以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究

冶运涛, 蒋云钟, 曹引, 黄建雄, 关昊哲, 顾晶晶, 董甲平

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038; 2.水利部数字孪生流域重点实验室,北京 100038)

智慧水利建设对贯彻落实国家网络强国战略、推动水利高质量发展、强化流域治理管理、应对气候变化挑战等具有重要意义[1-3],是新阶段我国数字治水的重要手段和数智化时代的必然选择[4-5]。标准对我国智慧水利(包括数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等)的建设实施与可持续发展不仅具有重要的战略性、基础性作用,而且具有重要的支撑保障作用[6-8],是保证智慧水利的规划导向性、设计操作性、建设实用性和互操作性、运行可持续性、迭代升级扩展性的重要抓手。智慧水利标准体系是引领我国流域机构、省级、地市级和县级不同层级智慧水利健康发展的重要手段,是打破信息孤岛、盘活僵尸系统、提高数据利用率、增加应用系统使用频次、增强用户体验等的重要支撑,是推进新一代信息技术与水利领域融合创新进行规模化推广、实战化应用的必要条件,也是我国数字孪生水利的先行先试工作的科学实施、真实达效和持续优化的重点内容和充分保障。

《水利技术标准体系表》自2001年由水利部发布,已历经2008年、2014年、2021年3次修订。这4个版本的《水利技术标准体系表》根据当时水利工作的需要和技术发展条件均指出水利信息化标准体系是由已编制标准、计划修订标准、拟编制标准组成。其中,2021年修订的《水利技术标准体系表》规划了34项有关分类编码、数据存储、传输交换、图示表达、产品服务、信息系统建设管理、水利网络安全等的水利信息化标准体系。水利信息化标准体系为规范我国不同阶段信息化建设发挥了指导性作用[9],同时为智慧水利标准体系研究提供了工作基础和积累了经验。

2021年,水利部在推进数字孪生流域建设工作会议上提出要“完善标准规范”和“全面梳理检视现有水利技术标准和技术规范,特别是监测感知、数据资源、模型计算、业务流程等方面的标准规范,找出缺失以及不满足、不适应、不衔接数字孪生流域建设的标准规范,加以制定或修订”。水利部共印发了5类(行政类、规划类、工作类、技术类、标准规范类)21个文件,其中与本文研究内容相关的技术类文件4个和标准规范类文件7个(见表1),这些文件尚未达到正式发布标准的要求。同时,中国水利水电科学研究院立项《智慧水利标准体系设计与评价指标研究》,全面、系统地开展以数字孪生水利(流域、水网、水利工程等)为核心的智慧水利标准体系研究工作。

表1 数字孪生水利相关文件[10-20]

数字孪生水利是数字孪生理论技术在水利行业的应用[4],数字孪生技术相关标准对智慧水利中数字孪生水利标准体系制定具有借鉴意义。当前,国际国内数字孪生标准的制定刚刚起步,相关国际国内数字孪生标准见表2和表3[21-22]。国际组织ISO/TC 184、ISO/IEC JTC1、ITU-T SG20等启动了数字孪生标准制定工作。与其同步,我国也开展了数字孪生标准的制定工作,但数字孪生水利方面的标准还比较欠缺[21]。

表2 数字孪生国际标准

表3 数字孪生国内标准

综合分析水利信息化标准和数字孪生标准现状,以下问题有待解决:①目前智慧水利的术语标准和评价导则缺乏,智慧水利系统架构标准尚未出台,这导致智慧水利建设和实施过程难以对基本概念和系统架构达成共识,造成系统间不能有效地实现动态集成、联动协作;对智慧水利系统的建设成效缺乏定量评价,对建设方向不清晰[23]。②缺乏智慧水利的信息基础设施、数据底板、模型平台、知识平台、业务应用等标准的参考,就会导致水利模型间、水利数据间、水利模型与水利数据间、水利知识与水利模型间、水利知识与水利数据间、系统间等集成难、相互兼容性低、互操作性不强等问题,从而又形成新的数据孤岛、知识孤岛、模型孤岛和系统烟囱[23]。③缺乏网络安全保障、建设与运行管理标准,会导致系统存在安全隐患和系统的不可持续性发展。

