以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標準體系研究

冶運濤, 蔣云鐘, 曹引, 黃建雄, 關昊哲, 顧晶晶, 董甲平

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038; 2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室,北京 100038)

智慧水利建設對貫徹落實國家網(wǎng)絡強國戰(zhàn)略、推動水利高質量發(fā)展、強化流域治理管理、應對氣候變化挑戰(zhàn)等具有重要意義[1-3],是新階段我國數(shù)字治水的重要手段和數(shù)智化時代的必然選擇[4-5]。標準對我國智慧水利(包括數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程等)的建設實施與可持續(xù)發(fā)展不僅具有重要的戰(zhàn)略性、基礎性作用,而且具有重要的支撐保障作用[6-8],是保證智慧水利的規(guī)劃導向性、設計操作性、建設實用性和互操作性、運行可持續(xù)性、迭代升級擴展性的重要抓手。智慧水利標準體系是引領我國流域機構、省級、地市級和縣級不同層級智慧水利健康發(fā)展的重要手段,是打破信息孤島、盤活僵尸系統(tǒng)、提高數(shù)據(jù)利用率、增加應用系統(tǒng)使用頻次、增強用戶體驗等的重要支撐,是推進新一代信息技術與水利領域融合創(chuàng)新進行規(guī)模化推廣、實戰(zhàn)化應用的必要條件,也是我國數(shù)字孿生水利的先行先試工作的科學實施、真實達效和持續(xù)優(yōu)化的重點內(nèi)容和充分保障。

《水利技術標準體系表》自2001年由水利部發(fā)布,已歷經(jīng)2008年、2014年、2021年3次修訂。這4個版本的《水利技術標準體系表》根據(jù)當時水利工作的需要和技術發(fā)展條件均指出水利信息化標準體系是由已編制標準、計劃修訂標準、擬編制標準組成。其中,2021年修訂的《水利技術標準體系表》規(guī)劃了34項有關分類編碼、數(shù)據(jù)存儲、傳輸交換、圖示表達、產(chǎn)品服務、信息系統(tǒng)建設管理、水利網(wǎng)絡安全等的水利信息化標準體系。水利信息化標準體系為規(guī)范我國不同階段信息化建設發(fā)揮了指導性作用[9],同時為智慧水利標準體系研究提供了工作基礎和積累了經(jīng)驗。

2021年,水利部在推進數(shù)字孿生流域建設工作會議上提出要“完善標準規(guī)范”和“全面梳理檢視現(xiàn)有水利技術標準和技術規(guī)范,特別是監(jiān)測感知、數(shù)據(jù)資源、模型計算、業(yè)務流程等方面的標準規(guī)范,找出缺失以及不滿足、不適應、不銜接數(shù)字孿生流域建設的標準規(guī)范,加以制定或修訂”。水利部共印發(fā)了5類(行政類、規(guī)劃類、工作類、技術類、標準規(guī)范類)21個文件,其中與本文研究內(nèi)容相關的技術類文件4個和標準規(guī)范類文件7個(見表1),這些文件尚未達到正式發(fā)布標準的要求。同時,中國水利水電科學研究院立項《智慧水利標準體系設計與評價指標研究》,全面、系統(tǒng)地開展以數(shù)字孿生水利(流域、水網(wǎng)、水利工程等)為核心的智慧水利標準體系研究工作。

表1 數(shù)字孿生水利相關文件[10-20]

數(shù)字孿生水利是數(shù)字孿生理論技術在水利行業(yè)的應用[4],數(shù)字孿生技術相關標準對智慧水利中數(shù)字孿生水利標準體系制定具有借鑒意義。當前,國際國內(nèi)數(shù)字孿生標準的制定剛剛起步,相關國際國內(nèi)數(shù)字孿生標準見表2和表3[21-22]。國際組織ISO/TC 184、ISO/IEC JTC1、ITU-T SG20等啟動了數(shù)字孿生標準制定工作。與其同步,我國也開展了數(shù)字孿生標準的制定工作,但數(shù)字孿生水利方面的標準還比較欠缺[21]。

表2 數(shù)字孿生國際標準

表3 數(shù)字孿生國內(nèi)標準

綜合分析水利信息化標準和數(shù)字孿生標準現(xiàn)狀,以下問題有待解決:①目前智慧水利的術語標準和評價導則缺乏,智慧水利系統(tǒng)架構標準尚未出臺,這導致智慧水利建設和實施過程難以對基本概念和系統(tǒng)架構達成共識,造成系統(tǒng)間不能有效地實現(xiàn)動態(tài)集成、聯(lián)動協(xié)作;對智慧水利系統(tǒng)的建設成效缺乏定量評價,對建設方向不清晰[23]。②缺乏智慧水利的信息基礎設施、數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺、業(yè)務應用等標準的參考,就會導致水利模型間、水利數(shù)據(jù)間、水利模型與水利數(shù)據(jù)間、水利知識與水利模型間、水利知識與水利數(shù)據(jù)間、系統(tǒng)間等集成難、相互兼容性低、互操作性不強等問題,從而又形成新的數(shù)據(jù)孤島、知識孤島、模型孤島和系統(tǒng)煙囪[23]。③缺乏網(wǎng)絡安全保障、建設與運行管理標準,會導致系統(tǒng)存在安全隱患和系統(tǒng)的不可持續(xù)性發(fā)展。

針對上述問題,基于水利部提出的智慧水利框架以及數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等相關指導文件,結合水利信息化標準、數(shù)字孿生標準的制定現(xiàn)狀,分析智慧水利標準體系的建設需求,提出一套以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標準體系,以期為智慧水利標準研究人員提供參考,并為智慧水利規(guī)范化建設提供指導。

