智慧黄河概念与内容研究

2021-11-01寇怀忠

水利信息化 2021年5期

寇怀忠

（黄河水利委员会网络安全与信息化领导小组办公室/信息中心，河南郑州 450003）

国家已将黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略，正致力于“让黄河成为造福人民的幸福河”[1]；国民经济和社会发展第十四个五规划已明确要求，“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”[2]。水利部把智慧水利作为新阶段水利高质量发展的标志，明确了总要求、目标、主线、途径等，在大力谋划推进建设[3]。国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出建设智慧黄河，并且黄河流域生态保护和高质量发展水安全保障布局已将智慧黄河作为重要措施[4]。新发展阶段，对标智慧水利总要求，基于数字黄河工程取得的丰富成果[5-6]，开启智慧黄河十分重要，且具备良好基础。

1 准确理解智慧水利总要求

水利部部长李国英提出了推进智慧水利建设的总要求，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、精准化决策为途径，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系。

“需求牵引、应用至上”是智慧水利的本质要求。“需求牵引”就是以全面的职能职责业务需求目标实施智慧水利建设；“应用至上”就是建成的应用系统要好用、管用，提供的决策支持科学、精准，业务部门要主动用、善用。

以数字化、网络化、智能化为主线，主线的表述就意味着先数字化、再网络化、再智能化的递进发展的内在逻辑，也意味着发展的阶段性。水利业务过程及水利对象的数字化、网络化是智能化的基础；水利业务及其对象的智能化好比智慧水利宫殿上的明珠，又可以对数字化、网络化有引领作用。

以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为途径，途径的表述就意味着推进有先后的逻辑关系，功能实现有内在的前后支撑依赖关系。数字化场景是实现智慧化模拟的基础，可以为智慧化模拟提供需要的自然、经济社会及生态数据；智慧化模拟是精准化决策的前提、源脉；精准化决策是智慧化模拟服务的目的。

全面推进算据、算法、算力建设，根本在算据、数据，焦点在算法，效率在算力。必须优先建设泛在、互联、安全的水利物联态势感知网，采集动态更新的全息数据。没有数据上的巨大进步，算法的能力就不会有实质提升。

同时，智慧水利建设要遵循“大系统设计，分系统建设，模块化链接”的原则[7]，强调了设计要站位大局、整体，建设要从分项业务开始，打牢基础；同时，要注重体现业务之间的关联性、互动性，通过模块化链接的方式，实现支撑跨业务的综合决策应用功能。

数字孪生[8]、智慧化等，是水利高质量发展新阶段智慧水利区别数字水利的最显著的特征；同时，智慧水利与数字水利有许多共同内容，如业务与对象的数字化、网络化等，对智慧水利仍然是非常基本和重要的。

2 智慧黄河工程的概念和参考框架

立足流域整体，站位黄河流域生态保护全局和高质量发展，广义讲，智慧黄河就是以人与自然和谐共生理念为指导，以让黄河成为造福人民的幸福河为目标，以科学完善的管理体制机制、法律法规、制度标准、工程技术、信息通信技术等多要素有机驱动，实现黄河流域自然水系、经济社会、水生态环境三者健康和谐共生的动态平衡状态。

可以说，智慧黄河是智慧水利在黄河流域的具体实现，是以新一代信息通信技术为主要创新驱动，实现黄河流域水资源水生态保护治理向更高级发展形态转型的新阶段。其参考框架由以下 5 个基本层次组成：

