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數字賦能 提升能力 驅動新階段水利高質量發展 ——水利部信息中心專家解讀智慧水利建設要點

時間：2022-01-07 來源：中國水利報

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□記者 周妍 魏曉雯

　　目前，在加快推進數字孿生流域建設過程中，各流域各地在夯實算據基礎、提升算法水平、補齊算力短板上，處于什么樣的現狀？

　　在獲取算據方面，目前已初步構建空天地一體化的水利信息綜合采集體系，但整體上智能化、自動化程度不高，新技術應用不足，距離透徹感知目標存在較大差距。

　　在優化算法方面，通過國家防汛抗旱指揮系統工程等項目建設，已建七大類水利專業模型，但模型的標準化、模塊化水平不高，共建共享共用程度不夠。

　　在提升算力方面，通過水利信息化重點工程建設，水利算力有了明顯提升。

　　劉志雨：在獲取算據方面，目前已初步構建空天地一體化的水利信息綜合采集體系，建成各類信息采集點約43.36萬處，但整體上智能化、自動化程度不高，新技術應用不足，距離全面透徹感知目標尚有較大差距。此外，水利基礎信息不全，準確性不高，數據標準不一致，不同業務和層級間存在數據“重采、重存”現象，其他行業相關數據未能實現充分共享，互聯網數據應用也處于起步階段。下一步，各流域各地要錨定構建數字化場景的目標，通過優化提檔地面監測、強化遙感監測、提升水利應急監測裝備能力等構建天空地一體化水利感知網，以完善全國水利一張圖、細化流域水利專題圖、建設水利工程實體場景等為重點構建三級水利數據底板，建立健全更新機制實現各類數據的動態、實時、及時和定期更新，保持與物理流域的精準性、同步性、及時性。

　　在優化算法方面，目前已建成水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水土保持、水環境、工程安全評價和參數優化等七大類多套水利專業模型，但模型的標準化、模塊化水平不高，共建共享共用程度不夠、應用不普及、仿真模擬、可視化展示、大數據、人工智能等技術尚未推廣使用。下一步，要錨定智慧化模擬的目標，推進水利專業模型技術攻關，結合國產化軟硬件環境改造的要求，對水文學模型進行模塊化、標準化和云服務升級，對一維和二維水力學模型、泥沙動力學模型等進行模塊化、標準化改造，按照模塊化要求建設防洪工程調度、水資源配置、水量調度、地下水數值模擬、水利工程安全評價等模型；要構建知識圖譜、歷史場景模式、業務規則、專家經驗等水利業務知識庫，建設知識表示、機器推理和機器學習等水利業務智能模型，確保數字孿生流域模擬過程和流域物理過程實現高保真。

　　在提升算力方面，通過水利信息化重點工程建設，水利算力有了明顯提升。在通信網絡方面，地市級以上水行政主管部門實現全聯通，區縣級水行政主管部門聯通率為80.53%，骨干網帶寬擴充至100Mbps以上；縣級以上水利部門共配備各類衛星地面通信設備約3109臺（套），衛星電話約6126部，北斗衛星站報汛站約7297個。在計算存儲方面，省級以上水利部門建設私有云或共享政府云，水利云CPU（中央處理器）總核數45095核、存儲容量達47PB。在視頻會商方面，地市級以上水行政主管部門視頻會議實現全聯通，有些甚至延伸區縣、鄉鎮。下一步，要根據數字孿生流域在數據處理、模型計算等方面的需要，進一步擴展計算資源，升級通信網絡，完善會商環境，提升高效快速、安全可靠的算力水平。

　　目前，水利部強化“四預”工作進展如何？未來，基于數字孿生流域提供的算據算法算力支撐，在防洪、水資源、河湖管理等涉水重點工作領域“四預”功能會得到哪些完善？

　　2021年流域防洪工作取得積極進展，預報方面，緊扣“降雨-產流-匯流-演進”環節，創建以流域為單元的短中長期工作模式。在預警方面，首次實現行業預警直達防御一線。在預演方面，首次建立流域預報調度預演體系。在預案方面，滾動模擬優選洪水調度方案，實現防洪蓄水精準調度。