1 智慧水利標準需求分析

1.1 智慧水利概念達成共識需標準指導

目前已有成果對智慧水利有不同的理解和認識。在概念認知方面,蔣云鐘等[5]認為智慧水利是運用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)等新一代信息通信技術,基于自然水系、水利工程體系和水利管理體系,智慧地將適量適質的水適時送到適地,為實現(xiàn)長久水安瀾、優(yōu)質水資源、宜居水環(huán)境、健康水生態(tài)提供支撐;王忠靜等[24]在物聯(lián)網(wǎng)概念基礎上提出了水聯(lián)網(wǎng)概念,并認為智慧水利是水聯(lián)網(wǎng)的另一種表達;趙然杭等[25]認為智慧水利是融合數(shù)據(jù)采集、分析、決策、控制、反饋等信息流程為一體,實現(xiàn)自主生存、自主自考、自主應對、自主學習的面向水利應用的規(guī)模信息生態(tài)系統(tǒng);蔡陽[26]認為智慧水利是應用新一代信息技術,實現(xiàn)對水利對象及活動的透徹感知、全面互聯(lián)、智能應用與泛在服務;蔡旭東[27]認為智慧水利是全方位解決水資源、水管理、水安全、水生態(tài)、水環(huán)境等涉水事務的智能化超大型系統(tǒng);張建云等[28]認為智慧水利是運用新一代信息通信技術促進水利規(guī)劃、工程建設、運行管理和社會服務的智慧化。在系統(tǒng)架構方面,蔡陽[29]認為智慧水利總體框架應以水利信息基礎設施為基礎,以數(shù)字孿生水利和業(yè)務應用為重點,以網(wǎng)絡安全體系和綜合保障體系為保障;包志炎等[30]認為浙江智慧水利框架采用“四縱三橫”總體架構,“四橫”指業(yè)務應用、應用支撐、數(shù)據(jù)資源和基礎設施等體系,“三縱”指政策制度、標準規(guī)范和組織保障體系;葉健[31]認為江蘇智慧水利總體框架為1個統(tǒng)一門戶、4個基礎服務平臺、1個水利云服務中心、N個業(yè)務應用和1套安全保障機制;王曉輝等[32]認為深圳智慧水務總體框架由標準規(guī)范和信息安全兩大體系組成,包含智能感知、基礎設施、水務大數(shù)據(jù)、智慧應用和門戶5個層次;程海洲等[33]認為寧波市智慧水利總體框架由1張水利感知網(wǎng)、1個智慧能力中心、1套智慧應用、2組環(huán)境保障體系構成。

除了對智慧水利的概念定義和系統(tǒng)架構理解不同外,用戶和企業(yè)對作為智慧水利核心的數(shù)字孿生水利的理解也有所不同[34],仍未達到統(tǒng)一[35]?，F(xiàn)階段,對數(shù)字孿生水利的理解是否全面,需要深入思考和研究。

上述對智慧水利相關概念和架構的不同理解與認識會帶來科學研究時的交流困難、建設實施時的集成困難和業(yè)務應用時的協(xié)作困難。因此,需要建設智慧水利基礎共性標準,加強規(guī)范智慧水利術語達成社會共識,規(guī)范系統(tǒng)架構使建設內(nèi)容具有延續(xù)性,規(guī)范評價指標使建設穩(wěn)步有序[23]。

1.2 數(shù)字孿生水利研究與實施需標準指導

在以水利部提出的智慧水利框架[10]為指導的實施過程中,由于智慧水利相關信息化基礎設施、數(shù)據(jù)底板、知識平臺、模型平臺、業(yè)務應用等標準還不夠完善,目前數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等試點項目由不同的單位承建,而這些單位選用的軟硬件產(chǎn)品及開發(fā)的系統(tǒng)可能存在兼容性不好、互操作困難等問題,從而造成信息基礎設施組件、數(shù)據(jù)底板組件、模型組件、知識組件等各組件內(nèi)部之間以及兩兩組件外部之間很難集成,容易形成“僵尸系統(tǒng)”。具體包括以下兩個方面。

1.2.1 信息化基礎設施

在信息化基礎設施中,水利感知網(wǎng)(監(jiān)測感知)實現(xiàn)了江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動等物理水利對象向數(shù)字孿生水利空間的映射(信息上傳),也實現(xiàn)了物理水利對象接收并執(zhí)行來自數(shù)字孿生水利的反向控制或管理指令(控制反饋)。但由于在整個信息傳遞流程及反饋過程中缺乏標準指導,對不同的物理對象如何布設監(jiān)測站點、感知哪些要素、傳遞哪些信息、映射哪些屬性等不甚了解,對于決策指令制定以后如何下達、接收和執(zhí)行缺乏完整鏈條的規(guī)范,這不僅會導致對江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動等對象的監(jiān)測感知沒有統(tǒng)一的接口兼容形式,而且還會帶來技術層級不明確和功能邊界不清晰等問題。

在信息化基礎設施中,水利信息網(wǎng)是實現(xiàn)虛實交互的關鍵,是承載水利感知網(wǎng)(監(jiān)測感知)、水利數(shù)據(jù)底板、水利模型平臺、水利知識平臺和業(yè)務應用之間互聯(lián)互通的通道。因此,對上述組件之間的連接方式、通信協(xié)議和交互方式應該加以規(guī)范,以解決各組件接口適配性、功能協(xié)調性的問題。

在信息化基礎設施中,水利云負責提供數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)分析計算、專業(yè)模型計算和應用系統(tǒng)部署。應制定水利云的云資源管理、水利數(shù)據(jù)存儲管理、水利數(shù)據(jù)分析和模型計算支撐、水利應用和數(shù)據(jù)遷移等標準規(guī)范,以實現(xiàn)水利云資源的高效利用。

1.2.2 數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生水利數(shù)據(jù)底板為物理水利和數(shù)字孿生水利深度融合提供準確全面的信息源。目前各業(yè)務已有數(shù)據(jù)存儲的標準,但是該標準只是針對結構化數(shù)據(jù),缺乏兼顧結構化、非結構化、半結構化多類型水利數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲的標準。除存儲標準外,水利數(shù)據(jù)底板還缺乏數(shù)據(jù)分類與表示、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)服務等標準的指導。數(shù)字孿生水利模型平臺屬于智慧水利的核心引擎,目前缺乏對模型分類與表示、模型封裝、模型存儲、模型組裝等標準,導致雖有很多模型,卻出現(xiàn)了模型無用的局面。數(shù)字孿生水利知識平臺由于缺乏有關水利知識分類與表示、水利知識存儲、水利知識融合等標準的指導,導致水利領域尚缺乏可用的業(yè)務知識庫。

1.3 智慧水利業(yè)務應用實施保障需標準指導

在智慧水利業(yè)務應用實施保障方面,需要考慮以下兩點:①業(yè)務應用既是數(shù)字孿生水利“需求牽引”的出發(fā)點,又是“應用至上”的落腳點,應用效果是檢驗建設成效的主要標準。但是在水利業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)上,由于沒有標準來規(guī)范業(yè)務應用分析以及系統(tǒng)開發(fā)的整個過程,各業(yè)務應用系統(tǒng)就會出現(xiàn)兼容性弱、互操作困難和擴展性不強的問題。②智慧水利系統(tǒng)建設完后,如何評價以數(shù)字孿生水利為核心構建的智慧水利所發(fā)揮的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益以及所具有的準確性、穩(wěn)定性、安全性、易用性等性能,服務于智慧水利的升級迭代和優(yōu)化提升。因此,需要智慧水利的評價、網(wǎng)絡安全、建設與運行管理等相關標準來規(guī)范運行管理工作。

