基于5G+MEC+数字孪生的广东碧道智慧化管理项目

产品功能及原型设计理念和框架

1.    主要功能

1.1万里碧道导航功能

本项目为更好地实现碧道理念公众宣传，发挥广东万里碧道公众服务能力与价值，依托公共电子地图庞大用户体量，充分拓宽公众接触渠道，实现万里碧道理念公众推广，碧道成果公众宣传，碧道景点公众服务建设目标，充分对接百度地图、高德地图相关能力，实现特色碧道及周边串联景点导航功能，通过数字孪生综合内容展示及公众运营服务能力。

1.2数字孪生平台打造碧道立体化养护场景

通过数字孪生场景，准确、及时、真实地反映碧道水位运行、水质变化等情况，实现碧道运行态势全面掌握；通过调度会商决策沙盘实现无人机值守远程操控，满足水环境整治、水灾害防御等实时协同决策场景；结合孪生模型与BI视图融合，对万里碧道建设景观与建设成效进行多维呈现，为公众宣传与服务提供效能。

1.35G+无人机、无人船巡查精细化管理

充分整合前沿技术，优化碧道违法违规事件发现与巡查机制，本项目基于5G通讯、MEC边缘计算技术，构建河湖事件AI智能识别、5G+无人机、无人船碧道巡查方案，突破以往无人机、无人船同步回传影像分辨率低，延迟严重等瓶颈，实现高分辨率大体量视频数据实时回传；同时实现无人机摄像头云台实时操控，快捷聚焦关注区域；同步返回巡航轨迹，通过关联无人机巡查地理位置明确视频拍摄位置，在智能交互大屏应用或河长制一张图等媒介展现河湖实时情况，满足河湖动态巡查与远程督导场景。有效提高碧道巡查成效，减轻基层河长履职压力。

1.4 MEC+AI多元化事件管理

针对所面临的日益复杂的河湖问题，系统需能够以多元化手段对江河湖泊污染、非法行为处置、河湖生态破坏等河长制工作应对的主要问题进行智能化识别，并完成问题处理的全过程管理。MEC+AI视频图像识别技术通过训练与推理服务模块对监控视频中抛洒、漂浮物、河道侵占、违法采砂等“四乱”现象与违法行为进行识别，进一步通过下发告警模块将识别结果及时反馈区域管理部门，协助管理人员精准锁定污染区域，及时制止违法事件，长效维护河湖环境。

1.5实时协同会商

本项目基于5G通信技术，实现现场值守无人机远程精密操控与现场高清图像信息采集，并同步至调度中心作为会商依据，真正实现实时、联动的协同会商场景。本项目属于省级信息化项目，覆盖全省五级河长制体系，而且还涉及到众多成员单位的业务协同，业务类型复杂，数据信息量大，对于领导的统筹协调管理难度很大，因此需要有针对性的对碧道业务及河湖管理相关提供决策管理相应的功能。

1.6湖数据资源支撑体系

面向河湖业务全生命周期开展数据资源规划，以实现河湖精细化、智能化管理为目标，对采集、汇聚、共享的涉河湖数据进行统一抽取、清洗、转换、插补、同化、审核和加载等操作，系统分析河湖数据资源生产、传输、存储、交换、分析等全过程的管理现状和存在差距，按照面向对象的方法建立河湖元数据、数据对象模型和关系模型，形成结构清晰、数据完备、质量可靠的涉河数据资源目录

2.    设计理念

2.1.1整体架构

广东智慧碧道项目建设紧跟新一代信息技术的发展，以实现河湖信息化、智能化管理为目标，以“多维感知、云化服务、数据驱动、创新应用”为核心理念，提出广东智慧碧道系统的总体架构，主要由信息感知层、系统支撑层、业务应用层、应用展现层、标准规范体系、安全管理体系、运营管理体系构成。

图 1 总体架构图

2.1.2网络架构

本方案根据省水利厅实际情况对广东省电子政务外网、互联网及各接入河长各成员单位进行综合考虑，从政务外网、互联网等进行统一规划，至少满足广东智慧碧道建设未来5年的网络发展需求。

