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張金良：智慧黃河建設框架與思考

時間：2021-12-10 來源：中國水利雜志

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黨的十九大明確提出要建設網絡強國、數字中國、智慧社會。 為貫徹落實國家信息化發展綱要，2019年水利部印發《加快推進智慧水利的指導意見和智慧水利總體方案》，把智慧水利建設作為推進水利現代化的重要舉措。 2021年全國兩會通過《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，明確提出構建智慧水利體系，以流域為單位提升水情測報和智能調度能力。

為全面落實國家戰略規劃要求，水利部將智慧水利作為新階段水利高質量發展的顯著標志和六條實施路徑之一，提出推進水利場景數字化、模擬精準化、決策智慧化，通過預報、預警、預演、預案的“四預”功能實現，賦能以水旱災害防御和水資源管理與調配為主的“2+N”業務應用，為水利智慧化決策提供科學支撐。

在分析黃河流域水利信息化建設現狀及存在問題的基礎上，統籌黃河治理保護需求和水利信息化建設需求，提出智慧黃河建設的總體目標和總體框架，探討智慧黃河建設的主要任務，以期為智慧黃河建設頂層設計提供思路框架和參考。

一、黃河流域水利信息化建設現狀及存在問題

2001年以來，通過防汛減災、水資源管理與調度、水資源保護等業務應用系統建設和運用，黃河治理保護工作的現代化管理水平顯著提升。但對標黃河流域生態保護和高質量發展、國家及水利部信息化建設、流域水利高質量發展等要求，與突飛猛進的先進信息技術相比，黃河流域水利信息化在數字化、網絡化、智能化等方面存在明顯短板。

1.數字化方面

水利信息綜合采集體系初步形成。通過流域水情自動測報系統和水情分中心建設，水、雨、工、墑情站網布局更加合理；實現流域干流139個取水口在線監測，建成水土流失動態監測站點52個，整合形成1000余路視頻點的統一視頻服務平臺；建成黃河流域“水利一張圖”并廣泛應用。但存在感知體系不健全、采集要素和覆蓋范圍不全、監測能力不足、采集自動化智能化水平不高等問題，如流速、泥沙等水文要素監測依然以人工為主，信息資源依然條塊分割，開發利用程度較低，“水利一張圖”還沒有在全行業實現全面應用。

2.網絡化方面

基本形成黃委—委屬單位—市局—縣局—沿河基層單位五級專用通信傳輸網絡架構。基本實現黃委機關（核心網）、各省局（包括各所屬單位）、市和縣局的四級計算機綜合業務網全覆蓋，實現了與黑河流域管理局和西北五省（自治區）網絡互聯，以及黃河下游78座引黃涵閘的網絡接入。流域水利網絡安全體系初步形成，水利網絡安全防護能力和水平明顯提升。但存在信息基礎設施薄弱、信息傳輸帶寬嚴重不足、計算機網絡覆蓋“深度”和“廣度”不足、基礎設施保障能力嚴重不足等問題，如多數基層單位網絡帶寬不足，仍有部分基層單位尚未接入黃河通信網。

3.智能化方面

黃河水量調度管理系統、防汛抗旱指揮系統、水資源監控能力建設、水政監測基礎設施建設項目等一批重大項目建成投用，為黃河流域水旱災害防御、水資源管理與調度、水政管理、水土保持監督監測、水利工程建設管理等水利業務提供有力支撐，有效提升了黃河治理保護管理工作現代化水平。但存在應用和業務融合不足、高新技術應用水平不高等問題，如水工程智能控制與聯合調度能力不足、水旱災害防御及水資源管理與調配的智慧化程度不高等。

二、智慧黃河建設總體框架

1.總體目標

充分運用云計算、大數據、物聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，構建黃河治理保護全要素的天空地一體化水利感知網和治河管河業務全覆蓋的高速穩定安全的新一代水利信息網，建成具有水利全要素數字化映射、全息精準模擬、超前仿真推演和評估優化的數字孿生流域，建成以流域水旱災害防御和水資源管理與調配為重點，水土保持、水生態環境保護、水利工程建設管理、河湖管理、政務協同為補充的“2+N”結構的業務應用，賦能預報、預警、預演、預案的“四預”體系，建立主動感知、智能防御的網絡安全防護體系，實現流域管理業務與信息技術的深度融合和智慧應用，實現流域保護治理狀態庫快速感知、流域水旱災害防御的智能高效、水資源調配管理的精準實時、水利基礎設施網絡的調度自如、水生態環境狀況監控的全面覆蓋，為流域水治理體系和治理能力現代化提供有力支撐與強力驅動。