針對上述智慧水利實施前“如何認識智慧水利”,實施中“如何建設智慧水利”、實施后“如何評價智慧水利應用成效”等階段的不同需求,迫切需要建立智慧水利標準體系。

2 智慧水利標準體系形成的基本原則

智慧水利標準體系建設應遵循以下原則[36]:

1)標準體系表要全面成套。構建全面成套的智慧水利標準體系表能夠充分體現(xiàn)智慧水利的整體性和系統(tǒng)性,抓住智慧水利建設的主要環(huán)節(jié)以及制約建設成效的主要矛盾,明確標準體系建設的主攻方向。智慧水利標準體系是系列標準制定的依據(jù)和基礎,它將具體標準作為實施手段和措施來完成標準體系的構建。智慧水利標準體系表制定既要包括現(xiàn)有高新技術和未來發(fā)展高新技術的新標準,又要包含已有標準的高新技術的應用和發(fā)展部分。

2)標準體系層次結構恰當。智慧水利是按照水利業(yè)務邏輯和信息理論指導構建,在架構上做到邏輯合理、層次結構清晰,因此每個標準按照信息功能安排在合理層次上,制定科學、合理和簡化的標準體系,避免標準體系的重復、混亂甚至矛盾與不統(tǒng)一。標準體系明細表內(nèi)不同領域或不同分系統(tǒng)間的劃分不能按照行政系統(tǒng)進行劃分,應按照水利業(yè)務活動和信息技術性質的同一性進行劃分。

3)適當保護先行者的利益。由于社會經(jīng)濟條件不同,發(fā)達地區(qū)的智慧水利項目實施通常超前標準制定若干年,這些先頒布標準難免會與既存事實相抵觸,系統(tǒng)中的不兼容設備也不能立即替換掉,否則會影響已開展工作者的利益。因此,標準化體系研究和標準的制定工作應在條件允許的情況下盡可能將損失減到最小。

4)兼顧水利信息化標準現(xiàn)狀,盡量采用國家已制定的標準。智慧水利是信息通信技術(Information and Communication Technology,ICT)深入融合的領域,ICT在很多領域已經(jīng)標準化。傳統(tǒng)水利領域也有許多已經(jīng)或正在制定的相關標準,故制定智慧水利標準應盡可能兼顧水利信息化已有標準以及相關的國際標準和國家標準,同時,還應根據(jù)智慧水利建設的實際需求制定一些急需的關鍵標準。

5)短時間難以制定出具體標準而又非常重要的領域可以制定指導性技術文件。智慧水利是一個復雜的大系統(tǒng),服務領域多,功能要求多樣,牽涉非常廣泛的技術領域,盡管已有成熟的標準可供采用,但是如何達到數(shù)字孿生的嚴格水準,尚無規(guī)范可遵循。如果各地區(qū)智慧水利項目按需制定各自項目標準,就會導致系統(tǒng)可擴展性很差,難以保障全國范圍內(nèi)跨層級、跨部門、跨系統(tǒng)之間的兼容性,數(shù)據(jù)充分利用與共享也會成為“空中樓閣”。如果標準制定滯后很多年,那時各地智慧水利項目已形成規(guī)模化效應,標準的強制執(zhí)行不僅不能改變既成事實,還將導致重復建設和無可挽回的損失。因此,對于短期內(nèi)急需卻很難較快地制定標準的關鍵領域,可以先根據(jù)體系結構制定出一些基本的原則或指導性技術文件供生產(chǎn)者、集成商參考。在實施過程中,通過積累經(jīng)驗和厘清技術細節(jié),再以發(fā)布的基本原則或指導性文件為基礎,制定詳細且可操作的標準。

3 智慧水利標準體系框架

3.1 智慧水利總體框架的演變

對智慧水利總體框架的認識也是逐步發(fā)展的。水利部印發(fā)的《智慧水利頂層設計》和《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《數(shù)字孿生流域建設技術大綱(試行)》所提出的智慧水利總體框架,均是以數(shù)字孿生流域為核心。隨著實踐工作的推進,已形成了數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等組成的數(shù)字孿生水利體系。那么,以數(shù)字孿生流域為核心的智慧水利總體框架[10]就演變?yōu)橐詳?shù)字孿生水利(包括數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)[37]等)為核心的智慧水利總體框架,如圖1所示。

圖1 智慧水利總體框架演變

表4—7分別給出了數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)的框架組成。從框架來看,四者均包括了信息化基礎設施和數(shù)字孿生平臺兩部分內(nèi)容,同時兼顧了業(yè)務應用系統(tǒng)的建設。但是在數(shù)字孿生平臺、信息化基礎設施一級分類下,二級分類存在差異。

表4 數(shù)字孿生流域框架內(nèi)容

表5 數(shù)字孿生水網(wǎng)框架內(nèi)容

表6 數(shù)字孿生水利工程框架組成

表7 數(shù)字孿生灌區(qū)框架組成

1)數(shù)字孿生平臺辨析。四者的數(shù)字孿生平臺均包括了數(shù)據(jù)、模型、知識三要素。關于數(shù)據(jù)要素的表達,四者均用詞“數(shù)據(jù)底板”。關于模型和知識要素,數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)分別用詞“模型平臺”和“知識平臺”,數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)則分別用詞“模型庫”和“知識庫”,雖然用詞不同,但是表達的意思相似。

2)信息化基礎設施辨析。在信息化基礎設施內(nèi)容方面,數(shù)字孿生流域用詞“水利感知網(wǎng)”“水利信息網(wǎng)”和“水利云”;數(shù)字孿生水網(wǎng)用詞“監(jiān)測感知”“通信網(wǎng)絡”“遠程集控”“計算存儲”“應用支撐”“調度指揮實體環(huán)境”;數(shù)字孿生水利工程用詞“監(jiān)測感知”“通信網(wǎng)絡”“工程自動化控制”“信息基礎環(huán)境”;數(shù)字孿生灌區(qū)用詞“立體感知”“自動控制”“支撐保障”。

上述用詞雖然不同,包括的內(nèi)容卻非常相似。四者均包括“監(jiān)測感知”“通信網(wǎng)絡”“計算存儲”“調度會商”等內(nèi)容。①關于“監(jiān)測感知”內(nèi)容,數(shù)字孿生流域用詞“水利感知網(wǎng)”,數(shù)字孿生水網(wǎng)用詞“監(jiān)測感知”,數(shù)字孿生水利工程用詞“監(jiān)測感知”,數(shù)字孿生灌區(qū)用詞“立體感知”。②關于“通信網(wǎng)絡”,數(shù)字孿生流域用詞“水利信息網(wǎng)”,其他三者用詞“通信網(wǎng)絡”,其中數(shù)字孿生灌區(qū)將其作為“支撐保障”的一部分。③關于“計算存儲”內(nèi)容,數(shù)字孿生流域將其作為“水利云”的一部分,數(shù)字孿生水利工程將其作為“信息基礎環(huán)境”的一部分,數(shù)字孿生灌區(qū)將其作為“支撐保障”的一部分。④關于“調度會商”內(nèi)容,數(shù)字孿生流域將其作為“水利云”的一部分,數(shù)字孿生水網(wǎng)用詞“調度指揮實體環(huán)境”,數(shù)字孿生水利工程將其作為“信息基礎環(huán)境”的一部分,數(shù)字孿生灌區(qū)將其作為“支撐保障”的一部分。這些共性要素可以納入數(shù)字孿生水利體系框架。

