數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下的江蘇省數(shù)字孿生流域建設(shè)實(shí)踐

魯 揚(yáng),趙杏杏

(1.河海大學(xué)水文化研究所,江蘇 南京 210098; 2.南京中禹智慧水利研究院有限公司,江蘇 南京 210011)

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,數(shù)字化轉(zhuǎn)型為高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)力?！吨泄仓醒腙P(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出:“發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì),推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化,推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”,《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出:“充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì),促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合,賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式,壯大經(jīng)濟(jì)發(fā)展新引擎”,2022年《政府工作報(bào)告》指出要“促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展,建設(shè)數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施,完善數(shù)字經(jīng)濟(jì)治理,培育數(shù)據(jù)要素市場(chǎng),釋放數(shù)據(jù)要素潛力”。水利部將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一,并明確提出智慧水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志[1]。如何在數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展背景下解決數(shù)字孿生水利建設(shè)所面臨的難題與挑戰(zhàn),成為當(dāng)前水利數(shù)字化、信息化、智能化建設(shè)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)是以數(shù)據(jù)資源為核心要素,以現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)為主要載體,以信息通信融合應(yīng)用、全要素?cái)?shù)字化轉(zhuǎn)型為推動(dòng)力[2],利用數(shù)字技術(shù)對(duì)數(shù)字化的知識(shí)、信息進(jìn)行識(shí)別、選擇、存儲(chǔ)、使用,引導(dǎo)數(shù)據(jù)資源快速優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)實(shí)體增值和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的經(jīng)濟(jì)形態(tài)[3]。國(guó)內(nèi)國(guó)外經(jīng)濟(jì)的雙循環(huán)發(fā)展,數(shù)字的經(jīng)濟(jì)的持續(xù)滲透,帶來(lái)了供應(yīng)鏈物流服務(wù)[4]、智能制造[6]的增速發(fā)展。數(shù)字孿生作為新一代信息技術(shù),是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高階段形式[6],在助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合過(guò)程中扮演著重要角色,逐步成為數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)支撐[7],數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下的“孿生海洋”信息模型的構(gòu)建為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了參考[8],數(shù)字經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)外部效應(yīng)、交易成本節(jié)約效應(yīng)以及包容性增長(zhǎng)推進(jìn)數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè),助推長(zhǎng)江全流域高質(zhì)量發(fā)展[10]。根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部(以下簡(jiǎn)稱水利部)推進(jìn)的智慧水利建設(shè)部署,建設(shè)數(shù)字孿生流域已經(jīng)成為當(dāng)前智慧水利建設(shè)的核心任務(wù)與目標(biāo)。數(shù)字孿生流域建設(shè)作為未來(lái)流域治理管理的新基建新范式[9],以流域?yàn)榻ㄔO(shè)單元,以時(shí)空數(shù)據(jù)為底板,以江河水系為經(jīng)絡(luò)走向,以水利工程為區(qū)間節(jié)點(diǎn)[10],以水利模型為核心,以水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng),對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化映射、智慧化模擬,實(shí)現(xiàn)與物理流域的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化,支撐精準(zhǔn)化決策,通過(guò)在虛擬世界中模擬和再現(xiàn)流域涉水對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系,解析涉水對(duì)象時(shí)空動(dòng)態(tài)演變規(guī)律,實(shí)現(xiàn)流域水模擬、水工程調(diào)度及其影響快速響應(yīng)與精準(zhǔn)分析,滿足流域管理“全視角、多維度、全過(guò)程”的綜合管理需求,為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐[11]和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng),推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展。目前,長(zhǎng)江流域[12]、黃河流域[13]、珠江流域[14]、海河流域[10]等已建立相關(guān)數(shù)字孿生流域平臺(tái),江蘇省正在加快推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)實(shí)踐步伐,建成數(shù)字孿生秦淮河[15]示范工程。當(dāng)前數(shù)字孿生流域的研究多從技術(shù)研發(fā)與業(yè)務(wù)應(yīng)用角度出發(fā),尚沒(méi)有研究從數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度,探討數(shù)字孿生流域建設(shè)促進(jìn)水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型及水利數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)化、資產(chǎn)化對(duì)數(shù)字孿生流域建設(shè)的影響?；诖?本研究提出了數(shù)字孿生水利建設(shè)數(shù)據(jù)要素化整體架構(gòu),從水利數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)角度出發(fā),探索水利數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展新舉措,并從江蘇省數(shù)字孿生流域建設(shè)角度進(jìn)行實(shí)踐論證。

