水利部南京水利水文自动化研究所与华为技术有限公司:水利感知网技术蓝皮书深度分析

【编者按】 2025 年 10 月，由水利部南京水利水文自动化研究所与华为技术有限公司联合主编的《水利感知网技术蓝皮书》正式发布，中国工程院张建云院士作序。这份蓝皮书首次从体系架构、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，为新阶段水利高质量发展勾勒出清晰的数智化路线图。

政策东风下的行业觉醒：感知成为水利现代化的核心基石

党的二十大报告将高质量发展确立为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明确提出 "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》进一步强调 "发展以高技术、高效能、高质量为特征的生产力"。

这一系列顶层设计，为水利行业的数智化转型指明了方向。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。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。

2024 年成为水利感知体系建设的关键节点。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。

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。正如张建云院士在序言中所言："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。" 这份蓝皮书的发布，正是在这样的时代背景下，系统回应了国家战略与行业发展需求，旨在引导全行业凝聚共识、统一路径、共建共享。

战略定位：从分散监测到体系化感知的范式跃迁

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。它与水利信息网、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。

这一定位标志着水利监测正在经历一场深刻的范式转变 —— 从过去分散粗放的单点监测，向统一集约的体系化感知演进；从传统的地面监测手段，向 "天空地水工" 一体化协同感知升级。这种转变不是简单的技术迭代，而是水利治理理念和治理方式的根本性变革。

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，正是这一通用架构在水利领域的具体落地和行业化实践。

水利感知网的核心价值体现在三个层面：

第一，为数字孪生水利提供高保真算据保障。 全要素感知是智能化的前提，没有全面、实时、精准的感知数据，数字孪生就成了无源之水、无本之木。水利感知网通过构建 "天空地水工" 一体化监测感知体系，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。

第二，推动水利治理能力现代化。 通过感知能力的提升，水利部门能够更及时、更准确地掌握水情、工情、灾情，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。这种从 "被动应对" 到 "主动预判" 的转变，正是水利治理能力现代化的核心体现。

第三，促进行业资源集约共享。 过去分散建设的监测体系容易导致重复投资与资源浪费，水利感知网通过统一规划、统一标准、统一平台，实现资源高效利用，降低运维成本，同时增强流域水资源调控能力，为智慧水利高质量发展提供坚实支撑。

现实挑战：六大痛点制约感知体系效能释放

尽管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明显差距。蓝皮书系统梳理了当前水利感知体系面临的六大痛点，这些痛点正是下一步建设需要重点突破的方向。

痛点一：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。这种覆盖的不均衡性，直接影响了数字孪生体系的完整性和准确性，成为制约 "四预" 功能发挥的关键瓶颈。

痛点二：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。传统的监测手段往往只能获取点上的数据，难以形成面状、立体的监测能力。

痛点三：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。在洪涝灾害等应急场景下，数据延迟可能直接影响决策的及时性和准确性。

痛点四：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。标准化的缺失导致数据难以互联互通，形成了新的 "数据孤岛"，制约了数据价值的充分释放。

痛点五：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。随着水利感知网的规模不断扩大，安全问题将成为必须高度重视的底线要求。

痛点六：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。运维成本高、效率低已经成为制约感知体系可持续运行的重要因素。

这六大痛点相互交织、相互影响，构成了当前水利感知体系的主要挑战。解决这些问题，不能靠单点突破，必须进行体系化的顶层设计和系统性的建设推进。

三层架构：构建水利感知网的技术骨架

蓝皮书提出了水利感知网的三层架构 —— 感知站点 + 感知联接 + 感知平台，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。这一架构为水利感知基础设施数智化提供了参考技术架构，是感知网络体系在水利行业的实例化应用与落地。

感知站点：数字孪生的末梢神经系统

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。

从逻辑功能视角来看，水利感知站点可以分为四大模块，分别实现 "感、接、算、传" 功能：

• 感：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。

• 接：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、星闪等，需根据具体场景、传输距离、功耗、成本及实时性要求选择。

• 算：边缘计算，实现现场数据处理。简单的边缘计算包括数据的去误差、去异常处理，设备自检、升级和故障处理等；比较复杂的边缘计算包括 ADCP 的数据处理、视频 AI 处理等。边缘计算是为了减少数据的大量传输，提高现场数据的精度。

• 传：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。

从部署视角来看，水利感知站点可以分为 "天空地水工" 五大维度：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。

感知联接：打通数据传输的神经通路

感知联接是联接感知站点和感知平台之间的双向通信网络，与感知站点中的数据传输单元对应，同样有四类感知联接技术，可以因地制宜，采用合适的技术或者多种技术结合，实现感知站点所采集监测数据的实时上传。

感知联接侧需要提供与感知站点回传单元对应的数据中继传输和汇聚的通信网络设备，通过这些设备接入到互联网或者水利专网，最终将感知数据回传到感知平台。具体包括四种连接方式：