“自動控制”為數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)的重要內(nèi)容,同時為物理流域的對象組成,但其在數(shù)字孿生流域沒有體現(xiàn)。鑒于工程自動控制是水流調控的重要內(nèi)容,也是水利工作的重要組成部分,因此,有必要將“自動控制”納入數(shù)字孿生水利體系框架。

“應用支撐”為公共支撐的組件和工具,是數(shù)字孿生水網(wǎng)和數(shù)字孿生灌區(qū)的建設內(nèi)容。雖然數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程沒有提到它,但是鑒于“應用支撐”是傳統(tǒng)水利信息化系統(tǒng)的重要組成部分,為了整合該項內(nèi)容,將“應用支撐”納入數(shù)字孿生水利體系框架。

其他的內(nèi)容,如數(shù)字孿生流域“水利云”的“視頻會議”、數(shù)字孿生水網(wǎng)“調度指揮環(huán)境”的“融合通信系統(tǒng)”“視頻會議系統(tǒng)”“集成顯示系統(tǒng)”“聯(lián)合值班環(huán)境”等均可納入“調度會商”。數(shù)字孿生水利工程“信息基礎環(huán)境”的“機房環(huán)境”可納入“計算存儲”,作為計算存儲建設的環(huán)境要求。數(shù)字孿生流域“水利云”的“高性能計算”“人工智能計算”可以納入“計算存儲”。

3)業(yè)務應用辨析。從表4—7可以看出,由于業(yè)務視角不同,數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等具體的應用有所差異,但仍然在水利職責范圍內(nèi)。

3.2 以數(shù)字孿生水利為核心的標準框架

通過總結水利信息化和數(shù)字孿生標準發(fā)展現(xiàn)狀以及分析智慧水利建設的認知、研究、應用等方面的標準需求,堅持智慧水利標準體系形成基本原則,根據(jù)上述演變后的智慧水利框架,設計了由基礎共性標準、信息化基礎設施標準、數(shù)字孿生平臺標準、業(yè)務應用標準、網(wǎng)絡安全標準、建設與運行標準等各項子標準構成的以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標準體系框架,如圖2所示。

1)基礎共性標準。包括智慧水利術語、智慧水利參考架構、水利對象和信息分類與編碼、水利對象標識、智慧水利評價導則、智慧水利標準應用指南6部分,是用來規(guī)范智慧水利涉及的概念定義和符號、智慧水利總體框架、智慧水利業(yè)務框架、信息化基礎設施框架、水利數(shù)據(jù)底板框架、水利模型框架、水利知識框架、智慧水利業(yè)務應用框架、網(wǎng)絡安全框架、保障體系框架、水利對象分類、水利信息分類、水利對象數(shù)字化標識、評價指標、評價標準、評價方法等的基礎性、通用性標準。

2)信息化基礎設施標準。包括數(shù)字孿生水利的水利監(jiān)測感知標準、水利工程控制標準、水利信息網(wǎng)標準、水利云標準、水利調度會商標準5部分,用于規(guī)范智慧水利的感知站點布設、感知設備接入、感知設備管理、業(yè)務網(wǎng)、政務網(wǎng)、計算、存儲等信息化基礎設施建設。

3)數(shù)字孿生平臺標準。包括數(shù)字孿生水利的數(shù)據(jù)底板標準、水利模型平臺標準、水利知識平臺標準、映射與交互、孿生資源服務5部分,用于規(guī)范智慧水利的數(shù)據(jù)共享、模型協(xié)同以及知識交互。

4)業(yè)務應用標準。包括智慧水利應用系統(tǒng)開發(fā)涉及的業(yè)務流程標準、業(yè)務“四預”標準、系統(tǒng)開發(fā)標準、系統(tǒng)部署和遷移標準、人機交互標準5部分,用于規(guī)范流域防洪系統(tǒng)、水資源管理與調配系統(tǒng)等“2+N”業(yè)務應用系統(tǒng)的開發(fā)、迭代及優(yōu)化。

5)網(wǎng)絡安全標準。包括智慧水利的水利數(shù)據(jù)安全、水利信息系統(tǒng)安全、水利信息安全管理、水利信息基礎設施防護4部分,用于規(guī)范信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務應用各層級及相互之間的安全保障以及人員安全操作。

6)建設與運行標準。包括智慧水利的規(guī)劃設計、建設實施、運行管理、評估改進4部分,用于規(guī)范智慧水利建設和運行過程中技術、方法、流程、創(chuàng)新等方面要求。

4 智慧水利標準體系

4.1 標準體系結構

智慧水利標準體系由基礎共性標準、信息化基礎設施標準、數(shù)字孿生平臺標準、業(yè)務應用標準、網(wǎng)絡安全標準、建設與運行標準等智慧水利的各項子標準體系組成,其體系結構如圖3所示。

圖3 智慧水利標準體系結構

4.2 基礎共性標準

1)術語與定義標準。主要用于規(guī)范智慧水利的信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全、保障體系各部分內(nèi)容涉及的標準化的術語及相應縮略語與定義,為準確理解智慧水利概念以及制定其他各部分標準提供支撐。

2)水利對象和信息分類與編碼標準。主要用于規(guī)范對象的分類及其代碼的編制,以及每類對象特征信息的分類及其代碼的編制。規(guī)范對象和信息的分類與代碼,主要解決信息語義的一致性問題。水利部已頒布了分類與編碼的系列標準[38]。在此基礎上,分析系列標準并對不適合數(shù)字孿生水利建設的內(nèi)容進行修訂,對沒有的標準進行新編。

3)水利對象標識標準。主要用于規(guī)范江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動對象的數(shù)字標識編碼、標識采集、標識識讀、標識解析、標識注冊、標識管理等的相關要求。該類標準以《水利對象分類與編碼總則》(SL/T 213—2020)為基礎進行制定[38]。

4)參考架構標準。主要用于規(guī)范智慧水利總體框架、技術架構、業(yè)務架構、信息化基礎設施架構、數(shù)據(jù)底板架構、模型平臺架構、知識平臺架構、業(yè)務應用架構、網(wǎng)絡安全架構等,為智慧水利可持續(xù)建設提供基礎。