2.總體框架

根據智慧黃河建設的總體目標，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字孿生流域為基礎、以算據算法算力為核心、以物理流域與孿生流域同步仿真運行為驅動、以智慧黃河預報預警預演預案為目的，構建滿足“數字化場景，精準化模擬，智慧化決策”的智慧黃河體系。

▲智慧黃河建設總體框架

三、智慧黃河建設主要任務

1.構建黃河流域基礎支撐能力

充分運用云計算、物聯網等信息技術，在黃河流域升級新一代信息基礎設施，在計算機上模擬黃河流域的水系、水網及各項水利治理管理活動，建立全要素真實感知的黃河流域及其影響區域數字化映射，構建多維多元高保真數字模型，強化物理流域與孿生流域的實時同步仿真運行，為“四預”功能運行提供支撐。

（1）建設新型信息基礎設施

網絡計算存儲等基礎設施高速發展為智慧黃河建設提供了高效的計算服務能力，為流域監管海量數據存儲、處理提供保障。升級黃河信息網，改造網絡核心設備和網信安全設備，打造高速、靈活、安全新一代信息骨干網絡，構造全覆蓋、全面支撐IPv6、下一代SDN架構黃河信息網；建設黃河云，充分整合利用已有計算、存儲等基礎設施資源打造新一代綠色節能安全穩定的黃河云數據中心。

（2）建立黃河流域數字底座

以黃河流域各類基礎設施等為基礎，以全流域數字地形為基石、干支流水系為骨干、水利工程為重要節點，構建以水利數據模型、水利空間網格模型、水工程BIM模型、監測感知數據等基準融合的多維多時空尺度數據模型，對物理流域及其影響區域進行全要素數字化映射，形成黃河流域的數字化場景，構建黃河流域的數字底座。

（3）構建黃河流域數字孿生平臺

在黃河流域數字底座基礎上，利用虛擬現實、增強現實等信息技術和專業模型方法，以黃河流域管理范圍為邊界、各項業務活動為主線、預報預警為關鍵環節，構建黃河流域數字孿生平臺，在數據空間對黃河流域水利治理活動進行全息智慧化模擬，對可視化仿真模型和數字模擬仿真引擎進行渲染呈現，實現數字流域精準化模擬，支撐水安全要素預報、預警、預演、預案的模擬分析。

2.建設黃河大腦

（1）構建以知識圖譜為核心的黃河流域大數據知識庫

以監測數據、業務數據、跨行業數據和空間數據為基礎，以水旱災害防御、水資源優化配置為主線，利用圖譜分析展示水利數據與業務的整體知識架構，描述真實世界中的江河水系、水利工程和人類活動等實體、概念及其關系。構建大數據存儲管理智能服務能力，應用知識圖譜技術串起業務數據、調度預案、業務規則、專家經驗、歷史場景等，實現黃河流域各類水利知識的共建共享與便捷查詢。

（2）構建新一代數學模型體系

數學模型是智慧水利的核心和靈魂，要加快推進新一代模型研發，突破水利智慧化模擬“卡脖子”難題，為加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧黃河體系提供模型支撐。

在流域洪水（徑流）預報方面，研發具有強物理基礎、遙感大數據和高性能并行計算的新型分布式水文模型，提升精細化模擬和預報能力，研究多源信息融合的網格化數值預報技術，延長水文預報預見期。在泥沙預測方面，研究模型高速化、智慧化、精準化建模方案，推動傳統模型升級換代。在水工程調度方面，研究流域水工程防災聯合調度模型、流域水工程綜合調度模型等，提升流域水工程調度能力。在水資源管理應用方面，圍繞水資源剛性約束制度落實，構建流域尺度的水資源動態監管與精細化調配模型，提升對流域水資源供需情勢變化的動態評估能力，提高水資源動態監管能力。在數字化場景建設方面，研發具有仿真模擬和實時渲染的可視化模型，為物理流域提供高保真數字化映射，提供虛實融合的可視化場景。

（3）構建智慧化水利模擬引擎

智慧化模擬仿真是針對流域特定模擬仿真應用場景，根據數學模型仿真計算需要，調用實時數據、歷史數據和其他特定數據，基于數字孿生流域，對水 利業務活動進行推演模擬、風險評估和可視化仿真，生成可行調度方案集，為制定預案提供支撐。智慧化模擬仿真包括水利業務場景信息要素提取、模擬仿真計算、調度實例管理。

①水利業務場景信息要素提取。針對特定模型仿真場景需求，形成以水系、行政區、水工程等節點信息為主的網絡拓撲圖，直觀顯示節點聯系及水力聯系，同時快速提取業務場景所需的河流、河段、水工程以及行政區社會經濟等各類要素的基礎信息、特征指標等信息，為特定場景下的仿真模擬提供數據支撐。