1）流域管理体制机制层，是实现流域保护治理的组织管理基础。

2）流域保护治理的法律法规层，是履行流域管理职责、机制正常运行的法律法规保障。

3）制度标准层，是黄河保护治理所需要的业务和技术标准要求。

4）水利工程技术层，是实现黄河保护治理的硬核层、根本手段，如水库、堤防、取退水涵闸泵站等。

5）信息通信技术层。为赋能层，对上面 4 层进行赋能和能力提升，实现流域物理空间和社会空间向信息空间的数字映射，并以孪生体的形态进行双向互动、作用。

智慧黄河的 5 个基本层是一个有机整体，共同作用，缺一不可；任何一层都无法单独实现黄河流域自然水系、经济社会、水生态环境三者健康和谐共生的动态平衡。

但是，在建设推进的实践过程中，可以从行业或者特定空间范围对智慧黄河有更具体的理解、定位，如智慧生态黄河、智慧山东黄河等，同时也将伴有阶段性特点。

从黄河流域保护治理和水安全保障的角度及信息通信技术层讲，智慧黄河就是充分利用新一代信息通信技术建设数字映射体系，将黄河流域及其影响区域内的物理空间要素和相关的经济社会空间要素同构映射到信息空间，形成流域数字流场，生成重点对象数字孪生体，基于数学模拟系统，构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧应用体系，实现黄河流域保护治理和水安全保障智慧化的新形态。

其中：1）数字映射体系是利用“天-空-地-网-人”一体化数据感知技术采集处理相关数据的，具有安全性、精确性、敏捷性、动态性、全息性等要求。2）要素同构映射，要求对流域物理和社会空间相关对象在信息空间中一对一创建数字化对象，同时保持对象间的逻辑关系。3）重点对象数字孪生体，针对在黄河流域保护治理和水安全保障发挥重要作用的流域物理和社会空间的对象建立数字孪生体，如水库、险工控导工程、水文站等。4）数学模拟系统核心包括各类业务逻辑处理、水文水动力学机理、大数据驱动的数学和人工智能等模型，可对黄河保护治理相关事件的时空趋势洞察分析，模拟仿真。

智慧黄河在建设发展过程中，将遵循智慧水利提出的要求、绘画的主线、制定的路径，使命是赋能黄河流域水旱灾害防御、水资源节约利用、水资源优化配置、河湖生态保护治理。在实践效果上，智慧黄河必须具备现势感知、趋势预判、势态掌控等 3 个方面的能力，具体表现为 6 个特征：水沙情势可感知、资源调配可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同、人水和谐可测控、系统安全可保障。智慧黄河的能力特征如图1 所示。

图1 智慧黄河的能力特征

其中：1）人水和谐可测控。测是指为了维持黄河流域自然水系、经济社会、水生态环境三者间的健康动态平衡，对应的具备法律约束的各种量化指标（如水资源取用、工农业节水减排、水资源纳污承载能力、水生态水环境等指标）应该且必须是可测度的；控要求在相关指标偏差超过设定的阈值时，应能够进行预报预警，并模拟仿真提出控制调整的方案。2）系统安全可保障。系统是指水利工程和网络信息系统：水利工程安全要通过信息化手段赋能，提高安全运行系数，做到工程安全状态及时掌控，安全风险可管理；网络信息系统面临巨大安全挑战，要按标准加固网络安全，做到风险主动感知、有效管控、确保安全。

3 智慧黄河工程主要内容

对照智慧水利的要求，智慧黄河工程主要内容包括三大方面。

3.1 构建数字孪生流域，形成强大的流域数字化场景

建设黄河流域数字化场景，将黄河流域影响区域内的自然地理、经济社会和生态环境的历史和现势状态映射到信息空间。数字化场景主要对象包括：1）流域空间基础地理，如流域地形、水系、湖泊、河势、道路等；2）水利工程，如水库、淤地坝、堤防、取退水涵闸、工程险情等；3）雨水沙情，如流域历史降雨、历史洪水、河道输淤沙、历史洪旱灾害等；4）经济社会，如影响区内的产业、经济、农业结构、人口等；5）生态环境保护，如黄河源生境、脆弱区植被覆盖、湿地、重点区水土流失、重大历史环境事件等。上述对象的数据具有多时空粒度、多物理度量、多时态变化、时空连续、多相态展现等特性，其采集获取通过数字映射体系实现。这些数据由智慧黄河统一的大数据管理平台进行管理；要按照标准的数据模型结构，经过系统化标准化加工处理、重构，融合成黄河流域二三维数字地图，以及数字高程、数字正射、工程 BIM 等模型，并叠加雨水沙和经济社会数据，构成黄河流域数字化场景。黄河流域数字化场景为模型算法、大数据分析、业务智能等组件运行提供数据动力。

