人工智能（Artificial Intelligence）被普遍認(rèn)為是一種新的“通用目的”技術(shù)，如同輪子、印刷、電力、汽車、互聯(lián)網(wǎng)一樣，橫跨整個(gè)經(jīng)濟(jì)的多種用途，將給很多行業(yè)帶來不同程度的變革。AI在互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)被廣泛采用，復(fù)雜的后臺(tái)是為了給用戶提供簡單的個(gè)性化交互；AI在藥品研發(fā)、輔助診療等領(lǐng)域的價(jià)值已經(jīng)初現(xiàn)端倪，疫情又加速了這個(gè)領(lǐng)域的變革。當(dāng)然，新技術(shù)的發(fā)展大都遵循技術(shù)成熟度曲線，會(huì)有期望膨脹期、泡沫破滅期，之后逐漸爬升復(fù)蘇趨于成熟，AI同理。對任何行業(yè)來講，需要真正找到AI技術(shù)所能帶來的或深或淺的變化并矢志不渝逐步落地。作為一個(gè)古老的學(xué)科，在水利水務(wù)水環(huán)境領(lǐng)域AI能夠帶來什么樣的價(jià)值，下面提供我們和一些行業(yè)同仁共同的思考。

感知是水利水務(wù)水環(huán)境領(lǐng)域最大的痛點(diǎn)。無論是水量包括水位和流量監(jiān)測，還是水質(zhì)包括排口和斷面監(jiān)測，還是監(jiān)管包括工程和河湖管理，無論是使用各類傳感器，還是使用人工，都面臨巨大的難點(diǎn)。傳感器投資成本高，維護(hù)專業(yè)，耗損嚴(yán)重，即便壞了很多時(shí)候也不知道，而需要監(jiān)測的點(diǎn)位分布廣泛數(shù)量眾多，為了做到時(shí)空相對連續(xù)的準(zhǔn)確泛在監(jiān)測很不現(xiàn)實(shí)。使用人工能夠顯著補(bǔ)充傳感器的不足，但地域廣泛，人力不足。做AI的人都知道，攝像頭是一個(gè)重要的低成本方案，已經(jīng)在交通、安防等領(lǐng)域普遍采用，把攝像頭作為一個(gè)通用傳感器，賦予AI能力，打造端邊云的視覺傳感方案，具有投資成本低、維護(hù)簡單、耗損可控、一圖識(shí)多言、可自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，即便識(shí)別不準(zhǔn)也可以遠(yuǎn)程人工調(diào)取視頻確認(rèn)。大家也知道，很多物理生物化學(xué)現(xiàn)象很難被視覺所感知，而機(jī)器視覺也做不到人的視覺能輕易完成的很多任務(wù)。

問題來了，水行業(yè)中存在的感知問題，能否因?yàn)锳I的出現(xiàn)迎刃而解？

水量的角度看，水位和流速場是兩個(gè)重要的維度。對水位而言，現(xiàn)在通用的做法是通過物理量來換算，比如氣泡壓力、電導(dǎo)率等，但水位本質(zhì)上是個(gè)長度的概念，完全可以通過視覺測量，即通過AI攝像頭測量水面線在水尺的位置來計(jì)算。除了要解決在黑夜、雨霧等特殊天氣的精度問題，還要考慮水尺變臟、變模糊、被沖毀、絕對水位等場景，通過技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，利用水尺和攝像頭的組合實(shí)現(xiàn)水位的時(shí)空相對連續(xù)的泛在監(jiān)測，并在一些場景下通過水位流量曲線估計(jì)流量。水尺將在內(nèi)澇積水測量、水文測量、取排水口獲得廣泛的應(yīng)用，尤其是幫助解決城市內(nèi)澇管理、中小河流、中小水庫、水資源、水環(huán)境等現(xiàn)在面臨的突出問題。流速場測量是水文工作的一個(gè)重要組成部分，任務(wù)艱巨，如何通過攝像頭測量光影在水體表面的表面流速場，哪怕會(huì)碰到風(fēng)速、光照等環(huán)境的影響，這種相對簡單的非接觸式的測量方法仍然受到水文工作者的高度期待，尤其是洪水和應(yīng)急場景。