　　孫春鵬：水利部信息中心深入貫徹李國英部長關于強化“四預”工作的要求，聚焦實戰，積極探索，取得初步成效。在預報方面，緊扣“降雨-產流-匯流-演進”環節，創建以流域為單元的短中長期工作模式，組織發布1374條河流44.2萬站次洪水預報，嫩江、松花江、黑龍江、海河南系漳衛河、黃河漢江秋汛等關鍵洪水預報精準可靠。在預警方面，首次實現行業預警直達防御一線，累計發布暴雨短臨預警355次、強降雨過程洪水預警48次，支撐水利行業洪水防御；組織向社會發布水情預警1653次，直接服務社會公眾。在預演方面，首次建立流域預報調度預演體系，累計開展黃河、嫩江、黑龍江、漳衛河、漢江等洪水預演122次，為制定流域洪水調度方案提供了有力支撐。在預案方面，滾動模擬優選洪水調度預案304個，實現嫩江尼爾基水庫精準調度、漳衛河岳城水庫科學調度、黃河中游小浪底等四庫聯調和丹江口水庫防洪蓄水雙贏調度。

　　近期，信息中心正在編制《水利業務“四預”功能基本技術要求》，將對防洪、水資源等“2+N”水利“四預”工作進行全面規范和技術指導。在預報上，要對洪水、枯季徑流、地下水水位、墑情、泥沙、冰情、臺風暴潮、水質等水安全要素進行定量或者定性預測，實現短期預報、中期預測、長期展望相結合，努力提高預報精度，延長預見期，縮短作業時間。在預警上，要制定水利災害風險閾值和指標，完善水利業務預警發布機制，及時把江河洪水、山洪災害、漬澇災害、工程災害、干旱災害、供水危機等風險預警信息直達工作一線。在預演上，要集成耦合水工程預報信息與流域防洪調度、水資源管理與調配、水工程調度運用、突發水事件處置、水生態過程調節等運行信息和其他邊界條件，設定不同情景目標，實時分析水利工作面臨的風險形勢，對水利調度方案進行模擬仿真預演。在預案上，要結合水工程運行狀況、經濟社會發展現狀等，對預演結果進行分析評估，滾動調整水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，制定工程運行和優化調度等方案，有效提高預案的科學性和可操作性。在“十四五”時期，堅持“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”總要求，建成七大江河數字孿生流域，在重點防洪地區實現“四預”，在跨流域重大引調水工程、跨省重點河湖基本實現水資源管理與調配“四預”，提升N項業務應用水平，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

　　在構建水利數據底板中，覆蓋全流域的一級數據底板、重點河段重點區域的二級數據底板、覆蓋重要水利工程的三級數據底板將各自滿足哪些需求？相互間如何實現共享和配合？

　　采用分級負責、內容互補、共建共享共用的方式，依托全國水利一張圖匯聚流域省（自治區）和工程管理單位建設成果，形成全國統一數據集和服務規范，三級底板之間以數據交換、服務調用和業務協同等方式實現跨層級、跨業務共享，并實現三級底板聯動更新。

　　付靜：數據底板為智慧水利提供“算據”支撐，主要是升級擴展全國水利一張圖，建設基礎數據統一、監測數據匯集、二三維一體化、三級貫通的數據底板，并提供三維展示、數據融合、分析計算、動態場景等功能。建設內容主要包括：一是構建基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據等在內的數據資源池；二是建設水利數據模型、水利網絡模型等多維多時空尺度數據模型；三是建設涵蓋業務數據、視頻數據、遙感數據的水利數據匯聚平臺；四是建設對匯集的多源數據進行統一、規范管理的水利數據治理平臺；五是建設支撐各類水利數據行業內外共享的水利數據服務平臺。按照數據底板中地理空間數據精度將數據底板分為三級。

　　覆蓋全國的一級數據底板，其中地理空間數據包括高分衛星遙感影像、全國30米DEM（數字高程模型）以及局部區域測圖衛星DEM等數據，主要是進行數字孿生流域中精度面上建模。用于滿足整體形勢分析、大區域情況研判以及分布式坡面產流、河網匯流模型等需要，形成全國統一的時空基準。

　　覆蓋流域和省區重點區域的二級數據底板，包括航空遙感影像DOM（數字正射影像圖）、大江大河及主要支流中下游航空傾斜攝影、大江大河中下游水下地形、高精度DEM、河湖管理范圍矢量、水土保持重點對象精細化等數據，覆蓋重點河段重點區域的二級數據底板是在一級底板的基礎上，提高數據精度并進一步豐富數據內容，采用航空遙感方式，水利要素表示由點、線為主細化為面和體為主，主要是進行數字孿生流域重點區域精細建模。二級底板為流域和省區水利治理管理提供詳實的工作底圖，滿足河道洪水演進、重點對象水土保持模型計算等需要。

