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加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系

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发表时间：2021-12-08 17:12
       内容来自《中国水利》杂志2021年第20期文章《加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系》。作者蔡阳、成建国、曾焱、张阿哲。
蔡阳，主任，正高级工程师；成建国，正高级工程师；曾焱，正高级工程师；张阿哲，会计师。
在水利部“三对标、一规划”专项行动总结大会上，水利部党组书记、部长李国英提出将智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六大实施路径之一以及新阶段水利高质量发展最显著的标志之一，应按照“需求牵引、应用之上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称“四预”）功能的智慧水利体系。智慧水利总体框架见图1。

图1 智慧水利总体框架图


一、充分认识推进智慧水利建设的重大意义
水利部党组高度重视智慧水利建设，水利数字化、网络化、智能化等方面都取得了明显进展。到2020年年底，数字化方面，初步形成了43.36万处点组成的水利综合采集体系，全国水利一张图正式发布并得到积极应用，高分辨率卫星遥感实现了全国年度全覆盖。
网络化方面，全部地市级以上水利部门和80.5%的县级水利部门接入水利信息网，99.7%的地市级以上水利部门和90.7%的县级水利部门接入视频会议系统，初步构建了省级以上水利部门网络安全防护体系。
智能化方面，有11.7%的智能视频监控，8类河湖“四乱”现象实现遥感影像人工智能（Artificial Intelligence，AI）识别，大数据应用初见成效，在11个单位开展智慧水利先行先试工作。
但是，与水利高质量发展的需求相比，智慧水利仍存在明显短板和薄弱环节。数字化方面，感知覆盖范围不足、监测要素不全、技术手段不够先进，例如50%的中小河流没有监测设施、大部分中小水库和堤防未开展安全监测。
网络化方面，网络覆盖和带宽还不能满足需要，网络安全防护能力不强，工控网建设差距大，如近20%的县级水利部门尚未接入水利业务网，大型水利工程仍以现地控制为主。
智能化方面，模型能力不足、支撑决策精准化程度不高，例如预报以集中式、经验性模型为主，预警能力不足，预案精细化程度不够，预演能力难以支撑多方案优选。
进入新发展阶段，大力推进智慧水利建设非常必要且迫切。

一是贯彻习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和关于网络强国的重要思想的迫切需要。
习近平总书记站在国家安全和战略全局的高度提出“十六字”治水思路，为推进新时代治水提供了根本遵循，并就网络安全和信息化提出一系列新思想新观点新论断，形成了关于网络强国的重要思想，指出网信事业代表着新的生产力和新的发展方向，应该在践行新发展理念上先行一步。
践行“十六字”治水思路，建设数字中国，必须统筹推进水利业务与信息技术深度融合，通过智慧水利建设提升水利数字化、网络化、智能化水平，驱动水利现代化发展，提高国家水安全保障能力，更好地支撑我国社会主义现代化建设，实现治水为民、兴水惠民。

二是落实国家“十四五”规划纲要的必然要求。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出了“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”的明确要求。对表对标这一要求，必须充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，建设数字孪生流域，以“四预”功能的实现提升水情测报和智能调度能力，推动水利治理方式变革，统筹发展与安全，助力实现经济行稳致远、社会安定和谐。


三是推动新阶段水利高质量发展的实施路径。
我国已进入了全面建设社会主义现代化国家的新阶段，经济社会发展发生深刻变化，新发展格局正在加快构建，高质量发展是“十四五”乃至更长时期我国经济社会发展的主题，关系我国社会主义现代化建设全局。
充分发挥信息化对经济社会发展的驱动引领作用已形成全社会共识，水利是经济社会发展的基础性行业，为实现新阶段水利高质量发展，有力支撑全面建设社会主义现代化国家，必须深刻认识智慧水利是新阶段水利高质量发展的最显著标志之一，按照水利部党组要求，将智慧水利作为新阶段水利高质量发展的重要实施路径大力推进，建设数字孪生流域，构建数字化场景、开展智慧化模拟、支撑精准化决策，提升水旱灾害防御、水资源集约节约安全利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理能力，推动水利向形态更高级、基础更牢固、保障更有利、功能更优化的阶段演进。


