A3：科技综合
气候变化下的水问题日益复杂，解决复杂的城市水问题，有赖于先进的理念和关键的技术。在人工智能技术突飞猛进的今天，如何应用智慧化新技术，解决气候变化下的水问题，成为一个快速发展的新领域。智慧水务就是这个领域的最新理念和技术的集成，并在中国水问题的应对中发挥着越来越重要的作用。
1 智慧水务建设需求与发展历程
智慧水务是通过物联网、水务信息、空间地理信息等技术形成的一套信息化系统，可以实现水务状态的实时感知、提高水务管理水平、合理配置水资源利用、内涝风险识别预警等功能。主要由供水系统、排水系统、水环境系统、防洪排涝系统等构成。
全球正处于高速信息化时代，人工智能的广泛应用驱动了经济社会发展发生深刻变局。近年来，我国在人工智能、信息化、大数据等领域的应用走在前列，具有一定的技术领先优势。在气候变化和快速城市化背景下，城市水问题日益凸显。随着人工智能、5G、云计算、大数据等新型信息化技术的推广应用，水务管理的智慧化水平也逐步提升，从基础数据监测处理、水务业务管理到水务决策支持，智慧化技术的应用日益深化。国家在政策规划引导中也逐渐加强智慧水务建设的要求，2021年《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》和《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等相继发布，对未来一段时间智慧水务建设进行了顶层设计和总体规划。
随着水务工程战略从大规模建设转向长时间运行，水务设施和体系的管理面临着更大的挑战和机遇，水务领域信息化短板亟待补齐。同时，随着河长制、治水提质和海绵城市建设等治水策略的实施，水务管理精细化和业务协同化水平的不断提高对城市水务管理智慧化提出了更高的要求。
智慧水务通过运用新一代信息技术采集、传输、存储、处理水务信息资源，能够全面提升水务管理的效率和效能，实现水务业务管理过程中更全面的感知，更主动的服务，更科学的决策，更自动的控制和更及时的应对。
自1990年代开展水利信息化建设以来，我国智慧水利和城市智慧水务经历了监测信息化、管理在线化和系统智能化三个发展阶段，目前智慧水务已实现综合应用，水务领域迈向典型智能化的阶段，正在向整体的智能化阶段发展。
城市智慧水务建设涉及的主要关键技术主要包括以下三大类：
智能感知与水务大数据技术：首先是城市涉水要素的天、地、人协同化立体式全过程智能感知体系，包括卫星/无人机遥感监测技术、远程传感器监测技术和手持式人工监测仪器等技术。海量的数据监测获取之后，其次需要对形成的水务大数据进行清洗、融合、分析和展示，主要涉及大数据清洗、存储、融合和分析等技术。
数值模拟与预报预警技术：实现水务业务智慧化管理的关键是实现“预报、预警、预演、预案”等“四预”。其中，预报、预警、预演的重要基础是关键过程的数值模拟，如城市洪涝过程、城市水污染过程等，涉及到水文水动力模拟技术、水环境模拟技术等，融合模拟、监测和大数据分析，开展防汛、水污染等预报预警。
信息化管理与智慧管控技术：信息化是智慧化的重要前提，实现信息化管理涉及的主要技术包括存储技术、业务知识库构建技术和图像、语音、自然语言智能化处理等技术；智慧管控主要涉及工程远程调程、智能调度规则构建和智慧决策支持等技术。
城市智慧水务总体框架图
智慧水务主要应用业务体系
2 智慧水务建设典型案例
2.1 东营市智慧水务系统建设概况