广东智慧碧道项目总体网络架构如下图所示：

图 2总体网络架构图

2.1.3数据架构

广东省“数字政府”建设全省统一的大数据中心，汇聚各部门数据、地市数据、行业数据，形成政务大数据资源池，实现数据资源开放利用，通过数据治理提升数据质量和价值，以及加强数据管理。广东智慧碧道项目建设遵循“数字政府”总体技术框架和要求，构建广东省河长制数据支撑和共享服务体系，集约利用省级政务大数据中心提供的数据基础平台、数据共享平台、数据服务平台、数据治理平台、数据安全平台和数据分析应用平台等PaaS能力，一方面满足河长制信息化建设的实际需求，另一方面符合构建一体化高效运行的“数字政府”的具体要求。系统整体数据架构示意图如下：

图 3 数据架构图

创意特色及技术性能

1.构建云边协同、边边联动的AI生态碧道网

本项目创新性引入5G MEC 专网，成功。我们通过在广东万里碧道管理中架设200多个首级边缘视频处理计算节点，下沉至高清摄像头侧，对简单的、无需过多耗费运力的视频数据完成处理；对较复杂的视频数据将送往对应的部署在全省30个共享型5G MEC节点中进行二次AI算法处理，处理的结果将通过SD OTN电路专线送往省水利专网，直达省水利厅数据中心。同时，为确保数据传输过程的安全不泄密，本项目专门配置的专用的5G DNN，确保数据不出公网，全程端到端均在封闭式的传输内网中传输。

2.迭代演进，从传统河长制系统向智慧河湖长平台全面升级

全面升级河长系统架构与功能维度，支撑河湖数据共享互通、河长业务协同联动，实现河长制工作从分散粗放向集约精细转变、从被动响应向主动预警转变、从经验判断向科学决策转变。将碧道景观建模、水质情况、生态景观、涉河工程等要素在河长制“一张图”上综合展现，为规划设计和公众宣传提供依据。同时为规范和引导碧道工程建设，保障建设质量和建设效果，本项目构建碧道工程建设管理模块，实现对全省碧道建设情况概览与统一管理。

整个项目解决了传统的河湖监测慢、弱、窄、差的痛点，让数据获取快，计算能力强，业务应用广，交互方式佳。广州市河长办基层巡河人员之前巡河每天要步行10公里，现在通过无人船只要半个小时就能完成之前一天的巡河量；省水利厅厅河长办的人员之前每年考核的时候都要填报大量的数据，打印一大堆文件，现在只要系统生成考核结果，一键推送就搞定了，节约大量时间和成本；之前大家对碧道是什么都不清楚，现在茅洲河碧道很多公众都在节假日组团去碧道游玩；这些都是看得见的在管理效率，经济效益，公众服务三个方面的巨大提升。

3.数据融合，充分汇聚河湖涉水数据形成标准化资源体系

在数据层面，项目坚持数据驱动理念，通过联通大数据治理及管理能力，首要解决数据孤岛、数据混乱、共享机制缺失等问题，打造河湖标准化数据资源体系，在此基础上挖掘河湖数据应用价值，研判河湖健康态势，辅助河湖管理决策。

4.高效协同，基于业务中台打通成员单位业务闭环

本项目基于业务中台能力，打通河长业务流程，统一河长用户体系和管理体系，再通过面向服务架构实现平台能力的内外部共享，从而打通内外部协同机制，构建业务闭环。

5.科学评价，为全省河长工作构建科学智能的评价体系

基于河长制考核办法，设定考核指标，实现对各级河长工作进行全方位自动考核评分，保证考核结果客观的同时通过考核统计分析发现和落实突出的问题，促进河长制工作良性发展。并引入河湖健康评价体系，为河湖治理制定科学衡量标准。

