智慧水利DIS體系構(gòu)建研究與展望

蔣云鐘，劉家宏，梅 超，王 浩，趙紅莉，王 超

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室（籌），北京 100038；3.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

1 研究背景

當(dāng)前，世界處于信息時代，正經(jīng)歷著以 “智慧化”為主要特征的第四次工業(yè)革命。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)層出不窮，快速更新迭代，標志著信息時代正經(jīng)歷著巨變。世界各國都高度重視信息化，著力推進各領(lǐng)域信息化發(fā)展[1]，在水利現(xiàn)代化領(lǐng)域，歐盟組織開發(fā)的歐州洪水感知系統(tǒng)（EAFS）投入業(yè)務(wù)化運行，美國建設(shè)了覆蓋全國的國家洪水預(yù)警系統(tǒng)，瑞典構(gòu)建了全球范圍的分布式水文模型[2]。我國在智慧應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)，國家在十四五和2035遠景目標中，把智慧化建設(shè)作為重要抓手，視為實現(xiàn)國家治理體系與治理能力現(xiàn)代化的重要標志[3]。我國作為一個水旱災(zāi)害頻發(fā)、水問題最為復(fù)雜的國家，水具有特殊重要地位，不僅是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)[4]。

智慧水利是新時代水利高質(zhì)量發(fā)展的新行業(yè)形態(tài)，以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等智慧科技和高新技術(shù)為引領(lǐng)，帶動水利行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和升級跨越。隨著國家經(jīng)濟社會的發(fā)展和水利事業(yè)的長足進步，水利進入了高質(zhì)量發(fā)展階段，智慧水利是水利現(xiàn)代化的重要標志和新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實施路徑。在此背景下，為了更好地踐行 “節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，水利部大力推進智慧水利建設(shè)，印發(fā)了 《關(guān)于大力推進智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》[5]和 《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》[6]。“十四五”以來，水利部制定了 《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》[7]和 《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》[8]，將數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程作為當(dāng)前的首要工作任務(wù)[9]。未來一個時期，我國智慧水利建設(shè)將進入一個重要的發(fā)展時期，其發(fā)展水平直接關(guān)系到我國水治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平[10]?；谇捌谘芯縖11]，本文對我國智慧水利體系構(gòu)建的基本思路進行了初步探討，以期為智慧水利建設(shè)提供參考。

2 智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展需求

2.1 我國智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀我國智慧水利建設(shè)從20世紀90年代開展水資源評價運用信息化手段開始，經(jīng)歷了監(jiān)測信息化、管理在線化、典型智能化三個階段，目前正處于從典型智能化向部分智慧化邁進的關(guān)鍵階段。

（1）監(jiān)測信息化階段。水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測領(lǐng)域是最先開始信息化的，從1990年代開始，我國水文、水資源、水利工程建設(shè)領(lǐng)域逐步開展了信息化監(jiān)測，如采用ADCP、航拍等手段進行監(jiān)測，采用遙感反演等手段進行水資源、水旱災(zāi)害監(jiān)測[12]。2019年，漢口水文站第一個建成5G水文站，是這方面的優(yōu)秀代表。這些工作的開展，一方面促使了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測信息化水平提升，另一方面為后期智慧水利的推進奠定了良好基礎(chǔ)。目前，我國部分涉水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)達到了信息化監(jiān)測為主、人工校核為輔的狀態(tài)，未來監(jiān)測信息化在持續(xù)向更全面發(fā)展的同時，將與智慧水利建設(shè)深度融合發(fā)展。

（2）管理在線化階段。隨著水利工作的不斷推進，水利管理日益復(fù)雜和系統(tǒng)化，迫切需要開展在線、實時、集約的管理，一些領(lǐng)域開始了管理在線化的實踐，如 “數(shù)字黃河”工程建設(shè)[13]，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程于2003年啟動建設(shè)，國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目于2012年啟動實施，一些省市開展了最嚴格水資源管理平臺、河長制管理平臺、水旱災(zāi)害管理平臺等的建設(shè)，這些信息化工程的建設(shè)，促使水利管理在部分領(lǐng)域逐步實現(xiàn)了管理在線化，是智慧水利集成的雛形，極大地促進了智慧水利建設(shè)。