1 數(shù)字孿生水利數(shù)據(jù)要素化整體架構(gòu)

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代,數(shù)據(jù)成為土地、資本、技術(shù)之外的又一重要生產(chǎn)要素[16]。水利數(shù)據(jù)建設(shè)部門分散、孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)權(quán)界定難、交織作用因素眾多、數(shù)據(jù)安全要求高,導(dǎo)致水利數(shù)據(jù)難獲取、難應(yīng)用、難公開(kāi),影響水利數(shù)據(jù)的使用及數(shù)字孿生流域的建設(shè)。因此,水利數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)是關(guān)鍵。水利數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),是解決現(xiàn)有水利數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)統(tǒng)一、易于獲取、便于使用等方面存在的問(wèn)題的重要途徑,通過(guò)打造水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)市場(chǎng),促進(jìn)水利數(shù)據(jù)在水利行業(yè)乃至涉水行業(yè)可靠、安全、有效的應(yīng)用,最大化發(fā)揮水利數(shù)據(jù)的社會(huì)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于確保水利數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性、時(shí)效性、完整性,保證水利數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理、多維關(guān)聯(lián)組織、精準(zhǔn)需求匹配、高效安全應(yīng)用。為此,需要探索水利數(shù)據(jù)的資源化、資產(chǎn)化、資本化的新形態(tài)(圖1),加快釋放水利數(shù)據(jù)價(jià)值,催生水利數(shù)字經(jīng)濟(jì)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式。

1.1 數(shù)據(jù)資源化

數(shù)據(jù)資源化是以實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)、跨部門、跨層級(jí)、跨地區(qū)的匯聚、治理、組織與管控為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)高維水利數(shù)據(jù)的一體化組織,實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)資源的精準(zhǔn)匹配和靈活應(yīng)用,為水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)化提供技術(shù)支撐。水利數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)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)等多類、多源、異構(gòu)、海量、動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的數(shù)據(jù),通過(guò)構(gòu)建空間特征、業(yè)務(wù)特征和關(guān)系特征一體化組織的水利數(shù)據(jù)模型(圖2),實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的“規(guī)范-匯集-治理存儲(chǔ)-挖掘-服務(wù)”,確保多源異構(gòu)水利數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性、時(shí)效性和完整性,形成統(tǒng)一、權(quán)威、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù),實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)跨層級(jí)、跨地域、跨業(yè)務(wù)的協(xié)同管理和服務(wù),保障數(shù)據(jù)安全,為水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)化服務(wù)、資本化交易提供多維度關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)資源,是數(shù)字孿生流域建設(shè)的基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)一體化組織框架

1.2 數(shù)據(jù)資產(chǎn)化

數(shù)據(jù)資產(chǎn)化以數(shù)據(jù)資源化為基礎(chǔ),對(duì)水利數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和價(jià)值提煉,使其具有經(jīng)濟(jì)效益,并形成精準(zhǔn)化與個(gè)性化的水利數(shù)據(jù)產(chǎn)品,是水利數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型的高級(jí)形態(tài),是推進(jìn)水利數(shù)據(jù)資本化的核心。針對(duì)水利數(shù)據(jù)量大、維多的特征,數(shù)據(jù)資產(chǎn)化以知識(shí)引擎為工具,對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)一步分析、挖掘,獲取深層次的潛在數(shù)據(jù)關(guān)系,通過(guò)知識(shí)的表示、抽取、融合、推理等技術(shù)手段,挖掘流域水利對(duì)象和業(yè)務(wù)應(yīng)用間相互關(guān)系,形成水利知識(shí)圖譜,通過(guò)對(duì)用戶和業(yè)務(wù)需求的精細(xì)化分析,從功能、關(guān)系、屬性3個(gè)維度打造多維度的數(shù)據(jù)標(biāo)簽,精準(zhǔn)匹配目標(biāo)數(shù)據(jù)資源和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽集,形成多維度滿足水利業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)需求。