二、准确把握智慧水利建设的思路与目标


李国英部长在讲话中明确提出，智慧水利建设要按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径。


1. 遵循总体要求
一是坚持需求牵引。
要求智慧水利建设从党和国家事业发展的全局出发，立足水利部门职责，认真开展业务需求分析，掌握水利业务的目标、流程、功能、数据等需求，将需求作为智慧水利规划设计、建设管理的基本依据。

二是坚持应用至上。
要求推动水利业务与新一代信息技术的深度融合，业务部门是智慧水利系统的用户，负责需求分析、业务应用等工作，要会用、善用智慧水利系统为水利治理管理和决策提供支撑；网信部门要提供技术支持确保建成的系统管用、实用、好用。

三是坚持数字赋能。
要求业务部门要善于用数据说话、用数据管理、用数据决策，推动水利业务智能化，发挥数字化、网络化、智能化对水利现代化的加速器、催化剂作用，推进水利决策科学化、水利治理管理精细化、水利公共服务高效化。

四是坚持提升能力。
要求在预报、预警、预演、预案功能的支撑下，提升水旱灾害防御、水资源集约节约安全利用、水资源优化配置和大江大河大湖生态治理保护等能力。


2. 紧扣实现路径
一是构建数字孪生流域。
以自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息为主要内容，对物理流域进行全要素数字化映射，并实现物理流域与数字流域之间的动态、实时信息交互和深度融合，保持两者的同步性、孪生性。
数字化映射是数字孪生流域的基础，重点是构建数字化流场，主要任务是建设数据底板，为智慧水利提供海量数据支撑。建设内容包括物理流域的自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会等对象，感知要素就是这些对象的各类属性，如自然地理的地形地貌、干支流水系的水文、水利工程的安全监测、经济社会的农作物产量等要素。
主要技术手段是物联感知操控、数字化表达、数据融合供给、虚实融合互动等。物联感知操控主要对各类要素进行感知、对各类控制设备进行远程操控，为数字孪生流域提供数据源；数字化表达主要是构建多维多时空数据模型，对物理流域产生的不同类型、不同形态、不同来源的数据进行有序组织；数据融合供给是以数据流的方式为模型、业务应用提供海量数据服务；虚实融合通过虚拟现实、增强现实、混合现实等技术实现物理流域与数字孪生流域的互动，如通过多路镜头在数字孪生流域实时重建河道，并通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）等技术进入数字孪生流域进行巡河。


二是开展智慧化模拟。
智慧化模拟基于数字孪生流域，通过集成耦合多维多时空尺度高保真数学模型，构建数字孪生流域模拟仿真平台，支撑水利业务全要素“四预”的模拟仿真。
数学模型是数字孪生流域的核心，重点是通过预演发现问题和薄弱环节，主要任务是构建水利专业模型、智能模型和可视化模型等组成的模拟仿真平台，为智慧水利提供细化、量化、动态、直观的计算分析等功能支撑。建设内容主要包括水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水环境、水土保持、水利工程安全等7大类专业模型，遥感AI、视频AI、自然语言处理等智能模型，以及自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会等场景的可视化模型。
主要技术手段是模拟仿真推演、可视化呈现、空间分析等，模拟仿真推演是通过物理实体、业务流程等参数的模拟计算进行空间推演、过程分析，为预演提供驱动，如“降雨—产流—汇流—演进”过程推演；可视化呈现通过实时渲染展现物理实体、业务流程，展现流域全貌大场景直到工程细节，为预演提供形象直观效果，如洪水漫堤等场景渲染；空间分析结合时空网格、空间定位等服务，提供空间数据相关计算、分析、查看以及路径规划、漫游、可视域分析、场景标注等能力，为预演提供空间计算分析功能。