东营市是全球首批国际湿地城市、全国文明城市、创新型城市、油城、东方湿地之城、黄河水城。水务工作是支撑东营经济社会发展的重要方面，智慧水务是水务工作高质量发展的关键标志。东营市智慧水务系统（I期工程）建设以“防汛排涝智慧调度系统”为重点，集成优化整合南水北调自动化监控系统、农村基层防汛监测预警平台、防汛视频会商系统等，构建东营水务智慧化管理的综合平台，实现多源信息的智慧感知，支撑综合研判和科学决策，促进水利治理体系和治理能力的现代化。按照“急用先行”的原则，I 期工程基本完成系统通用平台、智能感知系统、水务大数据等智慧水务基础软件系统建设，构建相对完善的标准规范和信息安全体系，针对防汛排涝、水污染防控和“河湖长制”综合管理等重点任务，完成智慧应用系统软件开发和云平台部署，初步实现“一图观全局”、“一键知八面”、“一机通水务”的建设目标。
东营市智慧水务系统集成了东营市雨情、水情、工情、物资和人员等多类监测数据，整合了水务、水文、气象等多源监控数据，基于监测和预报构建了东营市洪涝调度方案，形成河流水情、雨情监测、城市防汛、视频监控、防汛调度、汛情快报、洪涝预报、防汛资源、海洋预报、黄河水情、工程信息、设备管理、空中巡河等功能模块，可为东营市洪涝监控、预警、调度、指挥提供系统服务，为防汛调度决策提供支持。
东营市智慧水务系统以基础地理信息为底图，并结合水情、工情、管网、视频等要素监测，以及水务工程运行设施监控为基础，通过对各类水务业务管理信息资源、流域水系信息资源、水务设施资源、视频图像资源和应急数据资源等实施全面整合，形成“数据可查、成果可看、业务完整、决策可用、监督考核”的智慧水务信息化综合管控系统。
2.2 东营市智慧水务系统建设主要内容
系统通用平台
系统通用平台包括基础支撑平台和应用支撑平台。其中基础支撑平台包括政务云平台、网络传输工程、可视化呈现和工作流组件，其功能是为智慧水务提供整体的运行基础环境和互联通道。应用支撑平台包括应用支撑和公共服务两个部分，其涵盖了地图服务、流程引擎、统一认证、服务管理、消息管理、权限管理、数据共享和表单管理，公共服务包括了物联网接入、融合通讯服务、应用接口与服务、数据交换与共享、数据管理。该系统的功能是为业务系统应用平台提供支撑服务。整体来看，系统通用平台主要功能包括基础信息服务功能、来务管理服务功能、监督考核功能和决策支持功能。
智能感知系统
东营市智慧系统中集成整合了市水务局、区县水务局、水文局、气象局等单位的雨量站、河道水位站、城区积水点、视频监控点，新建水位、流量与视频监测点，形成了覆盖中心城区、主要河流、重点闸泵的监控数据体系。实现了一张图上实现了雨情、水情、视频、预警等关键信息的集中存储和展示，为防汛分析、预警、调度和指挥提供了全面的数据支撑。同时开发了东营市智慧水务APP，实现了与Web端同步登陆、查看、共享数据，开发了河流水情、雨情监测、视频监控等模块，实现雨、水、工情数据在手机端实时查看，调度指令在手机端直接发布，调度信息在手机端联动分享，为防汛应急中的工程、人员、物资、专家调度提供支撑。
水务大数据中心
东营智慧水务系统集成了东营水务大数据，整合了东营市及区县水务、水文、农村基层防汛等的水位监测站点数据，以多条主干河道为分类依据，对多类型基础数据进行组织，以列表的形式提供河湖水位实时监测数据、警戒水位和更新时间等信息，并在页面上提供河湖监测水位的实时展示；形成了覆盖中心城区易涝积水点、主要河湖、重点工程的监控体系。通过列表和地图上站点选择等方式，实现了视频站点的分布情况与实时视频图像查询，将监控视频与水位监测进行关联，实现了视频和水位同时察看；可根据防汛排涝调度指挥需要，实时视频查看水情、工情及调度方案实施情况，为会商决策提供关键支撑。
智慧水务大数据中心基本构成