1.3 數(shù)據(jù)資本化

數(shù)據(jù)資本化提供精準(zhǔn)化、個(gè)性化水利數(shù)據(jù)資產(chǎn),以實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)在水利行業(yè)及涉水行業(yè)的資源共享,推進(jìn)水利數(shù)據(jù)價(jià)值最大化為目標(biāo),探索水利數(shù)據(jù)產(chǎn)品的交易形態(tài),實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)由資產(chǎn)化向資本化的轉(zhuǎn)變。針對(duì)復(fù)雜、多變的水利行業(yè)需求,以“2+N”業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向,以涉水行業(yè)水利數(shù)據(jù)應(yīng)用為驅(qū)動(dòng),推動(dòng)水利數(shù)據(jù)標(biāo)簽化配置,精準(zhǔn)匹配多個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)能力,量身定制安全保障能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)“供需兩端”真正貫通,并建立資本化窗口,依托大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)底板生成、二維底板映射和三維底板映射等能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多維角度、高低層次、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、虛實(shí)融合的分析與表達(dá),進(jìn)一步釋放水利數(shù)據(jù)資源的知識(shí)發(fā)現(xiàn)和輔助決策水平,實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的價(jià)值流轉(zhuǎn)與市場(chǎng)交易。

2 江蘇省數(shù)字孿生流域?qū)嵺`路徑

以數(shù)字經(jīng)濟(jì)為背景,圍繞“水利數(shù)據(jù)”這一關(guān)鍵生產(chǎn)要素,以水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型全面驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生流域建設(shè)的生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革,借力“四個(gè)協(xié)同”打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)在水利行業(yè)新業(yè)態(tài)、新形勢(shì)、新優(yōu)勢(shì)。為此,江蘇省進(jìn)行了多角度探索,多領(lǐng)域?qū)嵺`,多范圍應(yīng)用。

2.1 數(shù)字基礎(chǔ)布局

萬(wàn)物感知、萬(wàn)物智聯(lián)的水利基礎(chǔ)設(shè)施是提升數(shù)字孿生流域建設(shè)“算力”的基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源化的關(guān)鍵。江蘇省按照“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建”的原則統(tǒng)籌規(guī)劃,布設(shè)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)促進(jìn)數(shù)字孿生流域的互聯(lián)互通,提升對(duì)物理流域狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力和智能感知能力,加強(qiáng)存儲(chǔ)和計(jì)算資源的優(yōu)化整合和集約化利用,優(yōu)化云資源配置,為水利業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐環(huán)境。

2.1.1信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字孿生流域建設(shè)的“通道”,為各類感知信息提供可靠的傳輸途徑。信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括水利物聯(lián)網(wǎng)、水利業(yè)務(wù)網(wǎng)、水利工控網(wǎng)和應(yīng)急通訊。為保證全省數(shù)字孿生流域建設(shè)的運(yùn)行,形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、靈活流轉(zhuǎn)、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)體系,按照江蘇省數(shù)字資產(chǎn)共建共享共用的原則,在江蘇水利云已有資源的技術(shù)上,分級(jí)部署全省數(shù)字孿生流域運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)體系,以江蘇省水利廳(以下簡(jiǎn)稱水利廳)為一級(jí)節(jié)點(diǎn),作為江蘇省水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯聚、分發(fā)和共享的中心;以江蘇省水利科學(xué)研究院、南京市水利科學(xué)研究院、各地市水利局(水務(wù)局)(目前在南通市部署)為二級(jí)節(jié)點(diǎn),作為江蘇省水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)對(duì)上與水利廳,對(duì)下與各水利工程、各區(qū)縣的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、上架的樞紐;以各水利工程、各區(qū)縣作為三級(jí)節(jié)點(diǎn),作為數(shù)據(jù)上架、共享的終端。目前,江蘇省已在趙村水庫(kù)、武定門泵站、中報(bào)和、吳淞江、淀山湖圩區(qū)等地部署約10處三級(jí)節(jié)點(diǎn)。