5)評價導則。主要用于規(guī)范智慧水利評價指標(以評價孿生度為核心)的基本構成、指標說明、評價標準、計算方法和權重設定,為揭示水利建設中的短板弱項、樹立智慧水利建設標桿發(fā)揮引領作用,引導智慧水利始終向著正確、健康方向發(fā)展。

6)標準應用指南。主要用于對智慧水利基礎共性標準、信息化基礎設施標準、數(shù)字孿生平臺標準、業(yè)務應用標準、網(wǎng)絡安全標準、建設與運行標準等的編制背景與意義、編制過程及標準使用應注意的問題進行說明,以切實發(fā)揮好標準對智慧水利發(fā)展的支撐和引領作用。

4.3 信息化基礎設施標準

4.3.1 水利監(jiān)測感知標準

主要對智慧水利的傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網(wǎng)、新型水利監(jiān)測網(wǎng)、感知設備接入、感知邊緣端協(xié)作等方面進行規(guī)范。相關標準及主要內(nèi)容如下。

1)傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網(wǎng)標準。主要用于規(guī)范利用傳統(tǒng)水利監(jiān)測方式對江河湖泊、水利工程、水利治理管理活動對象進行監(jiān)測的監(jiān)測感知站點布設布局、監(jiān)測設備性能、監(jiān)測要素、監(jiān)測頻次、通信接口和協(xié)議、傳輸方式、數(shù)據(jù)存儲、質量控制等的相關技術要求。

2)新型水利監(jiān)測網(wǎng)標準。主要用于規(guī)范雨量雷達監(jiān)測、衛(wèi)星遙感觀測(如可業(yè)務化應用的地表水體衛(wèi)星遙感監(jiān)測)、無人機遙感觀測、高清視頻監(jiān)測監(jiān)控、無人船使用、地面機器人使用、水下機器人使用、衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用等新型水利監(jiān)測網(wǎng)的相關技術要求。

3)感知設備接入標準。主要用于規(guī)范江河湖泊、水利工程和水利活動對象的感知設備的感知位置、感知對象、感知要素、接入方式、接入通信協(xié)議、協(xié)議適配等的相關要求。

4)感知端邊緣計算標準。主要用于規(guī)范水利感知端邊緣計算的系統(tǒng)與功能架構、邊緣計算節(jié)點設備、邊緣計算節(jié)點接入接口、邊緣計算數(shù)據(jù)管理、邊緣計算服務接口等的相關要求。

5)感知設備管理標準。主要用于規(guī)范智慧水利感知設備的連接、設備管理、設備監(jiān)控告警、設備規(guī)則引擎等物聯(lián)管理,傳感網(wǎng)絡管理、感知管理、邊緣決策等邊緣管理,以及設備數(shù)據(jù)上報、設備狀態(tài)上報、平臺命令下發(fā)等的相關要求[39]。

4.3.2 水利工程控制標準

水利工程控制標準主要對各類工程建設控制設施設備性能、設備接入、設備控制、設備管理等進行規(guī)范。

1)自動控制設備標準。主要用于規(guī)范蓄水工程、引水工程、提水工程、調水工程、輸配水工程等的控制設備的功能、性能等相關要求。關鍵設備要滿足自主可控的要求。

2)工程控制設備接入標準。主要用于規(guī)范工程控制設備的控制位置、控制對象、控制要素、接入方式、接入通信協(xié)議、協(xié)議適配等的相關要求。

3)工程控制指令執(zhí)行標準。主要用于規(guī)范工程設備運行控制的指令接入(包括指令接口、指令格式識別轉換、指令校驗審核、指令發(fā)布或執(zhí)行權限等)、指令響應性能(包括指令響應時間、指令執(zhí)行效率、時序同步等)、指令有效性能(如指令執(zhí)行的精度、穩(wěn)定性等)等的相關要求[23]。

4)工程控制設備管理標準。主要用于規(guī)范智慧水利控制設備的連接、設備管理、設備監(jiān)控告警、設備規(guī)則引擎等物聯(lián)管理,以及設備數(shù)據(jù)上報、設備狀態(tài)上報、平臺命令下發(fā)執(zhí)行等的相關要求[39]。

4.3.3 水利信息網(wǎng)標準

主要對智慧水利的水利業(yè)務網(wǎng)、水利工控網(wǎng)相關技術要求進行規(guī)范。相關標準及主要內(nèi)容如下。

1)水利業(yè)務網(wǎng)標準。主要用于規(guī)范智慧水利業(yè)務網(wǎng)的網(wǎng)絡層次、網(wǎng)絡互聯(lián)結構、網(wǎng)絡鏈路、網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡設備選型、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡測試等相關要求[40-41],以及水利業(yè)務網(wǎng)與電子政務外網(wǎng)融合的技術要求[42];同時規(guī)范感知設備、模型、知識、服務與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸相關技術要求,包括傳輸協(xié)議、傳輸實時性、傳輸可靠性、傳輸安全等。該標準在《水利業(yè)務網(wǎng)建設技術指南》和《水利信息網(wǎng)建設指南》(SL 434—2008)內(nèi)容基礎上進行修訂完善,升級為行業(yè)標準。

2)水利工控網(wǎng)標準。主要用于規(guī)范智慧水利的水利工控網(wǎng)的網(wǎng)絡互聯(lián)結構、網(wǎng)絡鏈路、網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡設備選擇、網(wǎng)絡通信接口、網(wǎng)絡通信規(guī)約、網(wǎng)絡通信質量保障性、通信性能、網(wǎng)絡功能等相關技術要求[43-44];同時規(guī)范感知設備、模型、知識、服務與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)傳輸相關技術要求,包括傳輸實時性、傳輸可靠性、傳輸安全等。

4.3.4 水利云標準

水利云標準主要對智慧水利的水利云基礎設施、水利云資源管理、水利信息系統(tǒng)部署和遷移等進行規(guī)范。

1)水利云基礎設施標準。主要用于規(guī)范智慧水利的水利云基礎設施建設的基本原則、總體架構和功能架構、計算存儲、通信網(wǎng)絡、操作系統(tǒng)、應用支撐中間件、虛擬化軟件、運行性能、運維、容災等的相關要求[45-49]。

2)水利云應用支撐標準。主要用于規(guī)范一張圖、地理信息、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一用戶、移動服務等智慧水利使用的公共支撐工具和平臺。

3)水利云資源管理標準。主要用于規(guī)范智慧水利的水利云計算資源、水利云存儲資源、水利云網(wǎng)絡資源、水利云資源接口、水利云資源使用維護等的相關要求[50]。