水質(zhì)的角度看，對入河排口和工業(yè)排口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測才能從源頭上解決水環(huán)境污染問題，而排口眾多分布廣泛，排水行為復(fù)雜，包括排口流量有無、流量多少、顏色形態(tài)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)、人員入侵等，使用在線監(jiān)測設(shè)備的話建設(shè)和維護(hù)成本巨大。如何通過AI使得攝像頭包括多光譜攝像頭成為每個(gè)排口行為觀測的眼睛，成為一個(gè)重要的潛在選擇，并和自動(dòng)采樣裝置聯(lián)動(dòng)，在告警時(shí)自動(dòng)采樣作為證據(jù)以供后續(xù)化驗(yàn)和執(zhí)法。單單實(shí)現(xiàn)排口流量有無這一個(gè)功能就已經(jīng)受到監(jiān)管者的歡迎，減輕巡查工作量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偷排、雨污混接、溢流等問題。當(dāng)然，無論工業(yè)排口還是入河排口形態(tài)多樣問題復(fù)雜，需要通過技術(shù)攻關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，真正發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢解決客戶實(shí)際問題，此行任重道遠(yuǎn)。

監(jiān)管的角度，AI更是能成為水資源管理的眼睛，分布廣泛響應(yīng)及時(shí)。與水相關(guān)的視覺技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺中最難的部分之一，光與水有豐富的交互，倒影、反光、透明、強(qiáng)光、弱光、雨霧、補(bǔ)光等等，很多場景下尤其是城市河道光污染非常嚴(yán)重，而水資源管理中需要識(shí)別的場景大多數(shù)是小概率事件，比如漂浮物、拋灑物、水體入侵等，從而導(dǎo)致信號(hào)弱噪音強(qiáng)也即信噪比低，識(shí)別難度很大。而且目前AI技術(shù)本身有其明顯的局限，包括需要大量的標(biāo)注數(shù)據(jù)，場景定義要非常明確等，要努力在技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、客戶需求度、商業(yè)可行性中尋找交集。除此之外，閘站泵站水廠等基礎(chǔ)設(shè)施有無人化和智能化的趨勢，如何通過AI和5G等新技術(shù)分階段賦能落地，也是個(gè)很有潛力的方向。

空天地一體的感知網(wǎng)絡(luò)是業(yè)界普遍看好的方向。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)上云是大勢所趨，如何提高數(shù)據(jù)可用性，縮短模型開發(fā)周期，提高目標(biāo)識(shí)別、變化檢測、地物分類等的效率，服務(wù)于水土保持、河湖管理等領(lǐng)域具有重要意義。無人機(jī)無人船能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的長距離自主巡航，隨著控制精度的不斷提高、惡劣環(huán)境適應(yīng)性的不斷增強(qiáng)，將會(huì)成為河湖日常和應(yīng)急管理的重要手段，AI技術(shù)不僅體現(xiàn)在視頻分析，更體現(xiàn)在自主行動(dòng)。這些和固定攝像頭一起，從點(diǎn)、線、面不同視角互相補(bǔ)充增強(qiáng)。對這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括遙感影像、視頻流進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理后，和其它傳感器獲取的結(jié)構(gòu)化信息融合起來，共同匯聚成數(shù)據(jù)湖，供各類水利水務(wù)水環(huán)境業(yè)務(wù)使用。數(shù)據(jù)就是情報(bào)，數(shù)據(jù)的可靠性是第一位的。

預(yù)測調(diào)度業(yè)務(wù)是水利水務(wù)水環(huán)境中的核心業(yè)務(wù)，AI技術(shù)有望讓現(xiàn)有的預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)再上一個(gè)新臺(tái)階。現(xiàn)有預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)主要依賴機(jī)理模型，無論是參數(shù)率定還是其他數(shù)據(jù)挖掘工作，現(xiàn)有機(jī)制中并沒有很好的發(fā)揮不斷累積數(shù)據(jù)的價(jià)值。而且現(xiàn)有預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)高度依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，方案生成的效率較低，控制粒度不夠精細(xì)，據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前大部分系統(tǒng)中也并沒有采用運(yùn)籌優(yōu)化方法。隨著業(yè)務(wù)范圍的不斷擴(kuò)大，無論是大型流域綜合調(diào)度，還是城市水資源水環(huán)境調(diào)度，都需要對眾多水利工程進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，要考慮防洪排澇、水資源、水生態(tài)、泥沙、應(yīng)急等多種目標(biāo)，更迫切需要機(jī)器智能與專家智慧相互補(bǔ)充。