　　覆蓋重要水利工程的三級數據底板，包括水利工程BIM（建筑信息模型）數據、水利工程設計圖以及水利工程周邊航空傾斜攝影、工程區域的水下地形等數據，覆蓋重要水利工程的三級數據底板主要是通過綜合應用BIM+GIS（地理信息系統）、物聯網、視頻監控、VR/AR（虛擬現實/增強現實）等技術，進行數字孿生流域關鍵局部實體場景建模。三級數據底板為工程管理單位提供精準的信息支撐，滿足水利工程安全監測評估、精準調度控制等需要。

　　三級底板之間的信息共享和配合是數字孿生流域建設的基本要求，主要體現在兩個方面：一是采用水利部本級、流域管理機構、地方水利部門和工程管理單位分級負責、內容互補、共建共享共用的方式建設，依托全國水利一張圖匯聚流域省（自治區）和工程管理單位建設成果，形成全國統一數據集和服務規范，三級底板之間以數據交換、服務調用和業務協同等方式實現跨層級、跨業務共享，避免重復建設。二是強化數據更新機制建立，實現三級底板聯動更新，包括動態更新物理流域及水利工程等基礎數據，實時更新重要站點水雨工災等監測信息、發生洪水的河道遙感信息、參與調度運用的工程視頻監控信息，及時更新汛前及汛期較大場次洪水之后的流域下墊面、重點河段中下游大斷面、水下地形、模型參數等信息，定期更新影響區經濟社會信息。通過三級底板建設與共享，發揮各級建設成果最大應用效益。

　　數字孿生流域建設是一項復雜的系統工程，水利系統上下應為強化推進數字孿生流域建設提供哪些技術支撐保障？

　　盡快開展先行先試，同步完善標準規范，加強技術管理、科研攻關和人才隊伍建設，不斷強化技術支撐保障。

　　錢峰：數字孿生流域建設是一項創新的技術密集型復雜系統工作，需要進行先行先試，并在此基礎上完善標準規范，加強技術管理、科研攻關和人才隊伍建設，不斷強化技術支撐保障。

　　第一，開展先行先試。先行先試是數字孿生流域建設的重要技術路線，點上突破并以點帶線帶面。2022年，水利部將推進數字孿生流域和12個數字孿生水利工程先行先試，各省也要按照急用先建原則至少選擇一個重要流域、一個重點工程進行試點。先行先試中，各級水利部門應加強指導，及時總結提煉和推廣經驗成果，逐步形成政產學研用銜接整合的成果轉化推廣應用體系。

　　第二，統一標準規范。標準規范是數字孿生領域建設分工、成果集成的基本技術保障。水利部將盡快出臺《數字孿生流域建設技術大綱》《數字孿生水利工程建設技術導則》《水利業務“四預”功能基本技術要求》等指導性文件，同時，通過全面梳理檢視現有水利網信標準規范體系，加快制定修訂數字孿生流域建設相關標準規范。各地和工程管理單位在數字孿生建設中也要注重標準規范建設和應用。

　　第三，加強技術管理。技術管理是構建標準化、規范化、系統化的數字孿生流域重要保障。水利部將完善算據、算法等成果在匯交、共享、更新等方面的技術指標，出臺相應制度，強化考核評估，形成動態管理的制度。此外，還要加強考察調研和學習借鑒，強化技術普及和跨流域區域合作。

　　第四，組織科研攻關。科研攻關是數字孿生流域是否先進可行的重要制約因素。重點應在立體監測感知、海量數據處理、專業模型算法、人工智能識別、超大場景渲染、關鍵信息基礎設施安全防護、國產化軟硬件環境適配和集成應用等關鍵技術領域進行攻關。水利部將推進智慧水利方面的重點實驗室、工程研究中心（技術創新中心）、野外觀測研究站等科技創新基地建設，支持引導流域、地方、高校、科研院所和企業，圍繞共性和關鍵技術進行聯合攻關。各單位應充分利用科研資源對建設過程中的關鍵技術積極探索研究。

　　第五，強化人才保障。人才保障是數字孿生流域能否順利建成的根本保障。依托智慧水利人才培養基地、國家關鍵信息基礎設施（水利）網絡安全技術創新團隊以及重大科研和建設項目、重大水利工程等，加大對數字孿生流域建設人才的培養、使用和引進力度，鍛煉培養一批既熟悉水利業務又精通網信技術的復合型人才，打造一支數量充足、結構優化、布局合理、素質優良的專業化數字孿生流域建設人才隊伍。