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數(shù)字賦能 提升能力 驅(qū)動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展 ——水利部信息中心專家解讀智慧水利建設(shè)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(shù)字孿生流域建設(shè)過程中，各流域各地在夯實算據(jù)基礎(chǔ)、提升算法水平、補齊算力短板上，處于什么樣的現(xiàn)狀？

　　在獲取算據(jù)方面，目前已初步構(gòu)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(shù)應(yīng)用不足，距離透徹感知目標存在較大差距。

　　在優(yōu)化算法方面，通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程等項目建設(shè)，已建七大類水利專業(yè)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(shè)，水利算力有了明顯提升。

　　劉志雨：在獲取算據(jù)方面，目前已初步構(gòu)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(shù)應(yīng)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(chǔ)信息不全，準確性不高，數(shù)據(jù)標準不一致，不同業(yè)務(wù)和層級間存在數(shù)據(jù)“重采、重存”現(xiàn)象，其他行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)充分共享，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用也處于起步階段。下一步，各流域各地要錨定構(gòu)建數(shù)字化場景的目標，通過優(yōu)化提檔地面監(jiān)測、強化遙感監(jiān)測、提升水利應(yīng)急監(jiān)測裝備能力等構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)，以完善全國水利一張圖、細化流域水利專題圖、建設(shè)水利工程實體場景等為重點構(gòu)建三級水利數(shù)據(jù)底板，建立健全更新機制實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的動態(tài)、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(yōu)化算法方面，目前已建成水文、水力學(xué)、泥沙動力學(xué)、水資源、水土保持、水環(huán)境、工程安全評價和參數(shù)優(yōu)化等七大類多套水利專業(yè)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(yīng)用不普及、仿真模擬、可視化展示、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)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(yè)模型技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合國產(chǎn)化軟硬件環(huán)境改造的要求，對水文學(xué)模型進行模塊化、標準化和云服務(wù)升級，對一維和二維水力學(xué)模型、泥沙動力學(xué)模型等進行模塊化、標準化改造，按照模塊化要求建設(shè)防洪工程調(diào)度、水資源配置、水量調(diào)度、地下水數(shù)值模擬、水利工程安全評價等模型；要構(gòu)建知識圖譜、歷史場景模式、業(yè)務(wù)規(guī)則、專家經(jīng)驗等水利業(yè)務(wù)知識庫，建設(shè)知識表示、機器推理和機器學(xué)習(xí)等水利業(yè)務(wù)智能模型，確保數(shù)字孿生流域模擬過程和流域物理過程實現(xiàn)高保真。

　　在提升算力方面，通過水利信息化重點工程建設(shè)，水利算力有了明顯提升。在通信網(wǎng)絡(luò)方面，地市級以上水行政主管部門實現(xiàn)全聯(lián)通，區(qū)縣級水行政主管部門聯(lián)通率為80.53%，骨干網(wǎng)帶寬擴充至100Mbps以上；縣級以上水利部門共配備各類衛(wèi)星地面通信設(shè)備約3109臺（套），衛(wèi)星電話約6126部，北斗衛(wèi)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(shè)私有云或共享政府云，水利云CPU（中央處理器）總核數(shù)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(xiàn)全聯(lián)通，有些甚至延伸區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)。下一步，要根據(jù)數(shù)字孿生流域在數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，完善會商環(huán)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(yù)”工作進展如何？未來，基于數(shù)字孿生流域提供的算據(jù)算法算力支撐，在防洪、水資源、河湖管理等涉水重點工作領(lǐng)域“四預(yù)”功能會得到哪些完善？

　　2021年流域防洪工作取得積極進展，預(yù)報方面，緊扣“降雨-產(chǎn)流-匯流-演進”環(huán)節(jié)，創(chuàng)建以流域為單元的短中長期工作模式。在預(yù)警方面，首次實現(xiàn)行業(yè)預(yù)警直達防御一線。在預(yù)演方面，首次建立流域預(yù)報調(diào)度預(yù)演體系。在預(yù)案方面，滾動模擬優(yōu)選洪水調(diào)度方案，實現(xiàn)防洪蓄水精準調(diào)度。

　　孫春鵬：水利部信息中心深入貫徹李國英部長關(guān)于強化“四預(yù)”工作的要求，聚焦實戰(zhàn)，積極探索，取得初步成效。在預(yù)報方面，緊扣“降雨-產(chǎn)流-匯流-演進”環(huán)節(jié)，創(chuàng)建以流域為單元的短中長期工作模式，組織發(fā)布1374條河流44.2萬站次洪水預(yù)報，嫩江、松花江、黑龍江、海河南系漳衛(wèi)河、黃河漢江秋汛等關(guān)鍵洪水預(yù)報精準可靠。在預(yù)警方面，首次實現(xiàn)行業(yè)預(yù)警直達防御一線，累計發(fā)布暴雨短臨預(yù)警355次、強降雨過程洪水預(yù)警48次，支撐水利行業(yè)洪水防御；組織向社會發(fā)布水情預(yù)警1653次，直接服務(wù)社會公眾。在預(yù)演方面，首次建立流域預(yù)報調(diào)度預(yù)演體系，累計開展黃河、嫩江、黑龍江、漳衛(wèi)河、漢江等洪水預(yù)演122次，為制定流域洪水調(diào)度方案提供了有力支撐。在預(yù)案方面，滾動模擬優(yōu)選洪水調(diào)度預(yù)案304個，實現(xiàn)嫩江尼爾基水庫精準調(diào)度、漳衛(wèi)河岳城水庫科學(xué)調(diào)度、黃河中游小浪底等四庫聯(lián)調(diào)和丹江口水庫防洪蓄水雙贏調(diào)度。

