水利感知网技术蓝皮书

定义水利感知基础设施数智化参考架构 本书编委会 顾问专家 张建云周凤明 水利部南京水利水文自动化研究所 参编单位 主编成员 关铁生高军钱峰李聂贵杨晓华嵇海祥宗军俞峰黄志中 参编成员（按姓氏拼音首字母排序） 阿迪力·艾则孜方海林晋美次旦冒甘泉王长甫肖伟白云鹏方瑞金松牛智星王明亮徐峰包鑫如蒋飞卿刘昌军任庆海王文种赵鹏飞董碧波姜琪言刘琴苏腊王晓昇杜红娟蒋新新刘湘伟汤成玮夏翔 序 《水利感知网技术蓝皮书》的发布，正值我国加快推进数字中国建设、构建现代化基础设施体系的关键时期。水是生存之本、文明之源，水利事业事关国家发展全局、事关长远战略安全、事关人民群众切身利益。党的二十大强调高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，并对加强网络强国、数字中国建设作出系列部署，为推动新阶段水利现代化指明了方向。 感知作为智慧水利的基石，是构建数字孪生流域、实现水利治理能力现代化的核心支撑。近年来，水利部坚决贯彻党中央、国务院决策部署，将感知体系建设作为智慧水利建设的重中之重，着力打造覆盖全面、精准可靠、智能协同的水利感知网络，为提升水旱灾害防御能力、优化水资源配置格局、保障国家水安全提供坚实的数据基础和能力保障。 《水利感知网技术蓝皮书》的编制，系统回应了国家战略与行业发展需求，首次从体系架构、技术路径、建设模式等方面，对水利感知网进行了全面梳理与顶层设计。本书立足于推动感知能力从分散粗放向统一集约转变，从单点监测向天空地网一体化协同演进，旨在引导全行业凝聚共识、统一路径、共建共享，助力构建高效、智能、安全的水利感知基础设施。 本书的发布，期望能为各级水利部门、科研机构及相关企业提供权威参考与实践指引，共同促进水利感知技术标准化、装备智能化、数据价值化、应用协同化，为推动新阶段水利高质量发展、筑牢国家水安全屏障贡献智慧与力量。 道阻且长，行则将至。水利感知网建设是一项系统工程，需凝聚各方合力，持续创新、久久为功。愿本书成为一个新起点，激发更多创新实践，共同书写智慧水利建设的新篇章。 张建云中国工程院院士英国皇家工程院外籍院士2025年10月 引言 全要素感知是智能化的前提。2024年7月，水利部印发《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》的通知，推动构建“天空地水工”一体化的智能感知体系，实现水利对象全要素和治理管理全过程的监测感知，为数字孪生水利的高保真建设运行提供有力算据保障，支撑构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，驱动引领水利高质量发展。水利部南京水利水文自动化研究所编制110项水利感知相关的国家和行业标准规范，为水利感知基础设施规范化建设提供指导。 2024年9月，国务院发展研究中心、华为等19家单位联合发布了《感知网络体系架构与创新》，首次明确定义了感知网络体系是以“感知”为基础，以通信、云、AI为手段，构建的一个精准感知、集约共享、自主决策、持续演进的智能系统，为外场基础设施数智化提供了参考技术架构。 水利感知网作为水利行业感知网络体系的实体支撑，包含感知站点、感知联接、感知平台。本蓝皮书对水利感知网相关定义、特征进行阐述，并针对当前水利感知网的发展趋势、体系架构、建设指南和后续展望进行了分析。本蓝皮书旨在作为水利感知网领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带，加快推动水利感知网发展应用。 目录 Contents 1.1 政策牵引1.2 需求驱动1.3 技术发展223 2.1 整体架构2.2 感知站点2.3 感知联接2.4 感知平台5678 3.1 感知平台：分级部署、弹性扩展3.2 感知联接：因地制宜、可靠组网3.3 感知站点：技术先进、高效实用101112 展望与倡议13 趋势与需求 1.1 政策牵引 党的二十大报告提出高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，并对建设网络强国、数字中国，构建现代化基础设施体系，提高防灾减灾救灾和重大突发公共事件处置保障能力等作出重要部署。