防汛排涝智慧调度系统
东营市智慧水务系统实现了智慧防汛排涝调度，以中心城区和主要河流为重点，构建了防汛调度指挥系统。整合了东营市主要降雨、河道水位、积水点水深的监测数据，在汛情和超警戒情况下，系统通过自动读取与识报，整理出重要汛情的快速简要报告，通过邮件自动推送到相应级别和职能部门，为防汛决策提供重要数据参考；对防汛涉及到的防汛人员、防汛专家、防汛物资、舆情信息和卫星云图、气象雷达、台风路径、全国降雨预报等防汛相关资源与信息进行全面整合与展示，为防汛排涝智慧调度服务。
防汛排涝智慧调度系统基本构成
2.3 东营市防汛排涝智慧调度系统建设及应用
以事件为中心的城市洪涝智慧调度模式
与水库群等工程优化调度不同的是，城市洪涝调度实时性要求更高。当前大部分城市缺乏远程调度、自动调度的基础设施，未完成信息化、数字化建设就部分迈向了智慧化，亟待创新适用于实践现状的调度模式。面对城市洪涝调度实践需求，结合应急管理模式，提出了“以事件为中心的城市洪涝智慧调度模式”，该模式的基本思想是改变以工程中心的调度模式，面向洪涝灾害事件发生直至解决的全过程，围绕事件这一中心，进行人员、物资、工程和相关资源的调度，以调度方案为产出，以相关人员为执行节点，进行城市洪涝灾害事件的全过程管控。
以事件为中心的城市洪涝智慧调度模式示意图
（1）事件分级分类
事件生成是以事件为中心的城市洪涝智慧调度模式的首要前提，一旦确认事件正式生成，所有调度将围绕事件的处置而进行，直到事件完全解决。如下图所示，根据自动监测、人工上报、洪涝预报、预警信息、上级下达等多种事件来源，将所有事件汇入初始事件池。基于数字化属性信息，对事件的有效性进行初步判定，被判定为有效的事件才可以进入下一步事件分级；而对于无效事件，将予以记录和止。
根据事件所涉及的主要损失的不同，可以将事件基本可以分类人员伤亡、积水内涝、设施水毁、排水堵塞、设备损坏和其他等类型；而根据事件所涉及的损失的严重程度，则可以对事件进行分级。在事件进行分类分级后，由相应级别管理人员对事件分类分级进行确认，确认后的事件类型与级别，是进一步对事件进行处置的重要依据，其确认后，相应事件将根据事先确定的规则和流程，进行事件的分类推送与处置。
（2）事件调度方案
根据城市洪涝事件的分类和分级，结合历史情景和应急预案，智慧化生成城市洪涝事件调度方案，经过会商决策后下发，由相应人员分别执行。城市洪涝智慧调度方案主要包括工程调度方案、人员调度方案、物资调度方案和信息共享方案等，其中，工程调度方案主要是提出对防洪排涝工程设施的联合调度指令；人员调度方案主要是对指挥人员、抢险人员、专家等人员进行综合调配；物资调度方案主要是结合事件类型及其严重程度，对抢险、救灾、应急等物资进行统筹调剂；信息共享方案是指对相关部门、区域的信息共享提出建议。根据工程调度、人员调度、物资调度和信息共享等方案，形成城市洪涝事件智慧调度综合方案提交决策会商部门参考，根据决策会商的决果决定修正或发布方案。
（3）事件调度处置
城市洪涝事件处置的目的是使险情消除，从而使事件得以解除。处置的核心是城市洪涝调度方案的执行和反馈。调度处置根据调度指挥中心的指令进行，在事件分类和分级的基础上，通过APP等多种通信方式，将工程、人员、物资和信息共享等调度方案下发至相应人员执行。在执行完毕后，需综合研判事件是否解除，并根据研判结果进行下一步操作。当事件在调度方案执行完毕后仍未解除则应将执行结果反馈至调度指挥中心，修改调度方案执行直接事件最终解除且险情得到有效处置，进而解除该事件。
东营市城市防汛排涝智慧调度系统应用