• 有线网络连接：感知联接侧提供以太网或光传输汇聚设备，将一个或者多个感知数据汇聚起来，再通过水利专网或者互联网传输至感知平台。

• 无线公网联接：感知联接侧通过公网通信基站传输感知数据。

• 无线专网连接：感知联接侧通过无线中继节点进行点对点或者点对多点自组网，将感知站点数据传输至无线汇聚节点，再通过有线接入到水利专网或者互联网。

• 卫星通信联接：感知联接侧通过通信卫星接收感知站点卫星终端上传的数据之后，再传输给地面卫星接收站，然后再通过水利专网或者互联网传输至感知平台。

感知平台：实现感知资源的统一管控

水利感知平台是水利感知网的业务边界终结点，向下通过感知联接层与感知站点相连，支持海量设备接入和采集数据上传，向上则通过水利信息网将水利感知监测数据上报，为各类业务应用提供监测数据。

从业务视角看，水利感知平台可分为四大模块：

设备管理：实现对设备的远程控制、参数配置、固件升级、健康状态监测等操作；并实现一张图管理全网所有感知站点的位置、在 / 离线状态、告警状态、设备状态，支持远程设备运维、状态实时监测、设备告警、故障定位定界、报表统计等功能，从而极大提高设备管理的效率和灵活性。此外，设备管理平台宜支持设备即插即用，实现 Zero-Touch 开局。

物联数据管理：物联数据管理是水利感知平台的核心功能，基于水利行业或地方标准数据通信规约，统一接收处理各类监测感知数据并存储入库，具备较强的并发处理能力，保障原始数据质量和完整性，提供适当的数据服务接口或功能。

视频级联集控管理：视频级联集控管理平台主要包括视频中心、智能中心和运维中心等功能模块。其中视频中心提供视频内容的接入、存储、治理、应用、共享等功能；智能中心提供智能算法导入、规则配置、任务编排、算力调度、算法共享等功能；运维中心提供水利视频监测站点在 / 离线状态监测、图像质量监测、设备资产管理、运维工单管理等功能。

遥感数据管理：采集水利行业遥感数据并分类存储，适当拓展外部遥感数据源，并对遥感数据进行预处理，满足遥感解译识别数据底板的需求。

建设路径：技术引领与体系化推进的实践指南

蓝皮书不仅提出了架构设计，更给出了具体的建设实施路径和关键技术指南，为各级水利部门提供了可操作的实践指引。

五大技术支撑：驱动感知能力升级

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。水利感知网的新兴技术支撑主要包括以下五个方面：

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。

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。

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。

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。

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。

感知平台：分级部署、弹性扩展

从部署视角看，水利感知平台宜采用一级 (省级 / 流域级) 或多级 (省级 - 地市级 - 区县级) 部署，实现分层分级管理，重点强调业务高稳定高可靠、分部门分地域易运维易管理。

分级部署：省级水利感知平台主要实现对全省范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总；市级水利感知平台主要实现对全市范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总，通过水利信息网 (内网) 与省水利厅的网络进行连接；对于部分有条件的区县，还可以进一步下沉部署区县级感知平台，主要实现对全区 / 县范围内水利监测数据的统一接收处理、自建感知站点的设备管理及视频数据汇总，通过水利信息网 (内网) 与省水利厅和市水利局的网络进行连接。

分部门分地域：通过权限配置，满足不同业务部门用户需求。例如，省级水利融合感知平台可以支持水文、水利工程管理等不同业务主管部门使用，并进一步划分市、县地域用户的权限，实现水利感知网有机、高效地运行和维护。

从技术视角看，水利感知平台宜基于云或虚拟化层进行部署，重点强调资源利用效率和系统灵活性。基于云或虚拟化层管理异构资源，建设统一的硬件资源池，打破 "烟囱式" 系统架构，减少冗余投资，实现成本最优。同时，面向未来海量 "天空地水工" 感知站点的接入和管理，需充分考虑平台的弹性扩展和灵活扩容，实现平滑演进。

感知联接：因地制宜、可靠组网

灵活组网：因地制宜采用以太网、F5G、4G/5G、Wi-Fi、卫星、微波等有线、无线传输技术相结合。有线网络传输宜优先租用运营商专线链路进行互联，所需网络连接设备应支持 IPv6 新型互联网协议和技术，如网络切片，随流检测，SRv6 和 SDN 等。无线连接采用主流通信技术，如 4G/5G 技术，实现数据方便快捷传输。

可靠传输：网络应具备可靠性保障措施，关键站点宜使用卫星通信技术作为备份通道。针对应急场景 (如断路、断网、断电的 "三断" 场景)，宜采用卫星通信、无线微波、超短波等技术，实现应急通信保障。

算网协同：水利感知站点感知涉及多种感知传感器，宜利用边缘计算实现中间数据的处理，只传输结果数据，降低对网络带宽和时延的要求，同时也更加有利于高频率的监测和数据传输。

感知站点：技术先进、高效实用

水利感知数据是构建数字孪生水利体系的前提和基础，建设技术先进、高效实用的感知站点，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。