习近平总书记在二十届三中全会重要讲话中提出“完善自然灾害特别是洪涝灾害监测、防控措施，织密社会安全风险防控网，切实维护社会稳定”。《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》提出“发展以高技术、高效能、高质量为特征的生产力”。 字赋能、提升能力”要求，加快构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，加快推进雨水情监测预报体系和能力现代化建设，驱动引领水利高质量发展。 2024年5月27日，李国英部长主持召开水利部部务会议，要求加快构建“天空地水工”一体的监测感知体系，夯实数字孪生水利建设的算据基础。7月11日，水利部以水信息〔2024〕178号通知印发《数字孪生水利“ 天 空 地 水 工 ” 一 体 化 监 测 感 知 夯 基 提 能 行 动 方 案（2024—2026年）》，其核心目标是通过构建“天空地水工”一体化监测感知体系，实现基本覆盖水利对象全要素和水利治理管理全过程，为具有“四预”功能的数字孪生水利体系提供全面、实时、精准、可靠的算据支撑。 水利部全面贯彻党的二十大和二十届二中、三中全会精神，深入践行习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和关于治水重要论述精神，按照水利新质生产力和“需求牵引、应用至上、数 1.2 需求驱动 水利感知网是构建数字孪生水利体系的前提和基础，近年来水利监测感知网建设取得显著成效，但在支撑数字孪生水利体系数字孪生模型动态计算和业务仿真决策方面还有差距，主要体现在以下几个方面： 地化数据实时处理能力弱，导致数据传输量大、时效性和连续性不足，影响数字孪生水利算据的时效性。 04 感知装备标准化规范化程度低 各类感知数据格式、采集频率差异大，存储标准不统一，支撑数字孪生水利模型动态计算和业务仿真决策不足。 01 感知覆盖度不足 部分中小河流、农村地区、偏远山区等区域的监测站点密度低，数据监测覆盖度不足，难以支撑构建全流域数字孪生体。 05 网络及数据安全水平不够 水利网络安全面临的形势依然严峻，关键信息基础设施等重要系统仍存在风险隐患和薄弱点，以商用密码为基础的水利重要数据保护措施弱。 02 监测要素完整性待提升 水文、水资源、工程安全等空间数据采集不全，亟需结合卫星遥感、无人机、雷达监测等新技术，扩大“天空地水工”监测覆盖尺度满足数字孪生对多尺度数据融合的需求。 06 感知站点装备智能化运维程度低 当前水利感知站点多，智能化运维程度低，需要投入大量的人力和高频更换易损易耗品，运维不及时，直接影响数字孪生水利时空数据基底板的连续性和完整性。 03 数据时效性不足 现有通信基础设施薄弱，5G、卫星等通信技术应用少，在极端天气突发情况下，通信链路易受到破坏，同时本 1.3 技术发展 伴随5G、物联网、云计算、人工智能等新兴技术的发展，水利建设已经步入智慧化转型的新阶段。水利部多次在全国水利工作会等会议上提出：充分运用物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术，加快智慧水利建设。特别是要加强水安全监测体系建设，加快构建雨水情“三道防线”，完善大江大河及重要支流、中小河流、中小型水库、灌区、闸泵等测控体系，提升水安全智能监测感知能力。 03 基于IPv6的数据回传技术 常规站点可以通过4G/5G+卫星双链路保障数据回传；固定监测站点（如大坝）可以通过光纤网络实时传输数据；多要素多点位局部监测区域可以通过Wifi/蓝牙等局部组网传输；基于IPv6实现感知泛化，通过网络切片实现数采、视频和工控等多业务统一接入。 04 物联网技术 通过物联网平台统一水利终端管理，确保数据高效接入和共享，将各类水利监测设备连接起来，实现设备的互联互通和智能化管理，使水利感知网中的各个元素能够协同工作，提高水利系统的整体运行效率。 