首先分析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和機(jī)理模型的關(guān)系。從預(yù)測預(yù)警的角度看，現(xiàn)有的機(jī)理模型在落地中碰到眾多的現(xiàn)實(shí)問題，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備不足、模型參數(shù)過多、計(jì)算量大等，導(dǎo)致理論在實(shí)踐中有落地難度，精度也有待進(jìn)一步提高。利用泛在監(jiān)測所獲得的時(shí)空相對連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型從而對水文水環(huán)境等進(jìn)行黑箱或灰箱建模，這樣更關(guān)心輸入輸出從而使得建模相對簡單，也能對來自現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效利用從而避免理論建模帶來的潛在偏差，而且能夠更容易實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合和相互預(yù)測。據(jù)此提供的短中長期預(yù)測預(yù)警服務(wù)，能顯著彌補(bǔ)原有機(jī)理模型存在的一些問題，并和機(jī)理模型各司其職，從而實(shí)現(xiàn)“預(yù)測準(zhǔn)”。機(jī)器學(xué)習(xí)模型也存在一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，包括依賴于數(shù)據(jù)的可靠性，對時(shí)空連續(xù)性要求也高，另外當(dāng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化時(shí)比如新建水利工程，需要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行新的轉(zhuǎn)化和利用。而機(jī)理模型能夠基于物理、化學(xué)、生物等原理對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行重新建模，相對于機(jī)器學(xué)習(xí)模型更有潛力快速適應(yīng)新的變化。開發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，并與機(jī)理模型進(jìn)行有機(jī)融合，是必然趨勢。

其次分析機(jī)器智能和專家智慧的關(guān)系。作為機(jī)器智能的組成部分，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和機(jī)理模型相互補(bǔ)充，可以提高系統(tǒng)的精度和適應(yīng)性，包括基于參數(shù)或結(jié)果對機(jī)理模型的在線校正，相似洪水識(shí)別等?？梢钥焖俳o出各種目標(biāo)和約束情況下的方案推薦供人決策，包括使用運(yùn)籌優(yōu)化方案進(jìn)行方案自動(dòng)迭代，使用調(diào)度規(guī)則庫和知識(shí)圖譜進(jìn)行可行方案自動(dòng)生成。機(jī)器智能擅長暴力計(jì)算，可以對復(fù)雜大規(guī)模問題進(jìn)行細(xì)粒度和高頻的計(jì)算從而達(dá)到更優(yōu)。通過機(jī)器智能和知識(shí)管理可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)和能力更有效的傳承傳播迭代，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)進(jìn)化。與機(jī)器智能不同的是，專家智慧具有優(yōu)秀的融會(huì)貫通的能力。決策會(huì)商時(shí)領(lǐng)導(dǎo)會(huì)從全流域、長時(shí)間跨度、綜合各種指標(biāo)來考慮問題。預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行手工調(diào)整和修正。調(diào)度控制時(shí)，調(diào)度控制專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對突發(fā)和異常情況給出判斷和建議。數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，數(shù)據(jù)科學(xué)家要不斷從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新的模式模型。專家智慧和機(jī)器智能交互融合，朝精細(xì)化智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“預(yù)測準(zhǔn)”和“調(diào)度準(zhǔn)”。

特別的，知識(shí)圖譜將在水利水務(wù)水環(huán)境業(yè)務(wù)中將扮演越來越重要的角色。流域、河網(wǎng)、管網(wǎng)本身就是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與之相關(guān)的知識(shí)是一個(gè)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，而知識(shí)圖譜的“實(shí)體、屬性、關(guān)系”非常適合表達(dá)這樣的網(wǎng)狀關(guān)系。知識(shí)圖譜已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、診療、呼叫中心等領(lǐng)域，包括搜索、推薦、問答、自動(dòng)文本生成等，它擅長于就復(fù)雜問題給頂尖專家提供知識(shí)賦能，也擅長于作為載體把頂尖專家的能力傳遞給普通從業(yè)者。而防洪排澇、水環(huán)境、水生態(tài)等很多問題，需要廣泛的知識(shí)和復(fù)雜的推理，頂尖專家和普通從業(yè)者需要借助知識(shí)圖譜作為工具。知識(shí)就是力量，應(yīng)該把它們匯聚起來，讓機(jī)器參與分發(fā)。

水是生命之源，任何水都是由每一滴水組成的。無論是感知水和光的復(fù)雜交互，還是認(rèn)知中對水量水質(zhì)的仔細(xì)推敲和精確計(jì)算，都需要我們更深入的理解水，從每一滴開始，也就更加敬畏自然。AI賦能提供了一條嶄新的道路，有機(jī)會(huì)打造智慧的眼睛和大腦，感知水，用好水。

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