　　近期，信息中心正在編制《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能基本技術(shù)要求》，將對防洪、水資源等“2+N”水利“四預(yù)”工作進行全面規(guī)范和技術(shù)指導(dǎo)。在預(yù)報上，要對洪水、枯季徑流、地下水水位、墑情、泥沙、冰情、臺風(fēng)暴潮、水質(zhì)等水安全要素進行定量或者定性預(yù)測，實現(xiàn)短期預(yù)報、中期預(yù)測、長期展望相結(jié)合，努力提高預(yù)報精度，延長預(yù)見期，縮短作業(yè)時間。在預(yù)警上，要制定水利災(zāi)害風(fēng)險閾值和指標，完善水利業(yè)務(wù)預(yù)警發(fā)布機制，及時把江河洪水、山洪災(zāi)害、漬澇災(zāi)害、工程災(zāi)害、干旱災(zāi)害、供水危機等風(fēng)險預(yù)警信息直達工作一線。在預(yù)演上，要集成耦合水工程預(yù)報信息與流域防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、水工程調(diào)度運用、突發(fā)水事件處置、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等運行信息和其他邊界條件，設(shè)定不同情景目標，實時分析水利工作面臨的風(fēng)險形勢，對水利調(diào)度方案進行模擬仿真預(yù)演。在預(yù)案上，要結(jié)合水工程運行狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀等，對預(yù)演結(jié)果進行分析評估，滾動調(diào)整水工程運行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險等應(yīng)對措施，制定工程運行和優(yōu)化調(diào)度等方案，有效提高預(yù)案的科學(xué)性和可操作性。在“十四五”時期，堅持“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求，建成七大江河數(shù)字孿生流域，在重點防洪地區(qū)實現(xiàn)“四預(yù)”，在跨流域重大引調(diào)水工程、跨省重點河湖基本實現(xiàn)水資源管理與調(diào)配“四預(yù)”，提升N項業(yè)務(wù)應(yīng)用水平，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。

　　在構(gòu)建水利數(shù)據(jù)底板中，覆蓋全流域的一級數(shù)據(jù)底板、重點河段重點區(qū)域的二級數(shù)據(jù)底板、覆蓋重要水利工程的三級數(shù)據(jù)底板將各自滿足哪些需求？相互間如何實現(xiàn)共享和配合？

　　采用分級負責(zé)、內(nèi)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(qū)）和工程管理單位建設(shè)成果，形成全國統(tǒng)一數(shù)據(jù)集和服務(wù)規(guī)范，三級底板之間以數(shù)據(jù)交換、服務(wù)調(diào)用和業(yè)務(wù)協(xié)同等方式實現(xiàn)跨層級、跨業(yè)務(wù)共享，并實現(xiàn)三級底板聯(lián)動更新。

　　付靜：數(shù)據(jù)底板為智慧水利提供“算據(jù)”支撐，主要是升級擴展全國水利一張圖，建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、三級貫通的數(shù)據(jù)底板，并提供三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計算、動態(tài)場景等功能。建設(shè)內(nèi)容主要包括：一是構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等在內(nèi)的數(shù)據(jù)資源池；二是建設(shè)水利數(shù)據(jù)模型、水利網(wǎng)絡(luò)模型等多維多時空尺度數(shù)據(jù)模型；三是建設(shè)涵蓋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)的水利數(shù)據(jù)匯聚平臺；四是建設(shè)對匯集的多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、規(guī)范管理的水利數(shù)據(jù)治理平臺；五是建設(shè)支撐各類水利數(shù)據(jù)行業(yè)內(nèi)外共享的水利數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。按照數(shù)據(jù)底板中地理空間數(shù)據(jù)精度將數(shù)據(jù)底板分為三級。

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

　　覆蓋流域和省區(qū)重點區(qū)域的二級數(shù)據(jù)底板，包括航空遙感影像DOM（數(shù)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(shù)據(jù)，覆蓋重點河段重點區(qū)域的二級數(shù)據(jù)底板是在一級底板的基礎(chǔ)上，提高數(shù)據(jù)精度并進一步豐富數(shù)據(jù)內(nèi)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(shù)字孿生流域重點區(qū)域精細建模。二級底板為流域和省區(qū)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(shù)據(jù)底板，包括水利工程BIM（建筑信息模型）數(shù)據(jù)、水利工程設(shè)計圖以及水利工程周邊航空傾斜攝影、工程區(qū)域的水下地形等數(shù)據(jù)，覆蓋重要水利工程的三級數(shù)據(jù)底板主要是通過綜合應(yīng)用BIM+GIS（地理信息系統(tǒng)）、物聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）等技術(shù)，進行數(shù)字孿生流域關(guān)鍵局部實體場景建模。三級數(shù)據(jù)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(jiān)測評估、精準調(diào)度控制等需要。

