国家智慧水网建设思路与对策——基于数字化转型与国产化自主双轮驱动的视角

叶茂盛，冶运涛，蒋云钟，李剑峰

（1.中国南水北调集团东线有限公司，100029，北京；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，100038，北京；3.水利部数字孪生流域重点实验室，100038，北京；4.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，100054，北京）

实施国家水网工程，是贯彻落实党中央、国务院决策部署，加快完善现代化高质量水利基础设施体系的重要任务，是优化我国水资源配置、全面提高水安全保障能力的根本举措。党的十九届五中全会及经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要明确提出实施国家水网重大工程，并提出加快建设新型基础设施。国家水网工程作为传统基础设施，加快其数字化改造与智能升级，加强泛在感知、终端联网、智能调度体系建设，构建国家智慧水网体系，实现对国家水网工程全生命周期管控，对建设现代化水利基础设施具有重要意义。

一、机遇与挑战

1.加快推进国家水网工程为国家智慧水网建设提供新机遇

为全面提升水安全保障能力，习近平总书记把构建国家水网提升到国家战略高度，要求统筹存量和增量，加强互联互通，加快构建国家水网主骨架和大动脉。为贯彻党的十九届五中全会关于实施国家水网重大工程的部署，认真落实习近平总书记在南水北调后续工程高质量发展座谈会上的重要精神，水利部党组把实施国家水网工程作为推进新时期水利高质量发展六条实施路径之一。《“十四五”水安全保障规划》要求推进传统水利工程向新型水利基础设施转型，加快已建水利工程智能化改造，不断提升水利工程建设运行管理智能化水平；水利部印发的《关于实施国家水网重大工程的指导意见》《“十四五”时期实施国家水网重大工程实施方案》等文件，要求加快构建“系统完备、安全可靠，集约高效、绿色智能，循环通畅、调控有序”的国家水网，加强与新型基础设施建设相融合，以数字孪生工程为重点，推进工程智慧化建设，提升工程数字化、网络化、智能化水平，强化预报、预警、预演、预案能力，提高水资源配置工程调度管理水平。

2.网络强国战略思想实施为国家智慧水网建设提出新要求

习近平总书记高度重视网络强国、数字中国建设，对数字化、网络化、智能化提出系列明确要求。国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要明确指出，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。《国家“十四五”新型基础设施建设规划》明确提出要推动大江大河数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。《“十四五”国家信息化规划》多处提到有关智慧水利建设相关内容，如“绿色智慧生态文明建设行动”章节提出“推进智慧水利建设”，要求“推进新一代信息技术与水利业务融合，完善大江大河监测体系，加强水利大数据应用，加速推进水文、水资源等重要水利数据有序共享。以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”；“建设物联数通的新型感知基础设施”章节把将水利领域公共基础设施的数字化、智能化升级作为建设物联数通的新型感知基础设施的重要任务；“提升数据资源开发利用水平”章节把水利领域作为支持构建规范化数据开发利用场景之一，以提升数据资源价值；“打造一体化智慧化公共安全体系”章节把水利设施作为加强运行态势感知和智能分析的领域之一，以提升公共安全风险识别和预报预警能力；“完善升级乡村基础设施”章节把水利基础设施数字化、智能化转型作为重要行动。

3.数字化转型、国产化替代对国家智慧水网建设提出新挑战

当前我国已建成世界上规模最大、范围最广、受益人口最多的水利基础设施体系。近年，随着长江三峡水利枢纽工程、南水北调中线工程、南水北调东线工程等大型水利水电工程建设，我国拥有了世界领先的工程规划设计技术、机械化施工手段、现代化建设与运行管理能力。但从整体看，受技术和经济制约，我国大部分水利基础设施智能化水平较低，而且采用的信息化设施设备多是国外品牌，带来安全隐患。

（1）数字化智能化建设滞后，距离数字化转型要求相差甚远

目前水网工程信息化系统分散化、碎片化问题严重，尚未形成一体化运营管理模式；数据孤岛严重，数据资源尚未有效利用，无法实现用数据说话、用数据管理、用数据决策；平台化集约化水平低，小而散、小而全建设问题突出，平台化专业化能力不足，投资效能整体不高；智能化水平不足，在感知全面化、控制精细化、决策智能化等方面存在诸多短板，基于数字化智能化基础上的预测、预演、预判尚未实现；调度效能较低，统一调度、精细调度、多级联动调度能力不足，与构建新时期全国水网，实现跨域协同调度、高效运营不匹配、不适应。