（3）典型智能化階段。進入新時期，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)在水利領(lǐng)域的初步應(yīng)用[14]，水利典型領(lǐng)域和典型工程實現(xiàn)了智能化，如南水北調(diào)中線調(diào)度系統(tǒng)、溪洛渡智慧大壩、深圳市智慧水務(wù)系統(tǒng)等，上述成果實現(xiàn)了某一方面的智能化管控，實現(xiàn)了綜合性的智慧應(yīng)用，是智慧水利的典型案例。

2.2 我國智慧水利發(fā)展需求水利部歷來高度重視水利信息化，并將推進智慧水利作為國家水治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要抓手。2017年，水利部印發(fā) 《關(guān)于推進水利大數(shù)據(jù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要推進數(shù)據(jù)資源共享開放，促進水利大數(shù)據(jù)發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用。2020年，水利部發(fā)布 《關(guān)于開展智慧水利先行先試工作的通知》，在流域機構(gòu)、省、市等不同層面選擇了11個單位開展了36項智慧水利任務(wù)試點工作。2021年，水利部發(fā)布 《關(guān)于大力推進智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，從八個方面提出了加快推進新時代水利現(xiàn)代化重要舉措。

經(jīng)過二十余年的水利信息化基礎(chǔ)建設(shè)，以及近五年來在智慧水利方面的大力推動，我國智慧水利建設(shè)與應(yīng)用取得了長足進步。部一級開展水利大數(shù)據(jù)中心建設(shè)穩(wěn)步推進；長江、黃河、太湖等流域機構(gòu)在水旱災(zāi)害、水量調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境智慧化管控方面進行了長期探索；大量省市地方水行政部門開展了河長制、最嚴格水資源管理、水旱災(zāi)害防御、水利工程管理等方面的智慧化實踐。

總體上，智慧水利建設(shè)與智慧城市等領(lǐng)域的智慧化應(yīng)用水平仍存在一定差距，水利自身智慧化建設(shè)的需求還遠未得到滿足[15]，未來一段時期，我國智慧水利發(fā)展基本需求包括：

（1）基礎(chǔ)信息透徹感知。水利信息化建設(shè)取得了長足進展，但是我國幅員遼闊、水利基礎(chǔ)要素繁多，要實現(xiàn)全面信息化感知尚待時日。在全面感知的基礎(chǔ)上，還需向透徹感知持續(xù)提升，不僅從一個時空維度上實現(xiàn)信息感知，還將需要從 “天、地、空、水”“車、船、站、網(wǎng)”等不同時空維度，實現(xiàn)對基礎(chǔ)信息要素的透徹感知。

（2）大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)。獲取大量信息之后，水利大數(shù)據(jù)在動起來、活起來方面還存在較大差距，迫切需要通過智能化手段，打破各種看不見的數(shù)據(jù)壁壘、數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)煙囪，讓數(shù)據(jù)能夠智能的左右互通，上下聯(lián)動，全域共享，協(xié)同作用。

（3）智慧水利全面應(yīng)用。智慧水利應(yīng)用當(dāng)前處于初級的、局部的、非常態(tài)的狀態(tài)，未來智慧水利的應(yīng)用要向全面化發(fā)展，需要全面應(yīng)用新技術(shù)，同時需要進行全面的水利知識萃取、認知、挖掘和分析，在此基礎(chǔ)上提升水利應(yīng)用的智慧化水平。

3 智慧水利DIS體系

智慧水利（SWP）以自然水系數(shù)字化（Digitalized）為基礎(chǔ)，以水利工程智能化（Intelligence-oriented）為載體，以水利管控智慧化（Smarthess-oriented）為目標，通過三者的有機融合，構(gòu)建高水平的智慧水利（DIS）體系[11]。