　　三級底板之間的信息共享和配合是數(shù)字孿生流域建設(shè)的基本要求，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是采用水利部本級、流域管理機構(gòu)、地方水利部門和工程管理單位分級負責(zé)、內(nèi)容互補、共建共享共用的方式建設(shè)，依托全國水利一張圖匯聚流域省（自治區(qū)）和工程管理單位建設(shè)成果，形成全國統(tǒng)一數(shù)據(jù)集和服務(wù)規(guī)范，三級底板之間以數(shù)據(jù)交換、服務(wù)調(diào)用和業(yè)務(wù)協(xié)同等方式實現(xiàn)跨層級、跨業(yè)務(wù)共享，避免重復(fù)建設(shè)。二是強化數(shù)據(jù)更新機制建立，實現(xiàn)三級底板聯(lián)動更新，包括動態(tài)更新物理流域及水利工程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實時更新重要站點水雨工災(zāi)等監(jiān)測信息、發(fā)生洪水的河道遙感信息、參與調(diào)度運用的工程視頻監(jiān)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(shù)等信息，定期更新影響區(qū)經(jīng)濟社會信息。通過三級底板建設(shè)與共享，發(fā)揮各級建設(shè)成果最大應(yīng)用效益。

　　數(shù)字孿生流域建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水利系統(tǒng)上下應(yīng)為強化推進數(shù)字孿生流域建設(shè)提供哪些技術(shù)支撐保障？

　　盡快開展先行先試，同步完善標準規(guī)范，加強技術(shù)管理、科研攻關(guān)和人才隊伍建設(shè)，不斷強化技術(shù)支撐保障。

　　錢峰：數(shù)字孿生流域建設(shè)是一項創(chuàng)新的技術(shù)密集型復(fù)雜系統(tǒng)工作，需要進行先行先試，并在此基礎(chǔ)上完善標準規(guī)范，加強技術(shù)管理、科研攻關(guān)和人才隊伍建設(shè)，不斷強化技術(shù)支撐保障。

　　第一，開展先行先試。先行先試是數(shù)字孿生流域建設(shè)的重要技術(shù)路線，點上突破并以點帶線帶面。2022年，水利部將推進數(shù)字孿生流域和12個數(shù)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(yīng)加強指導(dǎo)，及時總結(jié)提煉和推廣經(jīng)驗成果，逐步形成政產(chǎn)學(xué)研用銜接整合的成果轉(zhuǎn)化推廣應(yīng)用體系。

　　第二，統(tǒng)一標準規(guī)范。標準規(guī)范是數(shù)字孿生領(lǐng)域建設(shè)分工、成果集成的基本技術(shù)保障。水利部將盡快出臺《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能基本技術(shù)要求》等指導(dǎo)性文件，同時，通過全面梳理檢視現(xiàn)有水利網(wǎng)信標準規(guī)范體系，加快制定修訂數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)標準規(guī)范。各地和工程管理單位在數(shù)字孿生建設(shè)中也要注重標準規(guī)范建設(shè)和應(yīng)用。

　　第三，加強技術(shù)管理。技術(shù)管理是構(gòu)建標準化、規(guī)范化、系統(tǒng)化的數(shù)字孿生流域重要保障。水利部將完善算據(jù)、算法等成果在匯交、共享、更新等方面的技術(shù)指標，出臺相應(yīng)制度，強化考核評估，形成動態(tài)管理的制度。此外，還要加強考察調(diào)研和學(xué)習(xí)借鑒，強化技術(shù)普及和跨流域區(qū)域合作。

　　第四，組織科研攻關(guān)。科研攻關(guān)是數(shù)字孿生流域是否先進可行的重要制約因素。重點應(yīng)在立體監(jiān)測感知、海量數(shù)據(jù)處理、專業(yè)模型算法、人工智能識別、超大場景渲染、關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全防護、國產(chǎn)化軟硬件環(huán)境適配和集成應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進行攻關(guān)。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(shù)創(chuàng)新中心）、野外觀測研究站等科技創(chuàng)新基地建設(shè)，支持引導(dǎo)流域、地方、高校、科研院所和企業(yè)，圍繞共性和關(guān)鍵技術(shù)進行聯(lián)合攻關(guān)。各單位應(yīng)充分利用科研資源對建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)積極探索研究。

　　第五，強化人才保障。人才保障是數(shù)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(yǎng)基地、國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施（水利）網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)創(chuàng)新團隊以及重大科研和建設(shè)項目、重大水利工程等，加大對數(shù)字孿生流域建設(shè)人才的培養(yǎng)、使用和引進力度，鍛煉培養(yǎng)一批既熟悉水利業(yè)務(wù)又精通網(wǎng)信技術(shù)的復(fù)合型人才，打造一支數(shù)量充足、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理、素質(zhì)優(yōu)良的專業(yè)化數(shù)字孿生流域建設(shè)人才隊伍。