4.3.5 水利調度會商標準

1)水利視頻會商系統(tǒng)標準。主要用于規(guī)范視頻會商系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)布局、功能要求、性能要求、安全性要求、環(huán)境要求等[51]。

2)水利調度指揮系統(tǒng)標準。主要用于規(guī)范水利調度指揮系統(tǒng)的基本構成、基本功能及主要性能要求、基指建設內(nèi)容及要求、前指裝備構成及要求。

3)水利集控系統(tǒng)標準。主要用于規(guī)范集控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構、系統(tǒng)功能、技術原則、控制模式、系統(tǒng)接口、系統(tǒng)性能、電源設備、電磁兼容與雷電防護、機房環(huán)境等的技術要求[52]。

4.4 數(shù)字孿生平臺標準

4.4.1 數(shù)據(jù)底板標準

數(shù)據(jù)底板標準主要是對數(shù)字孿生水利所涉及的水利數(shù)據(jù)資源體系、水利數(shù)據(jù)模型描述、水利數(shù)據(jù)治理、水利數(shù)據(jù)融合與服務過程進行規(guī)范。

1)水利數(shù)據(jù)資源體系標準。主要用于規(guī)范水利基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)資源構成、數(shù)據(jù)詞典、數(shù)據(jù)目錄、數(shù)據(jù)分級分類、數(shù)據(jù)表結構、編碼標識等要求。

2)水利數(shù)據(jù)模型描述標準。主要規(guī)范水利基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等的核心數(shù)據(jù)模型、語義本體模型、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)格式、元數(shù)據(jù)等要求,為水利數(shù)據(jù)概念模型、邏輯模型和物理模型的設計和管理提供指導和依據(jù)。

3)水利數(shù)據(jù)采集規(guī)范。主要用于規(guī)范數(shù)據(jù)采集過程、數(shù)據(jù)采集內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)采集質量控制、數(shù)據(jù)采集安全控制等相關要求,指導從數(shù)據(jù)源中得到原始數(shù)據(jù),通過標準化處理轉化為滿足共享與利用需求的數(shù)據(jù)。

4)水利數(shù)據(jù)存儲規(guī)范。主要用于規(guī)范對水利結構化數(shù)據(jù)、半結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)進行存儲和管理的相關要求。

5)水利數(shù)據(jù)治理規(guī)范。主要用于規(guī)范水利基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等的主數(shù)據(jù)管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質量管理、數(shù)據(jù)使用授權管控、數(shù)據(jù)隱私與風險安全管控、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)利用管理、數(shù)據(jù)共享與開放分級分類管理、有效治理與利用評估、數(shù)據(jù)標準管理、數(shù)據(jù)測評管理等的相關要求。

6)水利數(shù)據(jù)融合標準。主要用于規(guī)范水利基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等的接入?yún)R聚、數(shù)據(jù)存儲[53-57]、數(shù)據(jù)關聯(lián)、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)安全處理、數(shù)據(jù)服務封裝、數(shù)據(jù)服務消費等要求。

7)水利數(shù)據(jù)開放共享標準。主要用于規(guī)范智慧水利數(shù)據(jù)開放共享的基本模式、業(yè)務需求、特征和技術要求等,指導數(shù)據(jù)擁有方將數(shù)據(jù)向政府政務部門、企業(yè)單位和社會公眾等相關方開放,以及在一定的條件下共同使用。

8)水利數(shù)據(jù)交換標準。主要用于規(guī)范智慧水利數(shù)據(jù)交換的交換機制、交換體系、交換流程、交換方式、交換技術規(guī)定、適配器開放要求、交換協(xié)議、相關編碼規(guī)則、質量控制與安全、保障機制等方面的技術要求,指導部門間、地域間、層級間各類數(shù)據(jù)的共享、協(xié)調一致。該類標準在水利行業(yè)標準《水利數(shù)據(jù)交換規(guī)約》(SL/T 783—2019)和《水利空間數(shù)據(jù)交換協(xié)議》(SL/T 797—2020)基礎上補充、修改和完善而成。

9)水利數(shù)據(jù)服務標準。主要用于規(guī)范智慧水利數(shù)據(jù)服務的接口、交互協(xié)議、能力開放等,明確數(shù)據(jù)服務的形式、內(nèi)容、質量等。

4.4.2 模型平臺標準

模型平臺標準主要是對智慧水利所涉及的水利專業(yè)模型(包括機理模型、數(shù)理統(tǒng)計模型、混合模型)、智能識別模型(包括視頻識別模型、語音識別模型、遙感識別模型)、可視化模型(包括自然背景、流場動態(tài)、水利工程、機電設備)的建立和使用過程以及模擬仿真引擎技術要求進行規(guī)范。

1)水利專業(yè)模型標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等中的水文模型、水資源模型、水生態(tài)環(huán)境模型、水力學模型、泥沙動力學模型、水土保持模型、水利工程安全模型等水利專業(yè)模型的分類與描述、封裝與組裝、驗證與評估、部署與測試、運行與管理、發(fā)布與服務等相關技術要求。

2)智能識別模型標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等所涉及的遙感識別、視頻識別、語音識別等模型的分類、建模、驗證、使用與評估以及模型服務的相關技術要求。

3)可視化模型標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等所涉及的自然背景、流場動態(tài)、水利工程、機電設備等三維場景數(shù)據(jù)采集、三維模型建模、三維圖形渲染、實體映射等相關要求。該標準在水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生流域可視化模型規(guī)范(試行)》基礎上,對試行過程發(fā)現(xiàn)的問題進行修改,按照行業(yè)標準編制要求進行完善,升級為正式標準。

4)模擬仿真引擎標準。主要用于規(guī)范能夠支撐不同業(yè)務、不同場景、不同目標的數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等的模型靈活配置和調用的模型版本管理、參數(shù)配置、組合裝配、加載調用、計算跟蹤、訓練優(yōu)化、模型迭代等服務的相關技術要求。

5)仿真推演標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生仿真推演模型構建與優(yōu)化、仿真任務管控、仿真推演結果驗證、仿真推演體系建設等要求,以確保仿真推演成效與數(shù)字孿生運行規(guī)律的一致性。

4.4.3 知識平臺標準

知識平臺標準主要對數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等所涉及的水利對象關聯(lián)關系知識、業(yè)務規(guī)則知識、歷史場景知識、專家經(jīng)驗知識和預報調度知識等進行規(guī)范。

1)水利對象關聯(lián)關系知識標準。主要用于規(guī)范江河湖泊、水利工程和水利對象治理管理活動等實體、概念及其關系的分類、編碼、描述、抽取、對齊、融合、關聯(lián)等的相關要求。