2.1.2智能物聯(lián)設(shè)施

智能物聯(lián)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)布局是數(shù)字孿生流域建設(shè)的“抓手”。江蘇省創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)常規(guī)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、體檢掃描式面狀監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)業(yè)務(wù)核查式監(jiān)測(cè)的融合模式,在“十四五”期間規(guī)劃新建、改建各類水文站點(diǎn)共1180處,配置28臺(tái)套水雨情測(cè)驗(yàn)一體機(jī)、64套走航式ADCP、26艘遙控船、23套無(wú)人機(jī)測(cè)流系統(tǒng)、50套在線單兵巡測(cè)系統(tǒng),完善以水源、輸水、取水、用水、節(jié)水等水資源開(kāi)發(fā)利用為目的的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),加強(qiáng)水生態(tài)環(huán)境采集站網(wǎng)建設(shè)升級(jí),對(duì)全省水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,多手段全范圍加強(qiáng)數(shù)字孿生流域態(tài)勢(shì)感知能力。

2.1.3計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源

水利云平臺(tái)是數(shù)字孿生流域的“算力”支撐,能夠整合水利行業(yè)內(nèi)外部資源,為水利行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供支持和保障,推動(dòng)水利行業(yè)向數(shù)字化管理模式轉(zhuǎn)型,提高水利行業(yè)的現(xiàn)代化水平。為保證全省數(shù)字孿生流域的計(jì)算運(yùn)行,滿足水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)存儲(chǔ)管理、分析挖掘、業(yè)務(wù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)的資源需求,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、智能中樞和業(yè)務(wù)運(yùn)行的高效協(xié)同,水利廳在一級(jí)節(jié)點(diǎn)部署算力及存儲(chǔ)服務(wù)器19臺(tái),CPU資源668物理核,內(nèi)存資源7168GB,存儲(chǔ)資源776TB,高性能存儲(chǔ)140TB;在二級(jí)節(jié)點(diǎn)部署算力及存儲(chǔ)服務(wù)器34臺(tái),CPU資源964物理核,內(nèi)存資源5120GB,存儲(chǔ)資源403TB,高性能存儲(chǔ)空間45TB(圖3)。

2.2 平臺(tái)能力支撐

江蘇省打造數(shù)字孿生水利智能中樞,作為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)等數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯聚、治理、服務(wù)和管理的共建共享中心,在數(shù)字孿生流域中主導(dǎo)進(jìn)出、控制捭闔、描繪時(shí)空。水利數(shù)據(jù)與中樞的交融,一方面,培育了水利數(shù)字資產(chǎn)“沃土”,實(shí)現(xiàn)涉水大數(shù)據(jù)、水模型、水知識(shí)的全面匯聚發(fā)酵,孕育水旱防御、水資源配置等各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng),激發(fā)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型;另一方面,打通了數(shù)字資產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈,實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)與產(chǎn)品在廣度和深度上的融會(huì)貫通,形成百花齊放的新業(yè)態(tài)。

2.2.1數(shù)據(jù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)平臺(tái)是數(shù)字孿生流域的“基石”,為水利專業(yè)模型及水利知識(shí)提供數(shù)據(jù)服務(wù),支撐上層智能應(yīng)用。為打破水利數(shù)據(jù)利用率低、定價(jià)難、共享壁壘高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題,江蘇省自主研發(fā),匯聚江蘇省全流域水利基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)、地理空間及跨行業(yè)共享等多源多類型時(shí)空數(shù)據(jù)[17],根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的水利對(duì)象分類體系,點(diǎn)、線、面水利對(duì)象的空間、屬性、關(guān)系、時(shí)態(tài)等信息,構(gòu)建水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)“匯聚-治理-萃取-流轉(zhuǎn)-應(yīng)用”的數(shù)據(jù)生態(tài)服務(wù)平臺(tái),接入水文化遺產(chǎn)、遙測(cè)應(yīng)用庫(kù)、地下水等在內(nèi)的1582張表(表1),打造全新的水利數(shù)據(jù)要素化方式,為實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的資源化、資產(chǎn)化、資本化的“蝶變過(guò)程”提供有效路徑,為全省數(shù)字孿生流域的建設(shè)提供有效支撐。