3.1 自然水系數(shù)字化自然水系數(shù)字化旨在通過立體感知基礎(chǔ)設(shè)施對自然水系要素的水量、水質(zhì)狀態(tài)進行全面感知，對自然水系要素的物理實體對象及其信息支撐設(shè)施的有機融合，通過高效云計算基礎(chǔ)設(shè)施及智慧大腦基礎(chǔ)設(shè)施對自然水系要素的現(xiàn)狀進行評價、問題進行診斷、未來進行預(yù)測，實現(xiàn)自然水系要素過去、現(xiàn)在、未來狀態(tài)的精細刻畫，為水系自然要素的開發(fā)利用、節(jié)約保護提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。自然水系主要是指自然形成的水系的物理載體，自然水系數(shù)字化的成果具體包括數(shù)字河流、數(shù)字湖泊、數(shù)字濕地、數(shù)字地下水、數(shù)字流域等方面。

3.2 水利工程智能化水利工程智能化是對水利工程的物理對象及其信息支撐設(shè)施的有機融合，通過立體感知、高效云計算和智慧大腦等信息化基礎(chǔ)設(shè)施，對水利工程過去、現(xiàn)在、未來狀態(tài)進行精細刻畫，實現(xiàn)水利工程全生命周期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評價、智能預(yù)測和智能控制，重點是實現(xiàn)水利工程場景數(shù)字化。

水利工程智能化還要通過智能控制基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)水利工程的遠程自動控制、執(zhí)行智慧管理體的決策與控制指令。水利工程智能化的最終目標是實現(xiàn)水利工程前期策劃、規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運行管理全生命周期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評價、智能預(yù)測和智能控制。工程智能化具體包括：智能大壩、智能水庫、智能水電站、智能閘站、智能泵站、智能渠道、智能管道、智能堤防、智能分/蓄/滯洪區(qū)等方面。

3.3 水利管控智慧化水利管控智慧化是在自然水系數(shù)字化、水利工程智能化的基礎(chǔ)上，面向水利工程對象的前期策劃、規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運行管理以及自然水系要素開發(fā)利用、節(jié)約保護的執(zhí)行、監(jiān)督與管理需求，分別構(gòu)建行使監(jiān)督管理職能、執(zhí)行職能、技術(shù)支撐職能的智慧化水利管控體系，實現(xiàn)對自然水系要素、水利工程、水利業(yè)務(wù)的智慧化管控，重點是對不同情景的智能化模擬和水利管控的精準化決策支持。

水利工程對象的施行及運行管理，水資源開發(fā)利用、節(jié)約保護的工程、非工程措施施行，以及各類水行政管理業(yè)務(wù)的最終執(zhí)行，都依賴水利管控智慧化。水利管控智慧化是建立在其所管控的自然水系數(shù)字化、水利工程智能化之上的，按照管理目標，對智能工程下達決策和控制指令，進而對自然水系施加影響。水利管控智慧化依托立體感知、高效云計算和智慧大腦等基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對整個水利業(yè)務(wù)管控的智慧化。管控智慧化的對象按照行使行為不同又可劃分為：智慧水行政主管部門、智慧工程建管部門、智慧技術(shù)支撐部門、智慧水務(wù)部門等。

4 智慧水利DIS體系技術(shù)需求

根據(jù)水利工作的主要領(lǐng)域，將智慧水利應(yīng)用劃分為水資源、水災(zāi)害、水生態(tài)環(huán)境、水工程和水管理五大應(yīng)用場景，每一個應(yīng)用場景都是在自然水系數(shù)字化、水利工程智能化的基礎(chǔ)上，形成對水的自然-社會二元水循環(huán)過程的透徹感知和智能控制，進而實現(xiàn)對整個水利體系的智慧化管控，涉及到的主要技術(shù)也基本是圍繞 “感知、預(yù)測、決策”等方面[16]。

4.1 水資源智慧應(yīng)用場景關(guān)鍵技術(shù)水資源是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，解決水資源問題的核心是“讓相應(yīng)水質(zhì)和數(shù)量的水去到應(yīng)該去的地方”，面對上述應(yīng)用場景，水資源管理智慧應(yīng)用應(yīng)該在自然水系數(shù)字化和水利工程智能化的基礎(chǔ)上，著重從水資源評價、配置、調(diào)度等方面進行智慧化管控，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：考慮動態(tài)特性的水資源多尺度智慧評價方法、水資源配置方案智慧決策技術(shù)、水資源多目標智慧調(diào)度技術(shù)等，并需要在多種關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成水資源智慧管控平臺。