针对上述问题,基于水利部提出的智慧水利框架以及数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等相关指导文件,结合水利信息化标准、数字孪生标准的制定现状,分析智慧水利标准体系的建设需求,提出一套以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系,以期为智慧水利标准研究人员提供参考,并为智慧水利规范化建设提供指导。

1 智慧水利标准需求分析

1.1 智慧水利概念达成共识需标准指导

目前已有成果对智慧水利有不同的理解和认识。在概念认知方面,蒋云钟等[5]认为智慧水利是运用大数据、人工智能、物联网、云计算、移动互联等新一代信息通信技术,基于自然水系、水利工程体系和水利管理体系,智慧地将适量适质的水适时送到适地,为实现长久水安澜、优质水资源、宜居水环境、健康水生态提供支撑;王忠静等[24]在物联网概念基础上提出了水联网概念,并认为智慧水利是水联网的另一种表达;赵然杭等[25]认为智慧水利是融合数据采集、分析、决策、控制、反馈等信息流程为一体,实现自主生存、自主自考、自主应对、自主学习的面向水利应用的规模信息生态系统;蔡阳[26]认为智慧水利是应用新一代信息技术,实现对水利对象及活动的透彻感知、全面互联、智能应用与泛在服务;蔡旭东[27]认为智慧水利是全方位解决水资源、水管理、水安全、水生态、水环境等涉水事务的智能化超大型系统;张建云等[28]认为智慧水利是运用新一代信息通信技术促进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化。在系统架构方面,蔡阳[29]认为智慧水利总体框架应以水利信息基础设施为基础,以数字孪生水利和业务应用为重点,以网络安全体系和综合保障体系为保障;包志炎等[30]认为浙江智慧水利框架采用“四纵三横”总体架构,“四横”指业务应用、应用支撑、数据资源和基础设施等体系,“三纵”指政策制度、标准规范和组织保障体系;叶健[31]认为江苏智慧水利总体框架为1个统一门户、4个基础服务平台、1个水利云服务中心、N个业务应用和1套安全保障机制;王晓辉等[32]认为深圳智慧水务总体框架由标准规范和信息安全两大体系组成,包含智能感知、基础设施、水务大数据、智慧应用和门户5个层次;程海洲等[33]认为宁波市智慧水利总体框架由1张水利感知网、1个智慧能力中心、1套智慧应用、2组环境保障体系构成。

除了对智慧水利的概念定义和系统架构理解不同外,用户和企业对作为智慧水利核心的数字孪生水利的理解也有所不同[34],仍未达到统一[35]。现阶段,对数字孪生水利的理解是否全面,需要深入思考和研究。

上述对智慧水利相关概念和架构的不同理解与认识会带来科学研究时的交流困难、建设实施时的集成困难和业务应用时的协作困难。因此,需要建设智慧水利基础共性标准,加强规范智慧水利术语达成社会共识,规范系统架构使建设内容具有延续性,规范评价指标使建设稳步有序[23]。

1.2 数字孪生水利研究与实施需标准指导

在以水利部提出的智慧水利框架[10]为指导的实施过程中,由于智慧水利相关信息化基础设施、数据底板、知识平台、模型平台、业务应用等标准还不够完善,目前数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等试点项目由不同的单位承建,而这些单位选用的软硬件产品及开发的系统可能存在兼容性不好、互操作困难等问题,从而造成信息基础设施组件、数据底板组件、模型组件、知识组件等各组件内部之间以及两两组件外部之间很难集成,容易形成“僵尸系统”。具体包括以下两个方面。