6.动态监管，应用前沿感知手段及时、全面挖掘河湖问题

通过卫星遥感、无人机、无人船、高清视频监控等新型感知手段，实现四乱现象及其它河湖问题多维度监控与智能判别，依托平台告警分析协助管理人员精准锁定污染区域，及时制止违法事件，长效维护河湖环境。

7.惠水便民，为“全民治水”创造综合服务平台条件

联通依托运营商优势，为河湖管理工作提供长效公众智能服务平台，充分融合微信生态、智能客服以及公众大数据等公众服务渠道，为公众提供智能便捷的周到服务，增强公众对河湖事务参与度，打造河湖环境“全民共治”局面。

整个项目也是持续的沉淀一系列的知识产权成果，包括全国智慧水利最佳实践等5项国家级嘉奖，基于5G+无人机集群调度管理系统，流域三维可视化系统等5项软著，发明专利2项，MEC边缘云平台也是通过等保三级测评。

与5G结合性及强相关性及产业联动效应（必填，对5G技术发展的预期影响；应用作品/项目的完整性；产品规模化生产后对产业链的影响）

构建科学先进、纵向贯通、横向集成的河长制综合管控运维体系，为促进广东省河湖可持续治理提供有力支撑，目标打造全国河湖管理平台示范性标杆。为了更好地推广项目落地，广东水利厅、广东联通、广东水科院趁势打造江河湖库5G应用实验室，着力北江试点研究、平台产品研发和智慧河湖管理技术应用推广，为全国智慧江河建设起到创新示范性效用。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度（必填，与5G相关技术特性的融合度及相关性；以5G为基础，与AI、大数据、云计算、区块链等新技术融合发展催生新概念、新技术、新应用和新业态）

3.1MEC+AI碧道事件监管

3.1.1 5G+MEC 组网方案

图 5中国联通 MEC 组网架构

由于高清视频及AI智能图像识别技术对时延和带宽的高要求，促使业务服务向网络边缘部署，MEC 为这些业务部署提供了一个边缘计算环境。

在 5G 网络架构中，UPF 可以提供分流功能，PCF 实现分流策略的控制。与4G MEC 相比，5G MEC 与 5G 网络深度融合。MEC 服务需要的分流规则，通过接口告知 PCF，PCF 将分流策略配置给 SMF，再由 SMF 发送给基站和 UPF，最终由 UPF 实现分流的功能，如图 5.6 所示。在 5G 网络中，UPF 可按需部署于网络的各个位置，实现将业务分流到MEC 服务器。比如对于时延要求较高的AR/VR 业务，可以将 UPF 和 MEC 部署于接入云；对于高清视频业务，部署于边缘云或者更高一级的汇聚云，以便提高业务的命中率。

此外，由于 5G MEC 基于 5G 网络架构实现，其分流功能和策略功能使用了5G 网络中标准的 UPF 和 PCF 网络功能，因此能够从根本上解决 4G MEC 中存在的计费问题以及策略问题，使 MEC 能够真正实现商用化。通过 5G MEC 提供的计算能力和平台架构，配合虚拟化灵活部署，构建开放的网络边缘生态环境，从而为用户提供优质体验的移动通信服务。

图 6  5G 网络与 MEC 融合架构图

3.1.2 MEC+AI视频图像智能识别系统

视频图像智能识别系统致力于打造一个基础的、强大的、开放的智能视频基本能力平台，充分释放视频资源的价值，赋能水利行业快速构建可视化、智能化的视频应用能力。利用已建设的视频监控资源，横向拓展视频资源的应用范围，纵向提升视频资源对各部门业务的能力支撑，提供视频图像预览、录像查找回放、视频事件检测等视频价值挖掘的技术手段，促进视频应用与职能部门相融合，并初步建立起自动化、智能化的预警防范机制，为河湖决策指挥提供智慧支持，促进治理智慧化水平提升。