2.2.2模型平臺(tái)

模型平臺(tái)是數(shù)字孿生流域的“算法”核心,向下調(diào)用數(shù)據(jù)底板價(jià)值數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域的精準(zhǔn)映射和虛實(shí)互動(dòng)。江蘇省基于“模型構(gòu)建靈活化、模型業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)服務(wù)個(gè)性化”原則打造數(shù)字孿生流域模型平臺(tái)(圖4),匯聚新安江模型、一維水動(dòng)力模型、二維水動(dòng)力模型、一二維水動(dòng)力耦合模型、水工調(diào)度模型等35個(gè)集總式預(yù)報(bào)模型和分布式模型,漂浮物識(shí)別、水尺識(shí)別、積水識(shí)別、遙感影像判別等10個(gè)AI模型。為提高模型的重用率及靈活性,根據(jù)水文模型的組件化思想和領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想,對(duì)模型進(jìn)行特征化提取,根據(jù)流域特征要素、氣候條件等對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)簽化分類,從空間尺度實(shí)現(xiàn)模型多維度嵌套,并結(jié)合水災(zāi)害防御、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景的氣候和下墊面特性,自動(dòng)匹配可適用模型,實(shí)現(xiàn)模型服務(wù)的自主推薦、自有適配和靈活組合,并提供模型組件的開(kāi)發(fā)、調(diào)用和共享標(biāo)準(zhǔn),服務(wù)于全省各級(jí)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的模型組件調(diào)用和模型搭建,實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨單位、跨級(jí)別的共享,提高數(shù)字孿生流域的建設(shè)效率,保證功能的正確有效快速實(shí)現(xiàn),支撐業(yè)務(wù)場(chǎng)景的“四預(yù)”應(yīng)用。

圖4 模型平臺(tái)架構(gòu)

2.2.3知識(shí)平臺(tái)

知識(shí)平臺(tái)是數(shù)字孿生流域的“智慧”。知識(shí)平臺(tái)的構(gòu)建聚焦流域精細(xì)管理和精準(zhǔn)調(diào)度的需求,通過(guò)深度學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜等技術(shù),耦合水利對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系、調(diào)度方案、業(yè)務(wù)規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)等知識(shí),挖掘水利業(yè)務(wù)關(guān)鍵影響要素,結(jié)合物理過(guò)程構(gòu)建單主題知識(shí)圖譜以及多主題耦合知識(shí)圖譜,針對(duì)不同水、雨、工、險(xiǎn)情特征,驅(qū)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、調(diào)度方案的智能生成與自適應(yīng)優(yōu)化,形成對(duì)水利知識(shí)的統(tǒng)一管理,并建立自學(xué)習(xí)進(jìn)化機(jī)制,實(shí)現(xiàn)決策的精準(zhǔn)響應(yīng)與快速迭代,為數(shù)據(jù)和模型調(diào)用提供智能內(nèi)核(圖5)。江蘇省以水利部開(kāi)展的全國(guó)數(shù)字孿生流域先行先試工作為契機(jī),分流域分區(qū)域逐步構(gòu)建知識(shí)圖譜,目前,已面向水利“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用提供預(yù)報(bào)方案、預(yù)警規(guī)則、相似場(chǎng)景推演、處置預(yù)案等場(chǎng)景,在秦淮河流域、南通城區(qū)、太湖流域、沂沭泗流域形成41個(gè)知識(shí)圖譜,圖譜平均日訪問(wèn)量可達(dá)300余次。

