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“云边终协同”解决流域水环境水生态调控难题——“流域水环境水生态精准调控云计算关键技术及其应用”项目取得重大进展
2021-11-25
流域水环境水生态过程精准模拟与调控是解决流域强人类活动干扰引起原生和次生生态环境问题重要且必要的途径。依托“十二五”国家科技支撑计划项目“基于物联网的流域信息获取技术研究”（课题编号：2013BAB05B01）、国家科技重大专项“三峡水库运行调度安全评估与预警平台建设”（课题编号：2013ZX07503-001-05）等10余项国家及省部级课题，“流域水环境水生态精准调控云计算关键技术及其应用”项目瞄准流域水环境水生态精准调控云计算的诸多技术难题，从模型理论、技术方法和成果应用等层次，结合基于云端、边缘端、终端（3L）及数据中心、模型中心、控制中心、客服中心（4C）的“云边终”协同技术，创建了包括1套模型算法、4项关键技术和1套诊断工具（“1+4+1”）在内的流域水环境水生态精准调控云计算理论与技术体系（云计算架构见图1），遵循终端全面感知、边缘端局部精准、云端全局最优和云边终协同整体调控的思路，解决了生态环境管理的“卡脖子”技术问题，实现国内流域水环境水生态精准调控云计算成套技术的研究突破，研究成果总体达到国际领先水平。
该项目由武汉大学、中国水利水电科学研究院、长江水利委员会水文局、重庆市生态环境科学研究院、四川省生态环境监测总站、湖北省生态环境监测中心站、四川省环境政策研究与规划院、四川大学、中国地质大学（武汉）、重庆市生态环境监测中心联合承担完成。项目历经10余年，获得授权国家发明专利7件（一种多中心流域水环境分布式集群管理系统及方法，ZL201410506093.5；一种基于云技术的突发性水环境风险预测系统及方法，ZL201410305829.2等）、软件著作权3件，出版专著3部，发表学术论文152篇，其中，SCI收录论文25篇。项目采用585个计算进程，基于云端“空-地-水”一体化模型，实现了实时监测、污染防控、水质预报、风险预警、支撑生态调度等边缘端精准服务，两小时预测三峡库区水体20米精度3天水环境变化趋势，预报精度超过90%，可在5分钟内预测突发事件两天演进过程。
1 创新开发数字流域水环境水生态调控云架构高性能分布式计算方法
形成1套数字流域云端模型算法，实现流域水环境水生态过程精准模拟，解决了精准调控海量数据管理、高精度模拟和高性能计算的“卡脖子”技术问题。
1.1 提出数字流域边缘端多源异构生态环境大数据集成方法
针对数字流域大尺度环境模型云端计算的动态多样、结构复杂、时序性长、时效性强等海量大数据特点，创新提出边缘端多源异构生态环境大数据集成方法（框架见图2）：①在辨识气象、水文水质、社会经济、污染排放、土地利用等终端数据复杂结构及特点的基础上，提出基于物联网的边缘端信息即时提取及数据分类理论，依属性区分了稳态基底数据和动态过程数据；②在分布式计算环境下，建立考虑数据时空异质性的水利、环保、国土等多部门多接口多源异构数据融合、统一标准集成的数字流域生态环境大数据集成方法，自动识别错误数据并插补缺失数据，构建边缘端生态环境大数据库，支撑大尺度、高精度的数字流域水环境水生态云端模拟预测。
该项目原始数据量巨大，将零散的终端数据在边缘端按照统一标准格式转换并集成至综合数据库，不再需要将数据传输到云中心进行处理分析，有效减少了90%的数据量。采用聚合传输方式，将网络传输协议带来的额外开销从4%降到2.74%，显著减轻了网络和服务器上的负载。云端计算采用边接收边处理的数据流处理方式，提高了并行化处理效率，减少了大量不必要的等待时间。
1.2 研发数字流域“云边协同”精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套技术