视频图像智能识别系统基于云计算、云存储、人工智能、大数据等先进技术进行构建，搭建视频汇聚管理、开放共享、智能分析等能力。

图 7MEC+AI视频图像智能识别系统架构

AI视频图像识别技术通过训练与推理服务模块对监控视频中抛洒、漂浮物、河道侵占、违法采砂等“四乱”现象与违法行为进行识别，进一步通过下发告警模块将识别结果及时反馈区域管理部门，协助管理人员精准锁定污染区域，及时制止违法事件，长效维护河湖环境。

通过对视频监控数据的采集，自动分析和处理，在河道水环境生态治理中可利用水面漂浮物监测识别，来进行河湖水域岸线管理保护，利用河道周边监控对河道建立视频采集点将实时的视频数据通过网络传输到后台视频图像智能分析系统中实时分析，通过公有云AI训练平台建立相应的分析模型，人工标注被检物，不断进行模型训练学习最后能够动态识别被检物体，并产生告警信息。在不需要人为干预的情况下对监控场景进行自动分析，及时做出信息提醒，使得河道周边监控能快速、智能地帮助相关部门，对河道进项监护，加强河道到管理，帮助保护水资源、防治水污染、改善水环境。

图 8MEC+AI视频图像识别系统业务场景

3.1.3视频图像智能识别优化服务

机器学习是一个不断实践、不断优化、不断探索的过程，所以视频图像识别平台建成以后需要对整个平台提供持续不断的优化运营服务，以降低误报率和漏报率，本项目业务运营团队需要针对已经建设的物体识别模型算法、水质恶化识别模型、水位线识别模型算法、周边防范识别模型算法等进行优化。

1、水面漂浮物识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对水面漂浮物识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

2、侵占构筑物识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对侵占构筑物识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

3、周界防范识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对周界防范识别模型进行优化，提升模型准确率。

4、水位线识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对水位线识别模型进行优化，提升模型准确率。

5、水质恶化识别模型算法

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对水质恶化识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

6、抛投垃圾识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对抛投垃圾识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

7、倾倒污水识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对倾倒污水识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

8、非法采砂识别模型算法优化

根据前期向厂商的调研，针对指定视频点现场情况，以及模型运行期间的误报及漏报情况，对非法采砂识别分析模型进行优化，提升模型准确率。

3.1.4 5G+MEC+数字孪生引领打造万里碧道智慧化运营新模式

全业务一网统管，5G+MEC实现全要素感知，5G+无人机自动化巡查，MEC+AI碧道问题挖掘，数字孪生打造立体式养护平台。

通过数字孪生场景，精准、及时、真实地反映碧道建设成效和运行状态。基于MEC的云存储实现多源异构孪生数据存储，基于MEC实现多源传输网络融合。多产业一道拉动，碧道多元化公众服务，拉动产业文化，旅游娱乐，为公众提供多元化服务。

建设万里的碧道，如何规划，如何建设、如何管理是客难点，通过万里碧道数字孪生平台打造规建管过程分析应用场景，实现碧道建设的规划编制、实施、监督和评估闭环管理，落实“空间规划体系改革”要求，从源头做好空间管控，提升政府精细化管理水平和行政效能。

万里碧道数字孪生平台打造碧道立体化养护场景，能够准确、及时、真实地反映碧道水位运行、水质变化等情况。实现碧道运行态势全面掌握；通过调度会商决策沙盘实现无人机值守远程操控，满足水环境整治、水灾害防御等实时协同决策场景；结合孪生模型与BI视图融合，对万里碧道建设景观与建设成效进行多维呈现，为公众宣传与服务提供效能。

3.2 5G+无人机碧道河湖监管

3.2.1 5G+AI高清视频巡查

利用5G+AI+无人机技术进行巡河工作，弥补了人工巡河发现问题能力不足、巡河效率低的问题，能有效快速获取河道水域岸线相关情况，助力河湖监管人员及时发现河湖问题并及时采取应对措施。

基于MEC边缘计算模块，现场接收无人机巡查返回4K高清视频并进行动态演算，基于已训练的算法模型对视频中河道疑似乱建、乱占、乱采、乱堆问题进行识别研判并形成标注，并将结果返回“智慧河长平台”数据中心，进入事件管理流程进行事件执行流转，并接受上级部门督导督办。