圖5 知識(shí)平臺(tái)框架

2.2.4安全能力

安全能力是數(shù)字孿生流域建設(shè)的“屏障”,重點(diǎn)在于以數(shù)字資產(chǎn)的全過(guò)程可信服務(wù)為目標(biāo),以安全伴生為理念,形成數(shù)據(jù)安全“識(shí)別、防護(hù)、檢測(cè)和響應(yīng)”為一體的智能化、主動(dòng)化、持續(xù)化的數(shù)據(jù)安全防護(hù)體系。為保障數(shù)字孿生流域系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全及水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全,全省結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)現(xiàn)狀,對(duì)全省網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系升級(jí)增強(qiáng),從物理和環(huán)境安全、網(wǎng)絡(luò)和通信安全、設(shè)備和計(jì)算安全、應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全四個(gè)層面進(jìn)行技術(shù)保障體系建設(shè)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)、應(yīng)急處置平臺(tái)及安全伴生系統(tǒng),通過(guò)全過(guò)程感知、全流程處置、全周期監(jiān)管,實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)的全盤可控,提升水利數(shù)據(jù)從采集、存儲(chǔ)、處理、交換的安全能力,保障防汛、水資源配置、水利工程管理等水利業(yè)務(wù)開(kāi)展全過(guò)程的智能防護(hù)保障。

2.3 數(shù)據(jù)場(chǎng)景應(yīng)用

數(shù)據(jù)供給和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的均衡協(xié)同,是水利數(shù)據(jù)資本化的關(guān)鍵。一方面,需要充分利用現(xiàn)有水利數(shù)據(jù)基礎(chǔ),面向水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求,提供更為豐富的數(shù)字化新產(chǎn)品與服務(wù)陽(yáng)臺(tái),滿足數(shù)字化發(fā)展中業(yè)務(wù)需求的結(jié)構(gòu)性升級(jí)需要;另一方面,需要把握數(shù)字技術(shù)的強(qiáng)大賦能力量,加快水利行業(yè)數(shù)字技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的深度融合,豐富水利產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的智能場(chǎng)景應(yīng)用。

2.3.1水利數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)

水利數(shù)據(jù)涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)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)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、高維數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用不足、數(shù)據(jù)資源發(fā)現(xiàn)能力欠缺、數(shù)據(jù)要素缺少合適流通形態(tài)等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與水利產(chǎn)業(yè)的融合,實(shí)現(xiàn)全省水利數(shù)據(jù)的匯聚整合是基礎(chǔ)。為此,江蘇省打造數(shù)據(jù)一體化平臺(tái),匯聚各區(qū)域各流域3093個(gè)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn),產(chǎn)生水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)622519902條,雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)697123960條,預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)519453條,工情數(shù)據(jù)8368713條,為水利數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、資本化提供良好的基礎(chǔ)支撐。

2.3.2數(shù)字孿生底板

數(shù)字孿生底板是智慧水利的“算據(jù)”,是水利數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)化的直觀可視化表達(dá)。江蘇省數(shù)字孿生流域底板的構(gòu)建,以全國(guó)水利一張圖為基礎(chǔ),以江蘇省水利一張圖為底圖(圖6),以統(tǒng)一、權(quán)威、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)化服務(wù)為基礎(chǔ),完善數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)質(zhì)量,優(yōu)化數(shù)據(jù)融合、分析計(jì)算,以分區(qū)、分級(jí)、分時(shí)建設(shè)為原則,以建成含水利部共享的DOM、江蘇省水利0.3m衛(wèi)星影像圖、30mDEM、全省建筑白模數(shù)據(jù)的L1級(jí)數(shù)據(jù)底板,匯聚水情、雨情、視頻、網(wǎng)格化氣象降雨數(shù)據(jù)、部分區(qū)域的防汛物資、倉(cāng)庫(kù)、河長(zhǎng)、斷面、防洪工程基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的L2級(jí)數(shù)據(jù)底板,形成約3萬(wàn)km2的江蘇省水利三維底板,共匯聚27類10TB余涉水基礎(chǔ)數(shù)據(jù),160GB余活態(tài)數(shù)據(jù),內(nèi)置共計(jì)約100億條數(shù)據(jù),日平均增長(zhǎng)約30萬(wàn)條,數(shù)據(jù)集成及治理作業(yè)運(yùn)行共計(jì)約59.7萬(wàn)次。