三是支撑精准化决策。
精准化决策是在防洪调度、水资源管理与调配、水生态过程调节等预演的基础上，生成决策建议方案。支撑精准化决策是数字孪生流域的目标，重点是制定最优化方案以便最大程度规避风险、减少损失、提高效益，主要任务是建设知识平台，为规划、工程调度、治理管理措施等方面的多方案比选提供支撑。建设内容主要包括业务规则、历史案例、专家经验等知识。
主要技术手段包括知识图谱、自学习自优化等，知识图谱是将国家有关法律法规、历史经验教训、流域区域规划、工程调度方案等，支持事件正向智能推理和反向溯源分析，为方案评估优选提供大的决策背景；自优化自学习是利用知识图谱、机器学习等人工智能技术，实现“数据感知—智能识别—知识图谱构建—深度学习—智能决策”的循环，推动数字孪生流域自我优化运行，为“2+N”业务即时和精准决策提供支撑。


3. 锚定建设目标
一是总体目标。
充分运用云计算、大数据、人工智能、物联网、数字孪生等新一代信息技术，建成“四预”功能的智慧水利体系，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，赋能水旱灾害防御、水资源集约节约安全利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。
二是“十四五”时期主要目标。
建设数字孪生流域、“2+N”水利智能业务应用体系、安全可控水利网络安全防护体系、优化健全水利网信保障体系，建成七大江河数字孪生流域，推进水利工程智能化改造，在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，推进N项业务应用建设，建成智慧水利体系1.0版。
三是2035年远景目标。
各项水利治理管理活动实现数字化、网络化、智能化。


三、全面落实智慧水利建设的重点任务


李国英部长在讲话中指出，要全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系。智慧水利建设主要任务是构建数字孪生流域、建设具有“四预”功能的“2+N”业务应用体系和完善网络安全防护体系。


一是构建数字孪生流域。
以物理流域为单元、时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，推进算据、算法、算力建设。
算据方面，重点是扩展升级水利一张图，构建智慧水利三级数据底板，完善空天地一体化物联感知网。
算法方面，重点是集成耦合水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水环境、水土保持、水利工程安全等多维多时空尺度数学模型，扩展数字化表达和可视化呈现功能，构建知识图谱、业务规则、历史场景和专家经验等知识库，打造数字孪生流域模拟仿真平台。
算力方面，重点是扩展升级水利云平台，完善水利信息网，提供高性能计算存储和泛在网络连接支持。同时，结合重大水利工程数字孪生工程建设，加快开展数字孪生流域建设。


二是建设流域防洪系统。
在国家防汛抗旱指挥系统的基础上，扩展定制流域防洪数字化场景，升级完善流域防洪“四预”功能，补充综合旱情监测预测和淤地坝洪水预报功能，搭建防汛抗旱“四预”业务平台。数字化场景方面，扩展中小河流、中小水库等信息感知，补充流域下垫面、经济社会等数据。
预报方面，集成“降水—产流—汇流—演进”全过程模型，实现气象水文、水文水力学耦合预报以及预报调度一体化。
预警方面，扩展防洪风险影响和薄弱环节判别、主要江河风险防控目标识别等功能，提高洪水预警时效性、精细化和覆盖面。
预演方面，扩展模拟计算和动态仿真等功能，支撑防洪调度方案集合生成。
预案方面，集成各类防洪方案、调度规则和专家经验，扩展方案自动生成、多方案比选等功能，支撑形成防洪调度决策优化方案。旱情综合监测预测方面，主要是建设综合旱情一张图。


三是建设水资源管理与调配系统。
在国家水资源监控能力建设项目、国家地下水监测工程的基础上，完善水资源管理与调配数字化场景，扩展升级水资源监管预警、调配管理决策、节约用水管理服务等功能，搭建水资源管理与调配综合平台。
数字化场景方面，整合水资源总量、可用量、分配量等基础数据，汇集重要断面、取退分水口、取用水户等监测数据，共享税务、统计等部门相关数据，打造水资源管控一张图，动态掌握并及时更新水资源监测计量台账。
水资源监管预警方面，完善水资源承载力、预警等模型，扩展超许可取水、生态流量、取用水总量、地下水双控等功能，实现流域区域取用水的精细化管理和超前预警，支撑水资源刚性约束制度实施与监管。
调配管理决策方面，构建来水预报、需水调配、水量分配、水量调度等模型，开发不同来水、调度措施、调度目标下的调度预演以及多方案比选等功能，支撑提前规避风险、制定预案，为国家水网智慧调度奠定基础。