巡查事件AI识别技术在5G通讯高带宽、低时延的保障下，充分融合无人机巡查灵活性和AI识别智能性，深入挖掘河湖管理中存在的河湖违法违规问题，并基于智慧河长平台形成完整的事件处理机制，保障发掘事件能够形成解决闭环。同时借助该项技术，有效减轻基层巡河人员工作负担，在很大程度上提高河湖巡查的覆盖性和精准性。

识别效果如下图所示。

3.2.2 5G+VR碧道全景拍摄

万里碧道作为下一阶段推动河长制湖长制从“有名”到“有实”的最重要抓手，VR全景拍摄技术可针对万里碧道建设范围及环境构建真实三维场景，场景涉及所有空间要素均按照真实尺寸进行构建，误差控制在0.1m内，碧道三维基础数据通过与施工设计图、BIM模型数据、物联网监测数据等多元数据进行叠加融合，对指导碧道建设规划、工程设计、设备布设、模型分析、动态监管均具有重要意义。同时通过构建多时态碧道三维场景，形成碧道工程时空监管序列，实现对万里碧道工程建设全生命周期动态监管。

结合5G网络高带宽、低时延优势，为碧道试点工程现场高清视频的实时动态回传提供条件。通过选取5G网络覆盖碧道试点河段进行无人机巡查拍摄，实现碧道试点工程全貌到细节的动态反馈，为碧道试点工程建设管理提供动态监管途径。

3.2.3 5G+值守无人机动态会商

通过5G+无人机无人值守远程操控系统，在指挥中心使用河道巡视现场的无人机对指定河道进行实时航拍，并基于5G通信技术将实时视频回传至指控中心，利用远程传回的高空航拍数据，实现指挥中心与现场的实时视频会商，为河道整治方案的快速制定提供决策依据。

主要应用场景包括灾害快速抢险及复杂地区四乱整治。

图 9灾后抢险航拍示意图

图 10河道违建清理航拍示意图

3.3网络通信保障方案

3.3.1 5G网络通信方案

基于5G大带宽，低时延特性，突破以往无人机同步回传影像分辨率低，延迟严重等瓶颈，实现高分辨率大体量视频数据实时回传；同时实现无人机摄像头云台实时操控，快捷聚焦关注区域；同步返回巡航轨迹，通过关联无人机巡查地理位置明确视频拍摄位置，在智能交互大屏应用或河长制一张图等媒介展现河道实时情况，满足河道水环境及碧道试点工程动态巡查与远程督导场景。

通过无人机挂载的360°全景4K高清摄像机进行前端数据采集，采集的数据由5G CPE、5G蜂窝基站及核心网链路回传至视频流媒体服务器，搭建的5G测试网络上行带宽达80Mbps，下行带宽达800Mbps，完美保障了无人机正常飞行以及直播画面正常传输。

3.3.2偏远地区视频会商网络通信保障方案

在山区、流域或近海等偏远地区条件下，5G网络基站密度及覆盖度往往不足，导致偏远地区5G网络信号不强，成为制约无人机巡查数据传输瓶颈，在实时会商、协同巡河等需求场景下无法实时回传当地高清影像，因此需要针对该类地区构建切实可行的网络保障方案。

本联合体充分发挥网络通信运营商优势，提供一系列网络保障服务，其中针对本项目5G信号覆盖弱的偏远地区场景，本联合体通过应急通信车方案实现5G网络中继，加强目的地信号覆盖，保障5G信号弱环境下无人机信号传输需求。

图 11  应急通信车网络中继拓扑

项目的价值以及市场需求、分析市场容量和（必填，结合参赛作品的市场规模、所处产业链角色、产品规模化生产对产业链的影响等来分析参赛作品的市场定位、市场份额预期、产业效应及社会效益）