②模擬仿真計算。針對水利業務場景調度要求，靈活配置水利專業模型，也可通過模型組裝形成新的模型，根據模型計算需求自動提取計算參數以及實時數據、歷史數據和其他特定數據，基于可視化模型進行模型仿真計算，對仿真過程進行動態、實時的全要素分析、決策和優化，推動預報、預警、預演、預案全流程的仿真測試驗證，并隨時反饋到物理流域的相應對象、對應環節，指導物理流域的控制與運行，為調度方案的制定和執行提供智慧化決策支持。

③調度實例管理。將水利業務場景下的模型仿真計算成果形成調度實例庫，對仿真計算實例從調度目標確定、業務場景構建、模型加載、模型啟動條件以及參數選擇、仿真過程監管等實際調度反饋進行全方位、全過程管理，能夠對調度實例進行查詢、分析和可視化管理。

（4）構建以黃河模擬器為核心的智慧流域

以黃河流域數字孿生平臺為基礎，以黃河大數據庫、智能算法和水利引擎為核心，利用人工智能、大數據分析、人機交互等信息技術，以預演為反饋、知識為驅動，實現黃河流域各類治理管理行為實時同步運行、全面精準預警、超前仿真推演和動態數字預案，支撐黃河流域智慧化決策。

3.建設“2+N”水利智能業務應用體系

統籌黃河流域治理保護需求和流域職能管理需求，在整合優化現有水利業務系統的基礎上，充分運用智能中樞提供的模型平臺和知識平臺支撐，以預報預警預案為基礎、預演為反饋，構建包括水旱災害防御、水資源管理與調配等2項重點業務，以及水生態環境保護、水土保持、水利工程建設管理、河湖管理、政務協同等N項業務為補充的“2+N”結構的水利業務應用體系，為水利業務決策提供智慧化支持。

（1）黃河流域水工程防災聯合調度系統

充分利用現有水利業務系統，結合流域水旱災害防御需求，共享調用數字孿生流域，建設包括重點區域、重點河段、重點水工程以及防洪影響區域等數字化場景，研發實現“四預”功能所涉及的防災調度專業模型以及可視化模型，構建包括水工程調度規則庫、專家經驗庫、歷史案例庫等的調度知識庫，形成防災調度智能中樞。在此基礎上，建設黃河流域水工程防災聯合調度系統，在數字化場景中實現預報調度一體化，及時準確預報、基于規則和風險的全面精準預警、人機互動的同步仿真預演、動態優化的精細數字預案，為流域水工程防災聯合調度及水旱災害防御提供智能化、科學化的技術支持。

（2）黃河流域水資源管理與調配系統

在現有流域水資源管理與調度系統的基礎上，共享調用數字孿生流域，形成水資源管理調配的數字化場景，構建黃河流域水資源管理與調配系統，以流域套區域為單元，采集行政區界斷面、取退水口、用水戶、地下水等站點的流量、水量等信息，動態掌握流域水資源總量、實際用水量等信息，研發水資源管理調配專業模型，預測預報流域主要來水區徑流、流域區域需水、生態流量、地下水等關鍵要素，對用水限額、生態流量、地下水超采等紅線指標進行預警，對水資源管理調配進行智慧化模擬預演，制定和優化調整預案，為推進水資源節約集約利用提供智慧化決策支持。

4.構筑基于密碼機制的智慧黃河安全防護體系

智慧黃河以網絡的高度連通和數據的高度共享為基礎支撐，實現了系統的跨層級、跨部門、跨系統、跨網絡的應用服務。信息科技賦能的同時，也帶來更加復雜的安全風險，防御難度增加，影響損失加劇。智慧黃河與信息安全是一體之兩翼，驅動之雙輪，須統一謀劃。智慧黃河通過密碼技術的嵌入，能有效提升其內生安全。綜合運用CA證書認證、密鑰管理、簽名簽章、時間戳服務等加密技術實現系統的身份認證和鑒別機制，確保操作用戶身份的真實性和合法性，提高用戶操作的可追溯性。采用加密算法對關鍵、敏感數據進行加密、校驗，實現數據安全傳輸，防止數據泄露和被篡改。不僅如此，強化“大安全”意識，智慧黃河還需要構建信息安全新體系，以有效應對復雜的安全形勢。在信息安全等級保護基礎上，創新集成密碼、立體感知印證、安全態勢感知、動態防御等安全防護技術，構筑堅強有力的信息安全運行環境，為智慧黃河、智慧水利建設保駕護航。

來源/《中國水利》2021年第22期，略有刪節