4.2 水災(zāi)害智慧應(yīng)用場景關(guān)鍵技術(shù)我國是水旱災(zāi)害最為頻繁、水旱災(zāi)害損失最嚴重的國家之一，水災(zāi)害的主要應(yīng)用場景是面向洪澇和干旱兩類極端事件[17]，其關(guān)鍵技術(shù)包括：建設(shè)具有預(yù)報調(diào)度一體化、風(fēng)險實時動態(tài)評估、分布式調(diào)度等功能的智慧防災(zāi)綜合應(yīng)對系統(tǒng)[18]，實現(xiàn)水旱災(zāi)害應(yīng)對方案自動化生成、情景式推演、智慧化決策，推動由水旱災(zāi)害防治從人主導(dǎo)的 “經(jīng)驗防災(zāi)”向計算機推送結(jié)合人機互動的 “智慧防災(zāi)”轉(zhuǎn)變。

4.3 水生態(tài)環(huán)境智慧應(yīng)用場景關(guān)鍵技術(shù)水生態(tài)環(huán)境常態(tài)下的水利應(yīng)用場景，其基礎(chǔ)是生態(tài)環(huán)境因子的立體化、多尺度、全口徑監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對河湖健康狀態(tài)的實現(xiàn)智慧化評價，智能化識別水生態(tài)、水環(huán)境風(fēng)險，開展水生態(tài)、水環(huán)境風(fēng)險應(yīng)對智慧決策分析，集成監(jiān)測、預(yù)警、計算等平臺，形成智慧化水生態(tài)環(huán)境模擬、評估、決策軟件體系。

4.4 水工程應(yīng)用場景關(guān)鍵技術(shù)工程智能化是智慧水利的神經(jīng)末梢和雙手，不僅通過監(jiān)測傳感器，進行工程狀態(tài)、運行工況等全要素的感知，而且通過遠程控制實現(xiàn)對工程的調(diào)度，對工程進行全景式智能感知和遠程操控，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括水工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、適應(yīng)復(fù)雜惡劣條件下的智能監(jiān)測傳感器、工程智能監(jiān)控信息融合遠傳技術(shù)、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)等。

4.5 水管理應(yīng)用場景關(guān)鍵技術(shù)所有的水利決策最終都要通過水管理來實現(xiàn)，包括水利監(jiān)督、河湖長制、水行政執(zhí)法、水資源公報、水情信息發(fā)布等，上述內(nèi)容的核心是基于水利大數(shù)據(jù)，進行水管理具體應(yīng)用的數(shù)字化場景、智慧化模擬和精準化決策，包括典型場景數(shù)字化技術(shù)、大數(shù)據(jù)清洗與融合技術(shù)、智慧化模擬技術(shù)精準決策支持技術(shù)等，通過對典型場景的數(shù)字化和智慧化，服務(wù)于水管理綜合分析研判與精準化決策，為行業(yè)提供高效的決策支持，為公眾提出優(yōu)質(zhì)的水管理服務(wù)，同時為智慧城市、數(shù)字中國、相關(guān)行業(yè)升級等提供支撐。

5 結(jié)語

國家在 “十四五”和未來一段時期，將把建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國、智慧社會作為推動各領(lǐng)域提檔升級、促進國家現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。如何高效、安全、智慧地管好水，讓水在適當(dāng)?shù)臅r候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)流至適當(dāng)?shù)牡胤剑枰罅訌娝畔⒒ㄔO(shè)。經(jīng)過多年持續(xù)努力，我國智慧水利建設(shè)取得了長足進步，正處于從部分智能化向全面智慧化升級邁進的關(guān)鍵階段。本文提出了以自然水系數(shù)字化、水利工程智能化、水利管控智慧化為主要內(nèi)容的智慧水利DIS體系，描繪了我國智慧水利的廣闊發(fā)展前景，在此基礎(chǔ)上，解析了智慧水利DIS體系的關(guān)鍵技術(shù)需求。未來一個時期，智慧水利DIS體系建設(shè)，需要大力推進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合水利應(yīng)用場景，落實智慧水利總體方案，不斷提升水利智慧應(yīng)用水平，以智慧水利助力實現(xiàn)國家現(xiàn)代化偉大進程的水安全保障。