1.2.1 信息化基础设施

在信息化基础设施中,水利感知网(监测感知)实现了江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动等物理水利对象向数字孪生水利空间的映射(信息上传),也实现了物理水利对象接收并执行来自数字孪生水利的反向控制或管理指令(控制反馈)。但由于在整个信息传递流程及反馈过程中缺乏标准指导,对不同的物理对象如何布设监测站点、感知哪些要素、传递哪些信息、映射哪些属性等不甚了解,对于决策指令制定以后如何下达、接收和执行缺乏完整链条的规范,这不仅会导致对江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动等对象的监测感知没有统一的接口兼容形式,而且还会带来技术层级不明确和功能边界不清晰等问题。

在信息化基础设施中,水利信息网是实现虚实交互的关键,是承载水利感知网(监测感知)、水利数据底板、水利模型平台、水利知识平台和业务应用之间互联互通的通道。因此,对上述组件之间的连接方式、通信协议和交互方式应该加以规范,以解决各组件接口适配性、功能协调性的问题。

在信息化基础设施中,水利云负责提供数据存储管理、数据分析计算、专业模型计算和应用系统部署。应制定水利云的云资源管理、水利数据存储管理、水利数据分析和模型计算支撑、水利应用和数据迁移等标准规范,以实现水利云资源的高效利用。

1.2.2 数字孪生平台

数字孪生水利数据底板为物理水利和数字孪生水利深度融合提供准确全面的信息源。目前各业务已有数据存储的标准,但是该标准只是针对结构化数据,缺乏兼顾结构化、非结构化、半结构化多类型水利数据统一存储的标准。除存储标准外,水利数据底板还缺乏数据分类与表示、数据组织、数据融合、数据服务等标准的指导。数字孪生水利模型平台属于智慧水利的核心引擎,目前缺乏对模型分类与表示、模型封装、模型存储、模型组装等标准,导致虽有很多模型,却出现了模型无用的局面。数字孪生水利知识平台由于缺乏有关水利知识分类与表示、水利知识存储、水利知识融合等标准的指导,导致水利领域尚缺乏可用的业务知识库。

1.3 智慧水利业务应用实施保障需标准指导

在智慧水利业务应用实施保障方面,需要考虑以下两点:①业务应用既是数字孪生水利“需求牵引”的出发点,又是“应用至上”的落脚点,应用效果是检验建设成效的主要标准。但是在水利业务应用系统开发上,由于没有标准来规范业务应用分析以及系统开发的整个过程,各业务应用系统就会出现兼容性弱、互操作困难和扩展性不强的问题。②智慧水利系统建设完后,如何评价以数字孪生水利为核心构建的智慧水利所发挥的社会、经济、生态效益以及所具有的准确性、稳定性、安全性、易用性等性能,服务于智慧水利的升级迭代和优化提升。因此,需要智慧水利的评价、网络安全、建设与运行管理等相关标准来规范运行管理工作。

针对上述智慧水利实施前“如何认识智慧水利”,实施中“如何建设智慧水利”、实施后“如何评价智慧水利应用成效”等阶段的不同需求,迫切需要建立智慧水利标准体系。

2 智慧水利标准体系形成的基本原则

智慧水利标准体系建设应遵循以下原则[36]:

1)标准体系表要全面成套。构建全面成套的智慧水利标准体系表能够充分体现智慧水利的整体性和系统性,抓住智慧水利建设的主要环节以及制约建设成效的主要矛盾,明确标准体系建设的主攻方向。智慧水利标准体系是系列标准制定的依据和基础,它将具体标准作为实施手段和措施来完成标准体系的构建。智慧水利标准体系表制定既要包括现有高新技术和未来发展高新技术的新标准,又要包含已有标准的高新技术的应用和发展部分。

2)标准体系层次结构恰当。智慧水利是按照水利业务逻辑和信息理论指导构建,在架构上做到逻辑合理、层次结构清晰,因此每个标准按照信息功能安排在合理层次上,制定科学、合理和简化的标准体系,避免标准体系的重复、混乱甚至矛盾与不统一。标准体系明细表内不同领域或不同分系统间的划分不能按照行政系统进行划分,应按照水利业务活动和信息技术性质的同一性进行划分。