圖6 江蘇省數(shù)字底版框架

2.3.3智能場(chǎng)景應(yīng)用

以加快推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與水利行業(yè)融合發(fā)展為目標(biāo),以水利需求為導(dǎo)向,緊密圍繞江蘇省數(shù)字孿生流域建設(shè)“2+8”業(yè)務(wù)應(yīng)用需求,升級(jí)水旱災(zāi)害防御系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化、調(diào)度決策智能化、調(diào)度過(guò)程可視化;完善水資源調(diào)度系統(tǒng),構(gòu)建水資源調(diào)度模型,實(shí)現(xiàn)江蘇南水北調(diào)、江水北調(diào)、引江濟(jì)太工程全流程智能化、精細(xì)化調(diào)配與管理;同時(shí)推進(jìn)河湖管理、農(nóng)村水利、水利工程建設(shè)、水利工程運(yùn)行、水政執(zhí)法、水資源管理、水文系統(tǒng)管理、政府管理與服務(wù)等八大應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)水利多場(chǎng)景的數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用,提升水利全業(yè)務(wù)領(lǐng)域智能決策輔助能力,實(shí)現(xiàn)各種資源、能力與服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的敏捷搭建、快速發(fā)布和全面推廣,為數(shù)字孿生流域的全面建設(shè)提供產(chǎn)品化服務(wù)。

2.4 數(shù)字孿生流域建設(shè)

數(shù)字孿生流域通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)的打造,實(shí)現(xiàn)了物理流域和數(shù)字虛擬流域之間的數(shù)字映射,兩者相互融合、相互交互、相互增強(qiáng)。數(shù)字孿生流域的建設(shè)任重道遠(yuǎn),需要強(qiáng)化自主可控核心技術(shù)的創(chuàng)新與改革,提高基于大數(shù)據(jù)和人工智能的數(shù)據(jù)分析及智能決策能力,加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與試點(diǎn)先行,逐步推進(jìn)數(shù)字孿生流域工作的建設(shè)和推廣。

2.4.1國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用

深度踐行安全自主可控,依據(jù)《信創(chuàng)工程實(shí)施方案》,打造軟件自主研發(fā)新環(huán)境,打通數(shù)據(jù)資源和公共服務(wù)資源鏈路,建設(shè)江蘇水利數(shù)據(jù)治理管理平臺(tái)。同步在線安全伴生系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)分類分級(jí)保護(hù)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)與安全事件快速溯源等能力。比如:創(chuàng)建工控管理提升新計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵水利工控核心設(shè)備和軟件的國(guó)產(chǎn)化替代;引進(jìn)視頻集成融合新技術(shù),建設(shè)符合《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)信息安全技術(shù)要求GB 35114—2017》等相關(guān)規(guī)范要求的信創(chuàng)視頻監(jiān)控平臺(tái)等。

2.4.2水利智能中樞建設(shè)

水利部黨組先后召開(kāi)系列會(huì)議,印發(fā)《大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法(試行)的通知》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求(試行)>的通知》《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱(試行)>的通知》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)>的通知》等系列文件,江蘇省深度響應(yīng)部委要求,加快數(shù)字孿生流域建設(shè)共建共享步伐,打造“水利智能中樞”,托舉省、市、縣各類工程建設(shè),建設(shè)具有自主產(chǎn)權(quán)的普適性水利數(shù)據(jù)治理管理、服務(wù)數(shù)字孿生建設(shè)的操作系統(tǒng),高效融通數(shù)據(jù)資源,實(shí)現(xiàn)模型與知識(shí)體系相輔相成,為數(shù)字孿生流域提供基礎(chǔ)算據(jù)、算法和知識(shí)等能力支持。同時(shí),推進(jìn)全省水利數(shù)字資產(chǎn)跨部門、跨層級(jí)、跨地區(qū)的整合共享,安全防護(hù)、優(yōu)化配置和賦能服務(wù),提升水利精細(xì)化管理和精準(zhǔn)化決策水平。

2.4.3數(shù)字孿生技術(shù)試點(diǎn)

重點(diǎn)加強(qiáng)新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合。依托“AI+”技術(shù)打造數(shù)字底板,構(gòu)建細(xì)節(jié)豐富、高度還原的大范圍三維數(shù)字孿生場(chǎng)景,滿足數(shù)字孿生流域?qū)Ω哔|(zhì)量三維地理鏡像空間的需求,同時(shí)具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的立體感知和全面互聯(lián)體系建設(shè);強(qiáng)化規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程、運(yùn)行工況等全生命周期智能化管理體系建設(shè);基于區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、不可篡改、可追溯的特性,在智能中樞實(shí)現(xiàn)高效率、無(wú)中心化代理、大規(guī)模、高度安全的水信息資產(chǎn)交互方式。

