，需要适应多个网络间的数据共享交换，进行一定的策略管控和安全隔离。
3.4.4 数据中台
数据通过传输、共享汇聚到数据中台，在数据中台进行数据抽取、数据存储、数据清洗、数据标签处理、数据整合成数据专题，给各个业务系统提供业务应用的有效数据支撑，实现取水、输水、用水、测控、管理的数据专题服务，对外提供强大的数据整合和数据处理服务。
3.4.5 模型大脑
对数据中台的数据需进行一定的模型处理，才可更好的满足灌区管理的业务应用。输入灌区各项指标信息数据，通过分析模型、水利模型、预测模型、预警模型、评价模型、调度模型的处理分析，对灌区管理提供能力支撑。
3.4.6 智慧应用
构建灌区智慧管理应用，实现节水灌溉、科学配水的多个管理目标，建设信息化平台和移动应用APP，功能包括但不限于灌区全域时空数据可视化、监测预警、灌区配水调度、灌区巡检、灌区信息发布、便农服务、工情管理、水权管理在内的多个应用服务。
3.4.7 展示座舱
给管理用户和使用用户提供多个维度的展示方式，让用户直观看到数据变化，掌握灌区情况。展示的方式包括移动终端，水资源一张图和调度中心大屏。