构建黄河数字孪生流域，要着力实现流域重点对象与其孪生体的孪生性。物理对象与对应的数字孪生体间的孪生性表现为结构拓扑同构、内在属性相同、时变状态相同、演进机理相同、信息能量实时传递和闭合循环等方面。构建黄河数字孪生流域，不是要为黄河流域保护治理涉及的每一个物理对象在信息空间都构建对应的孪生体，而是要根据物理对象在黄河流域保护治理整体中的重要程度，有选择地构建数字孪生体；同时，即使为物理对象构建数字孪生体，也要依据物理对象的重要程度、孪生性的强度而有所不同。如：在水利工程中，小浪底、三门峡、万家寨等控制性水库在防洪抗旱减灾，水资源配置调度，调水调沙等工作中发挥极为重要的作用，就要为其构建孪生性极高的数字孪生体；黄河下游滩区及蓄滞洪区是重要对象，同样需要构建数字孪生体，但其孪生性的强度可以比水库的弱一些。对于非常重要的物理对象而言，演进机理相同这一孪生特性尤为重要，其实现要借助数学模拟系统完成。

3.2 构建数字孪生流域模拟仿真平台，支撑智慧化模拟分析

流域模拟仿真平台核心是数学模拟系统，由以下 3 个部分构成：

1）算据。即数据，解决平台输入，用于训练模型算法。主要有以下 3 类：a. 训练模型算法的样本数据，如历史洪水、灾情、降雨产汇流、气象、险情、蓄滞洪区等数据，要建立主题数据仓库，高效管理维护样本数据；b. 模型参数数据，同一个模型算法在不同的时空物理条件下都有相适应的一组复杂参数，如河道水沙演进模型需要的参数（如河床糙率、河道地形计算网格）极为复杂且是时空变化的，必须建立模型参数库，对模型的参数进行标准化、规范化，统一管理；c. 业务规则及标准数据，如河道断面的生态流量指标、最严格水资源约束红线指标、特定区域的水环境承载能力指标等，要建立知识库，进行规范管理。

2）算法。即各类模型，包括机理、AI、规则等模型，解决平台智能，将数据转换为知识。主要包括气象、降雨、产汇流、河道水沙演进、冰凌、降雨产输沙、溃堤溃坝、水库调度、河口演进、水资源配置调度、水生态流量预警、水土流失侵蚀、工程运行安全、河流-经济社会-生态平衡度评价等类别的模型。在给定时空边界约束下，这些模型或模型组合可以模拟预演可能发生的变化。如河道二维水沙演进模型可以模拟出水沙流速分布、水淹面积、水位、断面水宽等；再如，对应给定的来水过程，水资源配置调度模型，可根据人口、工业生产、农作物生长周期等因素，模拟计算出生活、工业、农业、河流生态之间的水量配置调度过程。这些模型对应的算法，有的是基于机理的，如河道径流演进的圣维南模型及马斯京根模型，也有基于大数据驱动的 AI 算法，如基于神经网络算法的水资源配置模型；同时，也有基于业务规则的算法。实现时，这些模型都分解成标准规范的最小化模型服务组件，如模型训练、数据预处理、结果可视化等组件，要建立弹性高效的模型服务组件管理库，管理模型组件的注册、增减、更新、升级、调用、配置等。