2.4.4數(shù)字孿生流域試點(diǎn)

根據(jù)《江蘇智慧水利指導(dǎo)意見(jiàn)》《加強(qiáng)水利工程建設(shè)數(shù)字化工作意見(jiàn)》,圍繞習(xí)近平總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)代水利工作思路,按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求,以“數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為目標(biāo),綜合考慮示范引領(lǐng)、地理區(qū)域、基礎(chǔ)條件、水管理水平等因素,依托江蘇省水利智能中樞算據(jù)、算法和工具引擎的能力支撐,開(kāi)展部、省級(jí)數(shù)字孿生試點(diǎn)建設(shè),賦能水災(zāi)害防御、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作等智能應(yīng)用,構(gòu)建形成“及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、全面精準(zhǔn)預(yù)警、同步仿真預(yù)演、精細(xì)數(shù)字預(yù)案”的“四預(yù)”能力貫穿于流域管理的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,試點(diǎn)建設(shè)方案需特色鮮明,具有丘陵山區(qū)流域和平原河網(wǎng)區(qū)等不同地形的數(shù)字孿生建設(shè)的典型性和代表性。以數(shù)字太湖湖體聯(lián)動(dòng)建設(shè)“引江濟(jì)太”骨干河網(wǎng)、湖庫(kù)、城市包圍、重點(diǎn)樞紐工程等組成的水網(wǎng)“綱、目、結(jié)”數(shù)字孿生工程集群;推進(jìn)建設(shè)長(zhǎng)江江蘇段“一線多點(diǎn)”的孿生集合場(chǎng)景,以秦淮河流域?yàn)槭痉?研制全省統(tǒng)一的數(shù)字孿生智能中樞,對(duì)全流域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字映射,動(dòng)態(tài)交互預(yù)演洪水淹沒(méi)、水質(zhì)演變、水利工程調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等場(chǎng)景,滿足多目標(biāo)調(diào)度決策需求;建設(shè)駱馬湖、新沂河、?？陂l一線的數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)字流域之間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互融合。建立駱馬湖、沂河和中運(yùn)河水動(dòng)力模型,形成預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的預(yù)報(bào)調(diào)度決策系統(tǒng);打造南通主城區(qū)100平方千米的數(shù)字孿生水網(wǎng),構(gòu)建南通水利智能中樞服務(wù),建設(shè)城區(qū)水災(zāi)害防御四預(yù)決策應(yīng)用系統(tǒng),提供城區(qū)活水調(diào)度決策數(shù)據(jù)支撐,建設(shè)水利工程精細(xì)化管理助手。

3 結(jié) 論

水利是九大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之首[18],在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代,發(fā)展水利數(shù)字經(jīng)濟(jì),推動(dòng)水利業(yè)務(wù)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化,促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合,能有效促進(jìn)水利產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),帶動(dòng)水利行業(yè)乃至涉水行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)支撐,助力了數(shù)字經(jīng)濟(jì)與水利業(yè)務(wù)的深入融合。本研究研究了多源異構(gòu)海量分散水利數(shù)據(jù)的要素化轉(zhuǎn)型,從水利數(shù)據(jù)資源化、資產(chǎn)化、資本化角度構(gòu)建了規(guī)范、統(tǒng)一、精準(zhǔn)、完整、安全的水利數(shù)據(jù)要素化體系,加快釋放了水利數(shù)據(jù)的價(jià)值,有效推動(dòng)了我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)在行業(yè)中的應(yīng)用升級(jí),充分釋放了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的外溢效應(yīng)和倍增效應(yīng);并從萬(wàn)物互聯(lián)與萬(wàn)物智聯(lián)、數(shù)據(jù)與中樞、供給側(cè)與需求側(cè)、物理世界與虛擬世界“四個(gè)協(xié)同”維度,探討了水利數(shù)據(jù)要素化體系在江蘇省數(shù)字孿生流域建設(shè)中的實(shí)施路徑,借助數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,加速江蘇省數(shù)字孿生流域建設(shè)步伐,助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。