结合数字流域分布式边缘节点，以有效支撑水环境水生态过程的“云边协同”精细化模拟计算，研发局部精准、全局最优的精度高、适用性强的陆面单元-河网网格嵌套技术。针对流域水环境水生态污染特征精细化模拟的目标，提出反映水系两岸污染程度差异的陆面空间单元划分方法；考虑流域河网水系复杂交错、水库调控及多敏感区精细模拟的特点，建立水体一维断面-二维平面-三维空间的分级分类精细网格嵌套技术，形成可延伸、可裁剪、可拓展的灵活规则断面-网格体系。
该项目从流域宏观角度拓展陆面空间单元精度，提供一套干支流结构完整、河流走向清晰的海量网格绘编技术，实现可增可减、可粗可细的精细网格绘编与嵌套，提升了边缘端的计算能力及效率，实现了数字流域云端复杂河网的准确计算。
1.3 建立数字流域云端“空-地-水”一体化模型高性能分布式并行计算技术
布设数字流域云端“空-地-水”一体化模型高性能分布式三级并行计算架构。基于模型之间的强弱耦合关系，通过设置模型逻辑先后应用的节点，采用共享内存并行与不共享内存并行混合处理方式，设置线程并行、核并行与多节点并行的“三并模式”，分别对模型内部-分块-模型之间进行并行化处理，同步提升了单个模型和整体模型的运算效率。
数字流域云端高性能分布式并行计算技术通过区域分割、文件分解、进程扩充，提升了流域云端水环境水生态精细化模拟预测的高性能计算能力，由月计算时长精细至小时单位。
2 发明流域水环境质量、水生态风险的“云边协同”预测预警及生态调度技术
针对流域水环境质量管理、水生态风险防控需求，形成4项关键技术，实现流域尺度水环境水生态（水华）未来3天、7天及15天质量预报和突发污染事件的预报预警及改善鱼类生境条件的精准生态调度。
2.1 构建基于云技术的流域“空-地-水”一体化水环境水生态质量预报体系
综合大尺度气象、陆面径流-面源和水体水动力-水质-水生态过程，通过“私有云”和“公有云”有机结合，在云端布设流域全局水环境水生态质量预报体系，在边缘端根据水体管理目标设置个性化预报技术，实现云端与边缘端有机耦合，构建流域“空-地-水”一体化水环境水生态质量预报体系。
提出的基于云技术的流域“空-地-水”一体化水环境水生态质量预报体系，融合基于云计算和边缘计算的流域数值模拟技术，实现流域全局-边缘局部预报效率和精度的相互补充与协同提升。
2.2 创新研发流域水环境水生态风险“云边协同”预测预警关键技术
在辨识流域水动力、水环境、水生态同区异象风险特征的基础上，研发覆盖128种污染物的水环境水生态风险云端实时动态模拟技术，实现对风险暴发时间、范围和程度的预测；在边缘端构建涵盖目标和属性的突发性/累积性风险阈值和预警等级划分方法，研发流域水生态风险和突发水环境风险的“云边协同”预测预警关键技术，提高了应急处置决策效率。
该项目创造性地提出风险阈值和预警等级划分方法，解决了流域水环境水生态风险预警体系不健全的问题。基于云端计算速度快、精度高的特点，结合边缘端数据处理即时、传输效率高的优势，准确预报了2016年以来每年4—6月三峡库区苎溪河和澎溪河水华暴发的时间、地点、程度及范围，提高了环保部门风险处置的主动性。
2.3 研发流域突发污染事件的“云边协同”追踪溯源技术
集成数字流域固定、移动污染源及相应水文情景数据库，根据边缘端污染物特征、水文情势及其之间的相互作用关系，对潜在污染源筛选、排查并快速精准定位，研发了基于源-质响应情景数据库的突发污染事件“云边协同”追踪溯源技术（图3），可按需从云端获取理想匹配方案，结合边缘端实时、短周期数据分析的优势，可以快速确定污染源位置和污染源排放强度，支撑面向全流域不同行政级别的高效、准确、即时响应的突发污染事件应急处置决策。
2.4 建立数字流域云端生态调度优化决策技术