3)适当保护先行者的利益。由于社会经济条件不同,发达地区的智慧水利项目实施通常超前标准制定若干年,这些先颁布标准难免会与既存事实相抵触,系统中的不兼容设备也不能立即替换掉,否则会影响已开展工作者的利益。因此,标准化体系研究和标准的制定工作应在条件允许的情况下尽可能将损失减到最小。

4)兼顾水利信息化标准现状,尽量采用国家已制定的标准。智慧水利是信息通信技术(Information and Communication Technology,ICT)深入融合的领域,ICT在很多领域已经标准化。传统水利领域也有许多已经或正在制定的相关标准,故制定智慧水利标准应尽可能兼顾水利信息化已有标准以及相关的国际标准和国家标准,同时,还应根据智慧水利建设的实际需求制定一些急需的关键标准。

5)短时间难以制定出具体标准而又非常重要的领域可以制定指导性技术文件。智慧水利是一个复杂的大系统,服务领域多,功能要求多样,牵涉非常广泛的技术领域,尽管已有成熟的标准可供采用,但是如何达到数字孪生的严格水准,尚无规范可遵循。如果各地区智慧水利项目按需制定各自项目标准,就会导致系统可扩展性很差,难以保障全国范围内跨层级、跨部门、跨系统之间的兼容性,数据充分利用与共享也会成为“空中楼阁”。如果标准制定滞后很多年,那时各地智慧水利项目已形成规模化效应,标准的强制执行不仅不能改变既成事实,还将导致重复建设和无可挽回的损失。因此,对于短期内急需却很难较快地制定标准的关键领域,可以先根据体系结构制定出一些基本的原则或指导性技术文件供生产者、集成商参考。在实施过程中,通过积累经验和厘清技术细节,再以发布的基本原则或指导性文件为基础,制定详细且可操作的标准。

3 智慧水利标准体系框架

3.1 智慧水利总体框架的演变

对智慧水利总体框架的认识也是逐步发展的。水利部印发的《智慧水利顶层设计》和《“十四五”智慧水利建设规划》《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》所提出的智慧水利总体框架,均是以数字孪生流域为核心。随着实践工作的推进,已形成了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等组成的数字孪生水利体系。那么,以数字孪生流域为核心的智慧水利总体框架[10]就演变为以数字孪生水利(包括数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区[37]等)为核心的智慧水利总体框架,如图1所示。

图1 智慧水利总体框架演变

表4—7分别给出了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区的框架组成。从框架来看,四者均包括了信息化基础设施和数字孪生平台两部分内容,同时兼顾了业务应用系统的建设。但是在数字孪生平台、信息化基础设施一级分类下,二级分类存在差异。

表4 数字孪生流域框架内容

表5 数字孪生水网框架内容

表6 数字孪生水利工程框架组成

表7 数字孪生灌区框架组成

1)数字孪生平台辨析。四者的数字孪生平台均包括了数据、模型、知识三要素。关于数据要素的表达,四者均用词“数据底板”。关于模型和知识要素,数字孪生流域、数字孪生水网分别用词“模型平台”和“知识平台”,数字孪生水利工程、数字孪生灌区则分别用词“模型库”和“知识库”,虽然用词不同,但是表达的意思相似。

2)信息化基础设施辨析。在信息化基础设施内容方面,数字孪生流域用词“水利感知网”“水利信息网”和“水利云”;数字孪生水网用词“监测感知”“通信网络”“远程集控”“计算存储”“应用支撑”“调度指挥实体环境”;数字孪生水利工程用词“监测感知”“通信网络”“工程自动化控制”“信息基础环境”;数字孪生灌区用词“立体感知”“自动控制”“支撑保障”。