2)水利業(yè)務規(guī)則知識標準。主要用于規(guī)范水利業(yè)務管理所需的相關法律法規(guī)、規(guī)章制度、技術標準、管理辦法、規(guī)范規(guī)程等文檔內(nèi)容進行結構化處理、業(yè)務規(guī)則抽取、表示、管理、業(yè)務適配等的相關技術要求。

3)水利歷史場景知識標準。主要用于規(guī)范水利歷史場景知識的分類,以及對數(shù)據(jù)表格或文本記錄的歷史場景數(shù)據(jù)進行典型時空屬性及特征指標的抽取、融合、存儲和挖掘等的相關要求。

4)水利預報調度方案知識標準。主要用于規(guī)范特定業(yè)務場景下流域防洪、水資源調配等預報調度方案知識分類,以及對歷史典型洪水預報、水利工程調度過程記錄或以文本形式存儲的預報調度預案進行知識抽取、融合、存儲、管理以及場景適配等的相關技術要求。

5)水利專家經(jīng)驗標準。主要用于規(guī)范描述特定業(yè)務場景決策時的專家經(jīng)驗知識分類,以及對通過文字、公式、圖形圖像等形式固化的專家經(jīng)驗進行抽取、融合、存儲、挖掘以及業(yè)務適配等的相關技術要求。

6)水利知識圖譜。主要用于規(guī)范流域防洪、水資源管理與調配等水利業(yè)務知識圖譜框架構建的數(shù)據(jù)來源、技術要求、基本功能要求、非功能要求等。

7)水利知識引擎。主要用于規(guī)范水利知識運行環(huán)境、知識運行配置、知識運行實時監(jiān)測、知識更新、知識優(yōu)化、知識增刪改查等的相關技術要求。

4.4.4 映射與交互標準

映射與交互標準主要對信息化基礎設施中感知控制對象、數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)底板、模型、知識以及服務之間的映射與交互進行規(guī)范。

1)連接映射標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生中感知控制設備、模型、知識、孿生服務與數(shù)據(jù)底板的連接映射的相關技術要求,包含連接方式、映射模型、映射字典、映射一致性評估、映射自適應更新與優(yōu)化、映射關聯(lián)可視化等[58]。

2)數(shù)模聯(lián)動標準。主要用于規(guī)范數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)底板與模型聯(lián)動所要求的數(shù)模聯(lián)動機制自適應更新與優(yōu)化、數(shù)模聯(lián)動一致性評估、時空狀態(tài)初始化、時域同步驅動、數(shù)據(jù)同步交互等技術要求。

3)交互與集成標準。主要用于規(guī)范感知控制設備、模型、知識、孿生服務與數(shù)據(jù)底板之間的交互與集成的相關技術要求,如系統(tǒng)集成方法、系統(tǒng)集成運行機制等。

4)連接測試標準。規(guī)范感知控制設備、模型、知識、孿生服務與數(shù)據(jù)底板之間的連接測試的相關技術要求,包括連接兼容性測試、連接可靠性測試、連接時間敏感性測試、交互功能與性能測試、系統(tǒng)集成測試等。

4.4.5 孿生資源服務標準

數(shù)字賦能服務標準主要對數(shù)據(jù)、模型、功能、產(chǎn)品等服務描述模型、服務開發(fā)、服務部署、服務運行、服務管理、服務質量與測評進行規(guī)范。

1)服務描述模型標準。規(guī)范數(shù)字孿生水利中服務描述模型建模的相關技術要求,包括建模規(guī)則、建模環(huán)境、建模語言、建模流程等。

2)服務開發(fā)標準。規(guī)范服務開發(fā)的相關技術要求,包括功能描述、設計規(guī)范、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)流程、服務封裝、服務模板庫等。

3)服務部署與運行標準。規(guī)范數(shù)字孿生水利中服務部署及運行的相關技術要求,包括部署要求、運行環(huán)境、服務實例化、運行監(jiān)測、服務協(xié)作、服務運行容錯等。

4)服務管理標準。規(guī)范服務全生命周期過程管理的相關技術要求,包括服務注冊、服務搜索、供需匹配、服務優(yōu)選、服務調度、服務組合、服務容錯、服務協(xié)作等。

5)服務質量與測評標準。規(guī)范數(shù)字孿生水利中服務質量與測評的相關技術要求,包括時間、成本、信譽、滿意度、非功能服務質量(包括可伸縮性、可擴展性、可重用性、魯棒性、可測試性)等。

4.5 業(yè)務應用標準

1)業(yè)務流程標準。主要規(guī)范智慧水利業(yè)務流程設計方法、業(yè)務環(huán)節(jié)、業(yè)務人員角色、業(yè)務流程時序、業(yè)務流程接口設計等的相關技術要求。

2)業(yè)務“四預”標準。主要用于規(guī)范面向流域防洪、水資源管理與調配等業(yè)務所需的預報、預警、預演、預案的基本內(nèi)涵、主要內(nèi)容和技術要求。該標準需要在水利部印發(fā)的《水利業(yè)務“四預”基本技術要求(試行)》的基礎上,根據(jù)各業(yè)務情況進行修改完善。

3)系統(tǒng)開發(fā)標準。主要用于規(guī)范智慧水利業(yè)務應用系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、業(yè)務數(shù)據(jù)要求、系統(tǒng)基本功能(突出“預報、預警、預演、預案”功能)、系統(tǒng)基本性能、系統(tǒng)用戶界面、系統(tǒng)集成等方面的相關技術要求。

4)系統(tǒng)部署和遷移標準。主要用于規(guī)范智慧水利的流域防洪、水資源管理與調配等應用系統(tǒng)云化部署和遷移的準備、設計、執(zhí)行、交付等的相關要求[59-60]。

5)軟件系統(tǒng)人機交互標準。主要用于規(guī)范流域防洪、水資源管理與調配等應用系統(tǒng)中人機交互宜具備的技術能力。

4.6 網(wǎng)絡安全標準

1)水利數(shù)據(jù)安全標準。主要用于規(guī)范智慧水利所涉及的重要水利數(shù)據(jù)、國家安全水利數(shù)據(jù)、高精度地理空間數(shù)據(jù)等的分類分級、采集、傳輸、使用、管理、評估等方面的安全要求。

2)水利信息系統(tǒng)安全標準。主要用于規(guī)范智慧水利依托的信息系統(tǒng)的安全防護、測試評價、信息備份、恢復等方面的要求。

3)水利信息安全管理標準。主要用于規(guī)范智慧水利信息安全管理活動中安全等級保護、安全管理、信息共享、風險管理、網(wǎng)絡安全監(jiān)測預警平臺等方面的相關要求。