感知站点全覆盖：提升水文、水资源、水生态、水土保持、水工程等各类监测站网密度，提升降水、蒸发、流量、土壤水等要素监测覆盖度。开展卫星遥感在水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、冰湖凌情、水土保持、灌区管理、河湖库管理和蓄滞洪区等业务中的应用研究。

感知装备高效能：开展高集成、高精度、低功耗、少维护、一体化、易安装、智能化的水利感知技术装备研制和装备应用，强化全要素、全量程、全天候自动监测及智能感知能力。开展高精度一体化智能雨量、水位、流速 (流量)、水质等仪器研制，以及一体化小型农业供水监控设备与装置、便携式多参数水力学监测装备、微试剂或无试剂非接触型低功耗系列化水质在线分析仪、量质同步监测技术方法等研究。

感知技术强实用：开展基于声光电、智能芯片现代信息技术的水利感知技术装备应用。开展水利测雨雷达、毫米波雷达表面流速仪、智能视频水位计、光电测沙仪、光谱水质监测仪、工程隐患快速探测仪、智能化磁致伸缩量水堰计、智能化振弦式孔隙水压力计等设备的应用。

感知数据高质量：开展多源多维多尺度感知数据治理，保障水利基础对象逻辑一致性、数据一致性，确保数据 "一数一源"，保障数据质量。利用声光电多源感知结合多模型多方法，结合大数据、人工智能、云计算等现代信息技术，融合点线面多源数据，开展气象卫星、测雨雷达、地面雨量站多源数据融合分析计算提高面雨量监测精度，开展遥感卫星与地面土壤墒情监测站点信息融合应用提高墒情监测覆盖度和精度等研究与应用。

感知技术标准化：开展水利感知计量、标准研究，研制雨量计检定装置、蒸发器检定装置、压力式水位计检定装置、大 / 小量程水位计检定装置、水深仪检定装置，开展流速流量、泥沙、水质、墒情、变形压力应变、渗流渗压监测装备检测计量和水利感知技术标准研究。

感知数据传输高可靠：数据传输设备应在主用信道传输失败情况下，自动切换到备用信道，如果切换信道后仍然出现传输失败，则将传输失败的数据在本地进行保存，待通信恢复后，重发对应数据；数据传输设备应具备自诊断自恢复能力，可进行远程维护和升级；在监测要素变化较大或超过阈值时，RTU / 边缘网关等设备应加密数据采集和传输频次。

边缘计算建设合理化：复杂的边缘计算会造成现场设备算力增加、成本增加、可靠性下降，不宜将复杂的数据处理放到现地。

未来展望：凝聚行业共识，共建感知生态

水利感知网建设是一项系统工程，需要全行业共同努力。蓝皮书提出了三点倡议，为未来发展指明了方向。

规划设计同步：水利感知网建设需要重点研究智慧水利建设的机制，包括研究相关的政策法规、创新机制、标准规范等，以问题为导向，率先在流域防洪、水资源管理与调配业务领域自上向下统一顶层设计与建设指南，避免重复建设。加强水利感知网安全建设，为数字孪生水利的发展保驾护航。

分散建设易导致重复投资与资源浪费，通过制定省级或流域级水利设施专项规划，明确站点功能定位与空间布局，建立工程设计、数据接口等技术标准体系，实现资源高效利用。建立跨部门、跨区域联席决策机制，保障规划落地。同时对现有站点通过改扩建或功能合并实现集约化；引入物联网、大数据技术构建管理平台，实现动态监测与智能调度。通过统一规划与集约建设，可提升水利设施综合效能，降低运维成本，同时增强流域水资源调控能力。

示范标准并行：推进水利感知网在各省 / 流域的应用、推广与规模复制，打造一批感知网络体系的应用试点示范。基于试点示范实践成果，各省 / 流域及时出台水利感知网建设指南和标准规范，设定水利感知站网密度等指标，建立健全水利感知网评估指标体系。

水利部南京水利水文自动化研究所已经编制 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。下一步，需要在实践中不断完善标准体系，让标准成为引领行业发展的重要支撑。

开放合作共赢：加强新一代信息技术与水利感知网的深度融合，深化产业链生态协同，构建水利感知网产业共同体。鼓励高科技企业进行相关的新技术、新装备研发和跨领域跨学科技术转化，并从系统考虑角度开展示范，进行推广应用，初步形成规模和可行模式。

蓝皮书的主编单位包括水利部南京水利水文自动化研究所和华为技术有限公司，参编单位涵盖了水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心、多个流域和省级水文机构，以及中国联通、华海智汇、中软国际、东华合创、南水北调集团水网智慧科技等企业。这种产学研用相结合的编制模式，本身就体现了开放合作共赢的理念，也为水利感知网的生态建设奠定了良好基础。

站在新的历史起点上，水利感知网的建设正迎来前所未有的发展机遇。这不仅是一场技术革命，更是一场治理革命。它将推动水利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，为构建高效、智能、安全的水利感知基础设施，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。

本文有数说 123 行研组根据《水利感知网技术蓝皮书》整理分析

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