由于东营市中心城区多数水务工程设施缺乏远程操控设备，不具备自化化控制功能，在防汛调度方面，总体上采用以事件为中心的调度模式，以中心城区和主要河流为重点，构建了防汛调度指挥系统。整合了卫星云图、雷达监测、台风预报、天气预报、黄河水情、海洋预报、实时交通流量等关键数据，提供了防汛情势综合分析平台；提供了暴雨、水位超警等预警提示；与防汛人员、防汛物资、防汛工程的联动管理，构建了以事件为中心的防汛排涝智慧调度体系，实现了调度方案的可视化管理，为应急指挥提供了决策支持。
东营市城市防汛排涝智慧调度系统围绕城市洪涝事件，结合防汛排涝调度预案和决策会商，开展工程、人员和物资调度和信息共享，进行智慧调度（工程、人员、物资和信息共享）方案生成，经决策会商确认后的方案交付执行。在执行过程中，对事件进行全生命过程追踪，对每一个事件的处置进程都在系统中进行实时更新，直至该事件完全解除且险情得以排除为止。
在系统初步建成后，东营防汛排涝智慧调度系统进行了试运行，并与东营市域一体化治理平台实现了实时对接，实现各部门间部分信息的交互共享，初步构建了各类事件的数据库，通过气象、水文、交通部门等参与会议协商，打破不同部门间的协调障碍，整合各部门人力物力资源，减少重复资源投入，同时从监测、预报、应对等方面制定防汛预案，实现了与降雨防汛预案和决策会商系统的联动，主要针对积水内涝、设备损坏和人工上报险情进行了智慧化调度，提高突发事件处置效率。初步调度实践表明，以事件为中心的调度模式符合东营市防汛排涝调度实践，能够较好地实现调度目标，提升防汛排涝和水务调度能力，促进了水务管理智慧化。此外，引入信息化技术后，显著地提高了跨部门防洪工作的协同性，通过数字化、信息化、可视化等方面将各部门资源实时共享，打破了信息壁垒，利用数字技术提升城市内涝治理体系与治理能力。
2.4 东营市智慧水务建设成效
东营市智慧水务系统（I期工程）自试运行以来，运行状况良好。通过东营市智慧水务系统（I期工程）建设，大幅度提升了全市防汛排涝、水环境监测、调度能力，进一步增强水安全、水资源感知能力，强化水务行业监管能力，在提升民生服务和城市治理方面，实现对城市水务的全面感知（智能化）、态势监测（可视化）、事件预警（可控化），推动水务行业健康有序发展和管理转型升级，助力打赢水污染治理攻坚战，维护河湖水生态健康，促进社会、经济与环境的和谐发展，具有显著的社会效益。
提高城市防灾减灾能力，提升城市水安全保障水平
通过智慧水务建设推进防汛排涝系统建设，实现汛情灾情可视、可知、可预测，支撑水资源与洪涝的精准调度及科学决策，问题及隐患“第一时间发现、最短时间响应、最快时间处置、第一时间反馈”，提升跨区域、跨部门、跨领域的协同处置能力，推动从被动式、应急式向主动式、预警式城市管理模式转变，全面提升东营在水灾害方面的城市安全韧性，增强人民群众的安全感。
增强河湖综合治理能力，提升城市环境品质
通过智慧水务建设，在水务领域切实推动新一代信息通信技术与城市发展深度融合，推进基础设施智能化、公共服务便利化、社会治理精细化，引领和驱动城市创新发展。从而增强河湖综合治理能力，强化治水提质工作落实和监督考核的技术能力和手段，形成智慧高效、充满活力、精准治理、安全有序、人与自然和谐相处的城市发展新形态和新模式。
提升信息整合共享能力，促进管理降本增效