基于流域防洪、水质、水华和鱼类保护等方面问题，辨识不同调蓄状态下水华频发区的水动力水质特征，剖析鱼类生长、繁殖及迁移与其生境条件的互馈关系，建立面向流域水质改善、水华防控和鱼类生境条件保护的云端生态调度优化决策技术，支撑边缘端个性化生态调度方案的时间选择、方式确定及效果评估。
3 创新开发集“数据-计算-控制-服务”多中心多功能于一体的流域水环境水生态管理智慧化云平台技术
针对流域水环境水生态多目标管理面临的系统性、智慧化、精准化等难题，形成1套全流域系统诊断工具，成功实现三峡库区水环境水生态实时稳定监测、污染精准防控、水质精确预报、风险及时预警和生态科学调度。
3.1 开发流域多中心水环境水生态管理智慧化云平台集成技术
创新提出流域多中心水环境水生态分布式集群管理系统及方法，通过整合集群内的软硬件资源布设云架构，将宏观决策的关键数据布设在云端，流域各级行政部门边缘决策短历时数据布设在边缘端，突破环境模型耦合集成技术以及信息化平台的自我学习和修正技术，开发包含数据中心、模型中心、控制中心和客服中心的流域水环境水生态管理智慧化云平台（平台架构见图4），实现了全流域的环境智慧感知、数值模拟仿真、资源统一调配及功能服务发布。
该项目通过云端与边缘端的有机耦合，构建的流域多中心水环境水生态管理智慧化云平台具备数据管理服务、流域气象-陆地面源-水动力-水质-水生态-突发事件的快速高效模拟，以及专家决策支持的业务系统，为流域水环境水生态调控提供技术保障与业务支持。
3.2 创新构建三峡库区“数据-计算-控制-服务”水环境水生态精准调控智慧化云平台
面向流域水环境水生态多目标管理需求，应用流域多中心水环境水生态管理智慧化云平台集成技术，创新构建涵盖库区26余条支流、660 km长江干流河道、6万余平方千米国土空间、2 680个乡镇级别行政单元、27 244个气象网格单元、1 739个陆面单元、1 800万个河道网格、585个计算进程的三峡库区“数据-计算-控制-服务”水环境水生态精准调控智慧化云平台，实现边缘端多层次智慧化服务。以实时监测为目标，建立边缘端监测数据库，已主动识别多起偷排事件，成功地将被动应对转为主动的风险识别和监管；以污染防控为目标，实现智慧流域边缘端污染物追踪溯源及通量监控预警功能；以水质预报为目标，创新模型自我纠正和参数优化技术，实现三峡库区水体20米精度未来3天、7天和15天的水环境变化趋势预测，2小时内预报未来3天精度超过90%；以风险预警为目标，实现智慧流域边缘端突发及累积风险快速模拟预警，5分钟内实现未来两天的突发污染事件模拟计算，1小时内模拟预测未来两天的藻类生长变化过程；以支撑生态调度为目标，实现对边缘端生态调度优化决策的业务支撑；基于智慧化云平台工具，能按需进行各功能模块组装和集成，形成了成套技术（图5）。
现阶段流域智慧化管理面临目标需求多样、业务标准不一、管理效率低下等瓶颈，世界范围内以洪水预报等单一功能为主的云平台开发相对成熟，但无法进行长系列全时段模拟预测；结合云计算、边缘计算、物联网等技术的流域多中心水环境水生态管理智慧化云平台多以框架设计为主，未实现多功能服务的业务化运行。该项目提出的智慧化云平台安全性高、时效性强，实现全流程自主创新，能满足流域水环境水生态管理大尺度、精细化、全过程、长系列、多功能等系列服务需求。
该项目立足三峡库区，在模型理论、技术方法和成果应用的不同层次上，建立流域水环境水生态精准调控云计算领域的成套技术体系，在实现流域管理部门之间的信息网络共建、数字资源共享、业务流程协同，以及提高流域水环境水生态智慧化云管理水平等方面具有指导作用。研究成果成功应用于三峡库区等流域的工程调度运行管理、水华控制、水污染事件水质水量快速预测及追踪溯源等方面，产生显著的经济效益、社会效益和生态效益，有效提升了我国流域水环境智慧化管理水平和水环境水生态风险防控能力。