上述用词虽然不同,包括的内容却非常相似。四者均包括“监测感知”“通信网络”“计算存储”“调度会商”等内容。①关于“监测感知”内容,数字孪生流域用词“水利感知网”,数字孪生水网用词“监测感知”,数字孪生水利工程用词“监测感知”,数字孪生灌区用词“立体感知”。②关于“通信网络”,数字孪生流域用词“水利信息网”,其他三者用词“通信网络”,其中数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。③关于“计算存储”内容,数字孪生流域将其作为“水利云”的一部分,数字孪生水利工程将其作为“信息基础环境”的一部分,数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。④关于“调度会商”内容,数字孪生流域将其作为“水利云”的一部分,数字孪生水网用词“调度指挥实体环境”,数字孪生水利工程将其作为“信息基础环境”的一部分,数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。这些共性要素可以纳入数字孪生水利体系框架。

“自动控制”为数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区的重要内容,同时为物理流域的对象组成,但其在数字孪生流域没有体现。鉴于工程自动控制是水流调控的重要内容,也是水利工作的重要组成部分,因此,有必要将“自动控制”纳入数字孪生水利体系框架。

“应用支撑”为公共支撑的组件和工具,是数字孪生水网和数字孪生灌区的建设内容。虽然数字孪生流域和数字孪生水利工程没有提到它,但是鉴于“应用支撑”是传统水利信息化系统的重要组成部分,为了整合该项内容,将“应用支撑”纳入数字孪生水利体系框架。

其他的内容,如数字孪生流域“水利云”的“视频会议”、数字孪生水网“调度指挥环境”的“融合通信系统”“视频会议系统”“集成显示系统”“联合值班环境”等均可纳入“调度会商”。数字孪生水利工程“信息基础环境”的“机房环境”可纳入“计算存储”,作为计算存储建设的环境要求。数字孪生流域“水利云”的“高性能计算”“人工智能计算”可以纳入“计算存储”。

3)业务应用辨析。从表4—7可以看出,由于业务视角不同,数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等具体的应用有所差异,但仍然在水利职责范围内。

3.2 以数字孪生水利为核心的标准框架

通过总结水利信息化和数字孪生标准发展现状以及分析智慧水利建设的认知、研究、应用等方面的标准需求,坚持智慧水利标准体系形成基本原则,根据上述演变后的智慧水利框架,设计了由基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准等各项子标准构成的以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系框架,如图2所示。

1)基础共性标准。包括智慧水利术语、智慧水利参考架构、水利对象和信息分类与编码、水利对象标识、智慧水利评价导则、智慧水利标准应用指南6部分,是用来规范智慧水利涉及的概念定义和符号、智慧水利总体框架、智慧水利业务框架、信息化基础设施框架、水利数据底板框架、水利模型框架、水利知识框架、智慧水利业务应用框架、网络安全框架、保障体系框架、水利对象分类、水利信息分类、水利对象数字化标识、评价指标、评价标准、评价方法等的基础性、通用性标准。

2)信息化基础设施标准。包括数字孪生水利的水利监测感知标准、水利工程控制标准、水利信息网标准、水利云标准、水利调度会商标准5部分,用于规范智慧水利的感知站点布设、感知设备接入、感知设备管理、业务网、政务网、计算、存储等信息化基础设施建设。

3)数字孪生平台标准。包括数字孪生水利的数据底板标准、水利模型平台标准、水利知识平台标准、映射与交互、孪生资源服务5部分,用于规范智慧水利的数据共享、模型协同以及知识交互。

4)业务应用标准。包括智慧水利应用系统开发涉及的业务流程标准、业务“四预”标准、系统开发标准、系统部署和迁移标准、人机交互标准5部分,用于规范流域防洪系统、水资源管理与调配系统等“2+N”业务应用系统的开发、迭代及优化。

5)网络安全标准。包括智慧水利的水利数据安全、水利信息系统安全、水利信息安全管理、水利信息基础设施防护4部分,用于规范信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用各层级及相互之间的安全保障以及人员安全操作。

6)建设与运行标准。包括智慧水利的规划设计、建设实施、运行管理、评估改进4部分,用于规范智慧水利建设和运行过程中技术、方法、流程、创新等方面要求。

4 智慧水利标准体系

4.1 标准体系结构

智慧水利标准体系由基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准等智慧水利的各项子标准体系组成,其体系结构如图3所示。