（2）关键设备严重依赖国外，自主可控国产化替代任重道远

水利行业的重要网络设施、信息系统被列为国家关键信息基础设施，需要监测、防御、处置来自境内外的网络安全风险和威胁，保护关键信息基础设施免受攻击、侵入、干扰和破坏。目前我国核心元器件严重依赖外国，需要紧紧牵住核心技术自主创新这个“牛鼻子”，抓紧突破网络发展的前沿技术和具有国际竞争力的关键核心技术，加快推进国产自主可控替代计划，构建安全可控的信息技术体系。这些核心业务系统对国计民生、经济运行的安全稳定具有重要支撑保障作用，因此对替代的高稳定性、高可用性、高实时性等提出更高要求。据统计，在南水北调东线等水利设施的信息化和工控设备中，国外设备应用平均占比超过90%，其中，美国设备占比超过80%，国产化设备应用占比不足10%，面临技术“卡脖子”、供应链断供、信息安全不可控等风险。

二、目标与路径

1.发展目标

智慧水网是由物理水网、数字水网和业务水网耦合组成的新型基础设施，通过构建物理水网与数字水网组成的数字孪生水网，支撑业务水网的智慧应用。在数字化转型和国产化替代背景下，统筹发展和安全，国家智慧水网发展目标为以智慧水网理论指导国家智慧水网建设，提升水网工程运行效率效能、保障关键基础设施安全可控、助力国家水网科研创新突破。

（1）提升水网工程运行效率效能

主要是缩短调水计划周期，提高调水精度，降低输水损耗，提高水质达标率和供水保证率，减少用能成本，增强泵机设备稳定性，保证工程设施安全性，大幅度提升各种应用效能指标。

（2）保障关键基础设施安全可控

主要是提高水网工程水量水质在线感知能力、水量水质精准预测能力、一体化水量水质优化配置和联合调度能力、闸泵站群智能化监控能力、安全事故应急响应能力，显著增强国产化自主可控能力。

（3）助力国家水网科研创新突破

主要在自动控制设备、水质水文监测传感器、大型机组在线故障诊断、大型调水工程联调联控模型及仿真、水利设施计算机辅助设计软件等方面突破一批关键技术，带动促进国产生态链产业链的发展。

2.建设路径

国家智慧水网按照“全息状态感知、全态量化诊断、全程精准控制、全域智能交互、全景透明导向”路径开展建设。

（1）全息状态感知

主要包含水网水源、输水、配水、用水、排水各环节设施设备级层面的状态信息及其监控系统运行状态的实时感知，以及各类系统级层面的控制系统运行状态实时感知等，同时还包含各类社会、气象等与水网直接或间接关联的信息。

（2）全态量化诊断

主要采用仿真分析与数据驱动两种模式相结合，实现水网在不同时间尺度、空间尺度下不同稳定问题（静态、动态、暂态等）的安全稳定态势量化评估。主要包含实时运行状态（实时态）、各类预想方式或故障集（预想态）以及未来演变趋势（未来态）三大场景。进一步建立综合反映水网安全稳定水平及设备全生命周期健康指数的实用化量化评价指标体系，方便调度运行人员及设备维护人员直观、精准掌握水网真实运行态势。

（3）全程精准控制

同样采用仿真分析与信息驱动两种模式相结合，主要针对水网实际运行及故障演变过程，采用故障前以经济性为主导的优化预防控制、故障中以安全性为主导的紧急协同控制和故障后恢复控制，确保水网真实运行场景下的全过程安全经济运行。主要在全态量化诊断基础上在线快速识别主控“源（水源）—网（供水网）—荷（用户）”对象及其时空关联关系，建立自适应在线广域协同控制数学模型。采用广义灵敏度技术及高性能鲁棒优化算法，实现大水网全过程精准化广域协同控制，提升大水网安全、经济、综合运行水平和抵御风险能力。同时，在水网设备全生命周期实时监视和评估基础上，实现水网智能设备养护与维修。