4)水利信息基礎設施防護標準。主要用于規(guī)范智慧水利安全體系框架、水利信息安全保障、水利關鍵信息基礎設施保護、水利關鍵設備自主可控等方面的相關要求。

4.7 建設與運行標準

1)規(guī)劃設計標準。主要用于規(guī)范指導智慧水利總體規(guī)劃、頂層設計、實施方案制定、技術導則(或指南)、設計成果數(shù)字交付等的相關要求。該類標準通過解決《數(shù)字孿生流域建設技術大綱(試行)》《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則(試行)》《數(shù)字孿生水網(wǎng)建設技術導則(試行)》《數(shù)字孿生灌區(qū)建設技術指南(試行)》等在試行過程中的問題,并經(jīng)過標準編制流程進行修改完善,升級為正式標準。

2)建設實施標準。主要用于規(guī)范智慧水利項目建設部署、共建共享共治、實施流程、實施成本、實施質量、實施采購、質量評定與驗收、項目管理等的相關要求。

3)運行管理標準。主要用于規(guī)范智慧水利運行管理相關流程、要求、方法、工具、經(jīng)費(如運維定額、升級迭代費用等)等的要求,保障智慧水利的可持續(xù)運行。

4)評估改進標準。主要為智慧水利相關信息基礎設施、數(shù)據(jù)、平臺、應用等相關建設及服務情況提供評估評價方法、流程和依據(jù)等,確保智慧水利建設達到預定目標,并持續(xù)改進。

5 智慧水利標準發(fā)展路徑

智慧水利標準建設仍處于初級階段,在組織、研究和應用方面都還不完善,標準先行是智慧水利可持續(xù)發(fā)展的必要條件。在智慧水利標準建設中應該明確4個關鍵點:政府支持的重要性[61]、頂層設計和關鍵標準先行[62]、標準宣貫和落地策略的選擇、以效益為目標導向。根據(jù)其他領域標準發(fā)展經(jīng)驗[63]和目前水利行業(yè)標準困境,提出了智慧水利標準的發(fā)展路徑如下。

1)組建多方參與,完成頂層規(guī)劃。從智慧城市、智慧林業(yè)、智慧交通、智慧礦山等標準的發(fā)展情況以及TD技術標準聯(lián)盟的分析[61]來看,作為智慧水利的指導單位,第一步應該組建由水利信息化主管部門牽頭,行業(yè)內(nèi)具備相關能力的企業(yè)、科研院所和高校參與的專業(yè)標準制定組織。該組織應包含水利行業(yè)專家、多家龍頭企業(yè)、軟硬件供應商等,還應具備持續(xù)的財力、影響力和示范力。組織的首要任務是討論研究智慧水利標準頂層規(guī)劃,明確目標和方向。

2)從關鍵標準入手,逐步完善標準體系。以智慧水利標準體系為指導,全面梳理檢視現(xiàn)有水利技術標準和技術規(guī)范,特別是監(jiān)測感知、數(shù)據(jù)資源、模型計算、業(yè)務流程等方面的標準和規(guī)范,找出缺失以及不滿足、不適應、不銜接數(shù)字孿生水利建設的標準和規(guī)范,明確關鍵標準并加快制定或修訂,逐步完善標準體系。標準體系既要具備前瞻性、科學性,又要符合實際,能解決實踐問題,還要分析智慧水利建設現(xiàn)狀,確定哪些標準先行、哪些應用先行、哪些標準應強制實施等。針對以上諸多問題,出臺規(guī)范文件和智慧水利標準集。

3)開展試點示范,加強標準宣貫。結合數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生灌區(qū)等先行先試項目,在項目實施過程中開展標準試點示范,既能檢驗標準的完備性,又能提高標準在各地區(qū)應用的可操作性,從而加強標準體系的指導性和可接受程度,吸引更多的企業(yè)、科研院所和高校加入到標準制定中,為標準宣貫提供有利條件。

4)發(fā)揮、推廣標準化優(yōu)勢,擴大影響力。智慧水利標準升級是智慧水利發(fā)展不可跨越的途徑,持續(xù)的評價升級是智慧水利標準具備生命力的有效手段。標準的廣泛使用是證明標準有效性的明顯特征,因此結合內(nèi)外部環(huán)境制定合適的標準推廣策略,比如利用標準的外部性、成立標準咨詢組織等,是強化標準生命力、影響力的有效保障措施。標準評價升級、加強推廣是實現(xiàn)標準化最終目標的關鍵。

6 結語

本文從智慧水利概念達成共識、數(shù)字孿生水利研究與實施、智慧水利業(yè)務應用實施保障3個方面分析了以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標準的建設需求。結合水利部設計的以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利總體框架,提出了由智慧水利的基礎共性標準、信息化基礎設施標準、數(shù)字孿生平臺標準、業(yè)務應用標準、網(wǎng)絡安全標準、建設與運行標準6項子標準構成的以數(shù)字孿生水利為核心的智慧水利標準體系框架,并闡述了這6部分子標準體系,期望能夠為智慧水利標準研究與制定工作提供有益參考。

智慧水利標準很多工作有待深入開展,未來工作重點主要集中在以下幾個方面:

1)總體規(guī)劃、標準先行。智慧水利標準的發(fā)展對智慧水利建設至關重要。目前,智慧水利已逐步進入研究建設階段,但智慧水利標準遠滯后于智慧水利的發(fā)展,國內(nèi)發(fā)布的標準與智慧水利標準體系的要求還有差距。因此,需要結合“先行先試”試點經(jīng)驗和水利信息化現(xiàn)有標準的缺失,加強智慧水利標準體系總體規(guī)劃,用來指導我國智慧水利標準明細表的制定。

2)智慧水利基礎共性標準應作為先導標準盡快制定;信息化基礎設施層作為智慧水利的基礎標準,應充分結合水利特點進行專業(yè)化處理;數(shù)字孿生平臺作為智慧水利的核心標準,應根據(jù)行業(yè)資源進行重點建設,以確保數(shù)字孿生提供水利決策的前瞻性。

3)我國智慧水利標準的發(fā)展,應首先組建專業(yè)的標準組織,然后完成頂層規(guī)劃和關鍵標準的制定,再開展試點示范推廣標準化優(yōu)勢,逐步完善標準,升級標準,實現(xiàn)智慧水利標準制定、實施、宣貫、優(yōu)化的發(fā)展路徑。

4)智慧水利標準建設任重道遠,筆者基于對標準現(xiàn)狀的調查以及實際經(jīng)驗,分析了現(xiàn)狀和存在的問題,初步提出了智慧水利標準體系,作為拋磚引玉,希望能夠得到全社會關注,能夠促進智慧水利標準的深入研究。

致謝:感謝水利部信息中心錢峰副主任的具體指導和周逸琛工程師的幫助!