通过智慧水务建设建立水务信息和数据的采集、传输、管理、共享、分析应用的相关标准和流程，促进水务业务的一体化管理，使水务管理决策更加科学、精准。一方面避免水务管理数据资源的重复建设；另一方面建立科学高效的业务协同机制。通过智慧水务建设，将人力投入、人工作业为主的“人防”模式转变为通过系统功能提供敏捷、高效、规范化、精细化管理手段的“技防”模式，用科技换人力，能够及时发现洪涝风险、水环境污染等违法行为，进而及时采取措施，制止河道、水环境破坏成为既定事实，有效降低治理污染、恢复生态所投入的成本。
3 智慧水务建设的发展趋势
3.1 信息化新技术快速更新
随着以5G、人工智能、云计算、区块链、大数据等技术为代表的信息化新技术的快速发展，信息化新技术在智慧水务建设中也将得到快速更新应用。如在水务数据监测与获取方面，视频信息边缘计算和快速提取技术、遥感监测技术、大数据分析技术等已得到广泛应用；在水文模拟与预报方面，人工智能和云计算技术得到广泛应用。现代信息技术的快速更新及其在智慧水务领域的广泛应用，不仅促进行智慧水务技术的快速迭代，而且也驱动着智慧水务的业务模式发生着深刻变革。
3.2 标准化建设不断推进
受多方面因素的影响，当前智慧水务建设存在一定的泛化、无序、各自为战、标准不一的局面，主要表现在对智慧水务建设的目标、内容、定位、总体架构等不统一。现有的标准主要针对硬件设施、业务系统等单一方面。面向未来，智慧水务建设的长足发展有赖于不断推进标准化建设，从建设目标与任务、指导思想、设计原则、总体架构和主要设计内容等方面，提出系统建设的主要要求并制定相应标准，促进智慧水务领域有序化、标准化发展。
3.3 智慧化不断迭代升级
智慧化是智慧水务的本质特征，当前阶段基于处于整体信息化与部分智能化叠加的状态，整体上智慧化水平还有待提高。面向未来，水务管理的智慧化将从各个方面不断迭代升级，其中，重点是面向决策支持的智慧化决策技术，如在工程调度中的调度规则智慧生成技术、洪涝应对中的综合应对方案智能发布技术等，智慧化新技术的不断迭代升级，将促使智慧水务建设快速发展。
3.4 数字孪生场景加快融合
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，实现对物理世界的虚拟映射，支撑人们对物理世界更精细化、透彻化的认知。近年来，在智慧城市等建设领域，数字孪生城市、数字孪生交通、数字孪生工厂等快速发展，智慧水务领域，数字孪生流域建设加速推进。未来在智慧水务领域，数字孪生场景将加快与智能模拟、精准决策等应用的融合，支撑智慧水务向虚实交互、智慧决策的方向发展。
3.5 综合化与集成化应用
水务管理作为城市管理、流域管理的重要组成部分，其管理效能与其他行业、领域密切相关，随着智慧社会建设的整体推进，智慧水务将逐步实现综合化与集成化应用，一方面智慧水务自身融合更多的数据和功能，实现综合化。通过智慧化技术的应用，可加强水文、水资源、水环境、水工程等方面的信息采集智能化程度，提高信息的完备性、真实性和时效性。将水安全、水资源、水环境等专题集合成水务“一张图”，集成水文、气象部门的资料进行来水预报、洪水预报，显著地提升气候变化背景下跨部门洪涝防治的协同性；另一方面，智慧水务与智慧城市、智慧社会集成，构建形成“城市大脑”、“流域大脑”等集成化应用平台，实现数据、功能、决策等各方面的综合化与集成化应用。
气候变化带来的挑战是多样化的，并充满了不确定性，其应对不仅需要全面创新的理念，持之以恒的行动，更需要先进的技术作为支撑。水问题作为受气候变化影响最为显著的一个方面，近年来在智慧化应对方面取得了显著的进步，智慧水务已成为水问题综合治理的有力手段，为促进水治理能力现代化发挥了重要作用，并正在快速演进和发展中。智慧水务建设的典型经验，为气候变化下各类问题的智慧化应对提供了宝贵经验。
（气候风险与适应项目CRR）