（4）全域智能交互

主要面向各级调度指挥中心的调度运行人员，充分利用先进的地理信息引擎和可视化渲染技术，实时、同步、直观展示水网优化的目标靶向系统。另外，采用先进的电子沙盘、多屏互动和语音等人机交互技术，实现调度运行人员与实际水网的智能灵活交互和组态模拟推演，提高调度员对大水网运动特性的深度认知与掌控能力。

（5）全景透明导向

主要在全息状态感知、全态量化诊断、全程精准控制、全域智能交互基础上，通过空间地理信息、状态诊断信息的叠加及展示技术，建立一个与现实物理水网系统动态运行实时同步的虚拟导向系统。该导向系统能够直观展现现实水网系统，以更加科学、合理、优化的目标状态和控制途径，实现现实水网系统的智能评估与科学决策。

三、思路与对策

1.基本思路

国家智慧水网建设应遵循“目标导向，实现重心转变；理念创新，实现动力转变；开放共享，推动机制转变；统筹整合，加快模式转变”的基本思路。

（1）目标导向，实现重心转变

紧密围绕挖潜扩容、提质增效、科学规划、高效建设等发展目标，构建一体化协同化的大数据决策管理平台，有效提升调水的精确精准，实现由工程日常管理为主向以提升效率效能为主的重心转变。

（2）理念创新，实现动力转变

充分利用新技术、新模式、新理念，优化工作流程，创新业务模式，改革管理制度，强化纵横联动协同治理，强化技术供给侧创新和制度创新，实现由投资驱动向创新驱动的动力转变。

（3）开放共享，推动机制转变

充分发挥社会专业机构的作用，积极采用联合攻关、服务外包等模式，促进服务主体、服务方式的多元化，实现由自建自管为主向自有技术力量与社会技术力量双向发力的机制转变。

（4）统筹整合，加快模式转变

加强信息基础设施的统筹整合、数据资源有效汇聚，统筹强化网络信息安全保障，实现由分散化碎片化建设向集约化平台化的模式转变。

2.建设重点

（1）工程立项、项目建设阶段

围绕数据决策、高效建设，开展数字化勘探、数字化设计、数字化论证、数字化仿真、数字化决策、数字化施工、数字化运营研究，为设计阶段论证优化、决策阶段方案比选、实施阶段成本控制、运维阶段精细管理等提供一体化全流程高质量支撑服务。

（2）工程管理、高效运营阶段

围绕挖潜扩容、提质增效，开展降水价、提水质、扩产能、保安全、拓维度（储水储能、生态旅游等）等精准化、精细化、集约化、绿色化的管理运营。

3.技术对策

围绕上述建设重点，梳理了亟须攻克的关键技术。

（1）水质水文水量智能感知和监控预测平台关键技术

①突出问题

主要针对水质水文感知不健全、监测预测不完备，水量库容时间空间分布底数不清、调水供水联调联控缺乏数据模型支撑等问题。

2018年度第五届法国INNODESIGN PRIZE国际创新设计大奖颁奖典礼于11月7日在法国梅斯隆重举行。活动得到了法国梅斯市政厅、法国创意与设计专业委员会及中国驻斯特拉斯堡总领馆的大力支持。今年大奖注重设计与生态、科技、环保、商业相结合，坚持多元与融合的审核标准下，法国INNODESIGN PRIZE国际创新设计大奖专业评审团共收到各国参赛设计作品1607套，其中中方（含港澳台地区）设计师成果丰硕，获得提名作品162套，在平面设计、产品设计、空间设计类等方面获奖作品36套。

②关键技术

研究突破水质监测传感器等国产关键元器件、全光谱污染物快速筛查和溯源、在线质谱监测预警等关键技术；研究突破全网水质变化趋势预测、时空动态演变仿真、污染追踪溯源及影响评估等关键算法；突破多源卫星雷达遥感数据、多维河湖水域岸线数据融合分析、长中短降雨预报预警、水量高精度监控预测模型等关键技术。

③应用目标

构建水质智能监控和综合管控平台，以及河湖水网动态库容和水量滚动预测预报系统，实现调水区域内水质水文实时全面感知监测、水量降雨动态连续监测预测，为精准精确调水、安全高效调水提供大数据决策支撑。