3）算力。算力是指系统计算处理数据的速度，即支撑模型运行和结果展现的软硬件环境，解决平台计算能力。流域模拟仿真平台算力主要体现在硬算力和软算力。硬算力主要通过建设高性能物理计算机组成的云计算服务网络提供。软算力要利用先进成熟的技术，搭建高可靠高性能的云计算运行和管理服务计算体系，具备并行、分布、流等计算能力，满足以数据为中心和计算为中心的多模式计算；建设多态数据存储和计算的云数据管理网，具备内存计算管理、OLTP（联机事务处理过程）、高 I/O 等能力，高效管理海量时空数据；采用先进的 GIS，BIM，VR/AR 等技术，搭建计算可视化虚拟现实环境。

3.3 构建智能业务应用体系，支撑精准化决策

对标“大系统设计，分系统建设，模块化链接”，必须总体设计黄河保护治理业务应用系统，分步推进业务子系统建设。

1）水旱灾害防御及水资源管理方面。其数字化、网络化、智能化是首要的。需要整合已有资源，继续提升数字化、网络化水平，着力提升“四预”能力。要充分利用物联网、5G、卫星遥感等技术，进一步健全水旱灾害防御及水资源配置调度全要素数据监测体系，实现要素感知采集全覆盖；加快重点水利工程的数字化、智能化建设，提升水利工程运行的“四预”水平，提升流域工程群联合运行调度的“四预”能力。优先推进重大水利工程及黄河小花河段及下游河段数字孪生建设。

2）水行政管理方面。要围绕赋能水行政监督管理、水政监察、水行政和水资源保护执法等，推进全业务流程的数字化、网络化；同时，基于制度、规则及水政历史数据，逐步建立水政执法的规则模型和数据驱动的模型，提升水行政业务的预报预警能力。

3）河湖管理方面。围绕水生态环境保护、水生态空间管控、河道岸线河口管理和保护，加快全业务流程的数字化、网络化；充分利用卫星遥感、GIS等技术，监测河湖管理保护的状态，建立时空数据分析模型，对河湖管理进行预测预警；建设黄河流域河长制工作系统，实现与省区河长制系统互联、信息共享、工作协同。

4）水利工程建设管理与运行方面。建设覆盖水利工程全生命周期的管理系统，对重点工程建设数字孪生体；利用物联网、北斗卫星、5G、大数据分析等技术，建设水利工程运行安全状态监测预警系统，实现工程安全状态预报预警，做到险情早预知预判；分门别类建设工程抢险抢修方案库，对于每类工程安全事件，可以准确地推荐应对方案。

5）水利监督方面。建设监管业务全覆盖的全流程监管一张网，及时动态掌握灾害防御、水资源配置调度、河湖管理、水生态保护等业务重点监督对象的变化；基于监督历史数据，利用黄河一张图及时空数据分析模型，站在整个流域的角度，实现对监督对象时空分布变化趋势的预报预警。

6）水土保持方面。着力围绕流域水土流失监测评价、人为水土流失监管、淤地坝安全等建立更加完善的监测体系，逐步形成数字化场景；综合利用卫星遥感、无人机、智能视频、5G 等手段，加大对人为水土流失的监管；加大重点区域水土侵蚀降雨产沙输沙、水土侵蚀评价等模型的研发应用，提升预报预警的能力，掌握水土保持状态的时空变化规律。

共同推进黄河流域自然-社会-生态和谐共生方面，要针对流域内河流水资源禀赋，建立健全发展与约束相协调的量化指标体系，尤其是自然-社会-生态三者之间交互影响制约突出的指标体系；在此基础上建立黄河流域自然-社会-生态和谐共生评价指标体系；以量化评价指标体系为准尺，充分利用大数据、经济社宏观发展、自然生态系统演进等模型，建立河流域自然-社会-生态和谐共生态势监测评价系统，全面动态掌握黄河一盘棋的实际情况和演进趋势，为落实让黄河成为造福人民的幸福河提供全维度、多层次视图的决策支持。