创新智慧碧道管理大规模应用场景，并经过大型项目检验。同时依托本项目深入探索5G技术行业应用价值，在治水、兴业、惠民上实现赋能。集约化开展5G基站及MEC节点建设，作为基础资源持续提供支持能力。建设成果在水安全、水环境、水资源等其它场景或其它行业复用。通过整合生态，拉通上游设备厂商共建河湖管理应用设备；同时开放架构，支持下游行业软件开发商整合应用，形成基础能力平台，从而拉通上下游产业发展。

运营商是整个产业合作的基石，基于商业模式优势带动5G与行业融合，打通水利行业上下游，促进5G时代“技术一标准一产业” 的生态链的智慧化发展与变革，将商业模式转化为市场竞争优势。

通过项目的建设，能够帮助省、市、区（县）、镇（乡）等各级政府及时准确做出决策，实现对广东省环境资源的有效管控，改善生态环境，提高人民群众的幸福感和政府公信力，进而加快广东省全面建成小康社会的步伐，保障经济社会的可持续发展。在提升监管能力的同时，也可以改善对公众的服务水平。

1、实现横向部门以及纵向市县信息的共享和业务的协同，推进河长管理信息化建设上新水平

通过项目建设，统筹协同水利、生态环境厅、气象、农业农村、林业等多个河长制成员单位，获取水质监测、气象信息、地理地质信息、社会经济信息等河长管理相关信息支撑，消除各部门间存在的信息孤岛、一数多源的局面，通过统一的构架实现信息资源的整合、资源的共享应用，最终形成闭环，真正实现部门间信息的共享和业务的协同，推进河长管理信息化建设上新水平。

2、业务协同管理，加强河长履职管理，形成河长制工作信息化模式

通过项目的建设，河长应用体系面向广东全省各级河长、河长制办公室及其成员单位、社会公众等用户提供河长制业务应用服务。业务应用包括河湖管理、碧道工程管理、协同管理、巡查管理、督导检查、专项任务、考核评价等业务功能，同时结合移动应用为日常巡河及业务管理提供服务，从而可以实现对广东省、市、区（县）、镇（乡）镇、村落实河长制工作进行客观公正的评价、管理、监督和考核。同时该系统可以促进工作人员及时处理并上报河道巡查过程中存在的各类问题，提高工作效率；同时，上级也可以实时了解河长制工作落实情况。

3、建立信息公开和社会监督渠道，加强公众河湖事务参与，提供“社会共治”公众服务

建立信息公开和社会监督渠道，连通现有微信公众号，及时通过平台发布公开信息并将公众投诉案件作为河长工作内容及时处理，针对公众反映的问题做到事事有回音，件件有落实，实现良性互动，科学管理，高效服务，进而提升政府形象。并构建完善的公众服务体系，提高志愿者和社会公众对河湖治理的参与，为人民群众提供河长制政策解读、分析、相关河流水务办事指引、河流水文信息查询、举报投诉受理、意见建议收集等水务服务，做到全民参与实现“社会共治”效果。

商业模式

本项目依托运营商生态链，创建两类商业模式：

1、创新服务运营模式

基于已落地项目建成资源，通过IaaS化、SaaS化服务形式为需求方提供网络、设施及软件平台租赁服务及运维服务。该模式有效降低需求方投入资金和建设方建设成本，符合河湖监管批量化、短平快建设需求，并创造持续性服务的商业价值。

设备IaaS化服务：在河湖管理中的视频监控、AR、VR、无人机/船、5G流量卡、边缘计算资源等业务中采用服务租赁。

平台SaaS化服务：河湖管理平台通过SaaS为客户提供标准化服务，客户按月/年租用智慧河湖平台，供应商在租赁期内负责网络、设备、软件维护。

2、集成推广项目模式

在短期依托项目一次性交付项目，打造行业标杆，在中长期由点及面全国推广，进一步发挥产业联动的商业价值。

短期：依托项目一次性交付建设内容，精耕细作打造行业标杆，提升企业行业影响力。

中期：由点及线、由线及面，在全国复制推广，支撑全国河湖管理需求。

长期：打造智慧河湖管理的多源应用产品，进一步完善5G产业生态圈。

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等