（2）大型机组安全监控及故障诊断系统关键技术

①突出问题

主要针对传统大型机组“周期性、巡检式”维护维修中存在的维修过度与维修不足并存、整体效能不高，设备运行状态在线监测手段有限、数据采集单一、故障诊断时效性差、准确度低，机电传感器、故障分析算法核心技术受制于人等问题。

②关键技术

研究突破传感器国产关键元器件，以及声学指纹识别、细微特征提取技术、低资源非协作深度神经网络建模、泵站机组剩余寿命估计模型等技术。

③应用目标

构建全生命周期智能管理平台，形成故障知识图谱，泵机健康指标体系、运维工作评价指标体系推动由“故障修、计划修”转向“状态修、预测修”，由“经验驱动、流程驱动”转向“数据驱动、事件驱动”新作业模式，有效提升设备健康监测与故障诊断的数字化、精准化、标准化、高效化能力，并为机组厂商设备功能性能提升、产品优化升级等提供大数据精准支持。

（3）多源视频实景融合数字孪生及监控联动指挥平台关键技术

①突出问题

主要针对海量监控视频碎片化、缺乏统一时间轴，空间位置混沌、与物理环境时空割裂，以及视频数据与物联网数据不融合、不联动、指挥调度效率低等问题。

②关键技术

突破多视频流与三维场景的虚实融合技术、基于单幅图像的三维场景结构建模与注册技术、多传感器数据接入与融合等的二维、三维图形图像数据深度融合技术。

③应用目标

实现视频监控与三维地理空间融合，视频监控图像与水环境、水生态、泵机闸门等物联网监测数据整合，报警与智能视频分析结果的快速定位，应急指挥调度与检修任务的全流程巡查与督查等，构建多视频全景图、多信息一张图，显著提升重点大坝水库、重点泵站、穿黄工程等关键位置场所的监控指挥综合能力和应用效能，助力实现少人、无人监控值守。

（4）工程物料统一编码全生命周期管理平台关键技术

①突出问题

主要针对海量工程物料体系不健全、编码不全面、编码不统一、编码不唯一、编码间不兼容、编码分类不清晰、物料资产管理供应链管理效率效能不高、物料防伪溯源能力不足等难题。

②关键技术

研究突破复杂类型大型企业集团物料编码体系架构、物料编码数据模型、多标准体系下异构物料编码系统间编码兼容及数据对接技术、物料编码自动识别及数据采集技术、无线射频识别（RFID）及一维二维条码赋码读写装置自主可控设备等关键技术。

③应用目标

形成涵盖多类型多领域“一物一码、一码一物”的编码标准规范，构建边界清晰、颗粒度匀称的分类编码体系，建立全生命周期管理平台，为实现高效化便捷化物料供应调度、精准化透明化采购链供应链管理、精细化集约化资产跟踪管控等提供基础支撑和技术保障。

（5）数字设计一体化协同平台关键技术

①突出问题

主要针对工程设计数字化、可视化、协同化、模拟仿真能力不足；工程设计、建造、运维各阶段割裂、数据孤岛严重，带来工程立项的必要性、可行性、经济性缺乏可量化、可考核的审批决策依据，以及工程建设的进度延期、大量返工、成本超预算、质量缺陷、安全事故等问题。

②关键技术

研究突破大规模异地协同设计、地质地勘三维建模、多专业碰撞检测、物料跟踪溯源、工期预算动态监控预测、工艺模拟仿真、数据全生命周期流转、跨阶段应用的标准规范、技术架构、核心引擎等关键技术。

③应用目标

依托CAD、CAE、BIM等智能平台，实现工程数字化勘探、数字化设计、数字化仿真、数字化施工、数字化运维，为设计阶段的论证优化，决策阶段的方案比选，实施阶段的工期成本控制，运维阶段的精细管理、安全运营等提供数字化、可视化、智能化的支撑服务，创新实现“物理空间实体工程”“网络空间数字工程”的双工程双交付新模式。

四、结 语

在网络强国、数字中国、国家水网高质量发展的时代背景下，国家智慧水网不仅迈入数字化转型升级、国产化自主可控双轮驱动的数字经济发展新阶段，而且驶入水利高质量发展的快车道。加快推进国家智慧水网建设，构建现实物理水网与数字虚拟水网孪生并行的新型基础设施体系，是顺应现实物理世界与数字网络世界孪生并存的新时代要求。 ■