水利感知网的新兴技术支撑主要包括以下几个方面： 01 新型传感技术 在传统传感技术发展的基础上，引入雷达、光谱、视频等近场技术，可实现多源数据融合；引入卫星遥感、航天遥感、低空遥感等技术，可获取面降水、水体面积、水质变化、地形地貌等大范围水利信息，为数字孪生水利建设提供大范围数据底板；引入分布式光纤传感等技术，可实现水利工程安全精准监测；通过多种技术手段提高水安全监测精度和频率。 05 人工智能技术 利用AI算法对水利图像、视频数据进行分析，实现对水利工程设施的故障诊断、水文水生态环境的监测等。 02 边缘计算技术 基于开放式软硬件解耦平台，二次开发简单高效，行业应用随需部署，灵活扩展挂载传感器。在感知端进行数据处理（如异常检测、压缩、模型计算等），减少数据传输量，提高数据传输时效性。 第二章 水利感知网架构 水利感知网是智慧水利体系中的关键信息化基础设施之一，利用多维感知、物联网、大数据、人工智能等技术，实现对水文水资源、水环境、水工程等全要素的实时监测、智能分析和协同管控。 水利感知网和水利信息网、水利云平台共同构成智慧水利的信息化基础设施，支撑水利数字孪生体系完成从物理世界到数字世界的映射。 2.1 整体架构 水利感知网为水利感知基础设施数智化提供参考技术架构，是感知网络体系在水利行业的实例化应用与落地。水利感知网包含感知站点、感知联接、感知平台三层，同时应符合水利数据采集、传输、存储、治理及应用等全流程安全要求。 02 感知联接 通过有线/无线/卫星等传输方式，将感知站点采集到的数据传递给感知平台，强调因地制宜、固移结合、高可靠和高安全，保障数据传输的连续性。 03 感知平台 实现感知站点所采集的物联、视频、遥感等数据的汇聚及统一管理，并实现面向感知站点的设备管理，强调统筹建设、分层分级管理和站点一张图可视可管可控。 01 感知站点 在水利基础设施的相关重要点位按需部署具备感（感知监 测 装 备 ） 、 接 （ 传 感 器 数 据 接 入 ） 、 算 （ 边 缘 计算）、传（数据传输）等功能的感知站点，强调多维融合精准感知、高集成一体化和高效便捷运维。 2.2 感知站点 水利感知站点是数字孪生水利体系的末梢神经系统，主要基于水利测雨雷达、雨量计、水位计、流速仪、水质仪表、卫星、视频、无人机、无人船、光纤光栅等各种接触式或非接触式多维融合泛在感知技术，在时间、空间、精度、频次等方面协同融合，实现水利对象全要素和治理管理全过程纵向到底、横向到边的智能实时感知。 水利感知站点中的“传”是通过站点数据传输单元将站点采集分析过的数据传输至监测平台。站点传输技术一般有三 类 ： 有 线 网 络 （ 以 太 网 、 光 纤 专 网 等 ） 、 无 线 网 络（4G/5G、NB-IOT、微波、超短波等）和卫星短消息通信。 02 从对象视角来看 01 从逻辑功能视角来看 水利感知站点的监测对象包含江河湖库海、水利工程、管理活动等。 水利感知站点可以分为感知装备、站点接入单元、边缘计算、站点传输单元四大模块，分别实现感、接、算、传功能。 03 从业务视角来看 水利感知站点可以分为水文、水资源、灌区、水利工程、水土保持、水环境、水生态、水域岸线、采砂管理等不同类型。 水利感知站点中的“感”是利用卫星遥感、雷达等现代传感技术结合传统声光电热磁技术，进行多维融合泛在感知降水、水位、流速、水质、大坝形变、位移、闸门开度等要素，实现对水文、水资源、水环境、水工程等全要素数据的监测。 04 从部署视角来看 水利感知站点可以分为面向流域的卫星感知全覆盖、面向区域的水利测雨雷达和无人机动态及时高精度感知、面向地面关键点位全天候实时精准感知、面向江河湖库水体动态及时高精度感知、面向水利工程动态及时高精度感知的“天空地水工”五大维度。 水利感知站点中的“接”是传感器通过通信接口将原始感知数据传输到RTU或边缘网关等设备。传感器接入技术主要包含有线和无线两大类，其中有线常用技术有开关量、模拟信号、RS485串行通信、电力载波（PLC）等，无线常用技术有LoRa、ZigBee、NB-IOT、