四是建设N项业务应用系统。
完善水库基础数据同步更新和监测数据汇集交换体系，扩展完善水库、水闸等注册登记以及病险水库项目管理等功能，建设水利工程安全管理运行预演应用，提升水利工程安全运行监控和智能化管理水平。升级水土保持信息管理系统，提高卫星遥感监测精度和更新周期，开发水土流失监测分析计算模型，扩展完善生产建设项目监督、综合治理全过程智能监管、重要淤地坝监控和安全风险预警等功能，支撑水土保持智慧化管理。
完善河湖长制管理信息系统，整合集成河湖管理范围划定成果、岸线保护和利用规划、涉河建设项目审批、河道采砂规划、河道采砂许可、卫星遥感、视频监控、互联网舆情等数据，扩展河湖管理保护突出问题遥感智能识别、视频智能分析及舆情自动分析预警等模型，升级完善河湖长制、水域岸线管理、河道采砂等方面的巡查、详查、核查、复查功能，构建支撑查、认、改、罚全生命周期的河湖监管平台，实现河湖监管问题的发现上报、复核抽查、跟踪问责、问题销号的全过程闭环管理，支撑河湖长制从“有名有责”到“有能有效”。
扩展农村水利水电信息管理系统，建立农村供水工程名录台账、供水问题台账，推动农村供水基础信息动态更新及管理信息填报，制作全国农村供水专题图，推进千吨万人供水工程在线监测，打造农村供水智慧管理样板，实现农村供水工程数字化管理。
节约用水管理服务方面，构建区域与行业节水潜力评估、水效评估等模型，以国家水资源监控系统为基础，依托有关项目整合节水相关信息系统和信息资源，构建节水管理与服务平台，实现水利部门与用水单位网络互联、管理互动，推动计划用水、用水定额对标达标、节水技术产品发布、节水载体等业务线上办理，强化用水总量与强度双控信息化管理，为国家节水行动提供支撑。
同步推进南水北调智慧运行和安全监管、水行政执法、水利监督、水文管理、水行政、水利公共服务等业务应用建设。

五是构建网络安全体系。
网络安全体系主要是升级完善安全管理、安全监督、安全技术等方面。其中，网络安全管理体系主要是建立制度、规范、流程和规程构成的网络安全管理制度标准体系，覆盖网络安全组织管理、人员管理、建设管理、运维管理、应急响应和监督检查等工作。网络安全监督体系主要是开展日常威胁预测、威胁防护、持续检测、响应处置等工作。
网络安全技术体系主要是开展行业网络安全基础防护能力、监测分析和应急响应网络安全态势感知预警及应急处置能力建设，特别是水利关键信息基础设施、行业重要数据等安全保护能力等建设。


四、强化责任落实和资金投入，多方位保障智慧水利建设
一是落实责任。
各级水利部门党委（党组）要充分发挥总揽全局、协调各方的领导核心作用，建立网信部门牵头抓总、综合部门沟通协调、业务部门组织需求分析和应用、运维部门系统维护管理的有效机制，确保责任落实到人到位。

二是加大投入。
各级水利部门要将智慧水利重点任务以重点工程等方式加快落实和推进，积极争取资金投入，拓宽项目资金来源，统筹资金渠道，利用中央预算内投资、中央财政及地方财政等推进智慧水利建设。新建水利工程必须按照智能化的要求和标准建设。结合国家水网建设推进已建水利工程智能化改造。


三是加强监督。
各单位要按照智慧水利建设系列文件和本单位要求，对重要任务实行清单管理、挂图作战，将智慧水利建设工作纳入议事决策和事项督办范围，加强督促检查。


四是建强队伍。
加强水利网信人才队伍建设，制定专门人才政策，完善工程建设、科学研究等人才的稳定措施，着重加强网络安全和业务系统运行维护人才的保障措施，创建有利于人才发展的良好环境。探索创建智慧水利创新人才培养基地，建立常态化、持续化的人才培养体系，加快培养出一批既懂水利又懂网信的复合型人才。
文章来源：山泽研习社



文章分类： 行业资讯
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