图3 智慧水利标准体系结构

4.2 基础共性标准

1)术语与定义标准。主要用于规范智慧水利的信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全、保障体系各部分内容涉及的标准化的术语及相应缩略语与定义,为准确理解智慧水利概念以及制定其他各部分标准提供支撑。

2)水利对象和信息分类与编码标准。主要用于规范对象的分类及其代码的编制,以及每类对象特征信息的分类及其代码的编制。规范对象和信息的分类与代码,主要解决信息语义的一致性问题。水利部已颁布了分类与编码的系列标准[38]。在此基础上,分析系列标准并对不适合数字孪生水利建设的内容进行修订,对没有的标准进行新编。

3)水利对象标识标准。主要用于规范江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动对象的数字标识编码、标识采集、标识识读、标识解析、标识注册、标识管理等的相关要求。该类标准以《水利对象分类与编码总则》(SL/T 213—2020)为基础进行制定[38]。

4)参考架构标准。主要用于规范智慧水利总体框架、技术架构、业务架构、信息化基础设施架构、数据底板架构、模型平台架构、知识平台架构、业务应用架构、网络安全架构等,为智慧水利可持续建设提供基础。

5)评价导则。主要用于规范智慧水利评价指标(以评价孪生度为核心)的基本构成、指标说明、评价标准、计算方法和权重设定,为揭示水利建设中的短板弱项、树立智慧水利建设标杆发挥引领作用,引导智慧水利始终向着正确、健康方向发展。

6)标准应用指南。主要用于对智慧水利基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准等的编制背景与意义、编制过程及标准使用应注意的问题进行说明,以切实发挥好标准对智慧水利发展的支撑和引领作用。

4.3 信息化基础设施标准

4.3.1 水利监测感知标准

主要对智慧水利的传统水利监测站网、新型水利监测网、感知设备接入、感知边缘端协作等方面进行规范。相关标准及主要内容如下。

1)传统水利监测站网标准。主要用于规范利用传统水利监测方式对江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动对象进行监测的监测感知站点布设布局、监测设备性能、监测要素、监测频次、通信接口和协议、传输方式、数据存储、质量控制等的相关技术要求。

2)新型水利监测网标准。主要用于规范雨量雷达监测、卫星遥感观测(如可业务化应用的地表水体卫星遥感监测)、无人机遥感观测、高清视频监测监控、无人船使用、地面机器人使用、水下机器人使用、卫星导航系统应用等新型水利监测网的相关技术要求。

3)感知设备接入标准。主要用于规范江河湖泊、水利工程和水利活动对象的感知设备的感知位置、感知对象、感知要素、接入方式、接入通信协议、协议适配等的相关要求。

4)感知端边缘计算标准。主要用于规范水利感知端边缘计算的系统与功能架构、边缘计算节点设备、边缘计算节点接入接口、边缘计算数据管理、边缘计算服务接口等的相关要求。

5)感知设备管理标准。主要用于规范智慧水利感知设备的连接、设备管理、设备监控告警、设备规则引擎等物联管理,传感网络管理、感知管理、边缘决策等边缘管理,以及设备数据上报、设备状态上报、平台命令下发等的相关要求[39]。

4.3.2 水利工程控制标准

水利工程控制标准主要对各类工程建设控制设施设备性能、设备接入、设备控制、设备管理等进行规范。

1)自动控制设备标准。主要用于规范蓄水工程、引水工程、提水工程、调水工程、输配水工程等的控制设备的功能、性能等相关要求。关键设备要满足自主可控的要求。

2)工程控制设备接入标准。主要用于规范工程控制设备的控制位置、控制对象、控制要素、接入方式、接入通信协议、协议适配等的相关要求。

3)工程控制指令执行标准。主要用于规范工程设备运行控制的指令接入(包括指令接口、指令格式识别转换、指令校验审核、指令发布或执行权限等)、指令响应性能(包括指令响应时间、指令执行效率、时序同步等)、指令有效性能(如指令执行的精度、稳定性等)等的相关要求[23]。

4)工程控制设备管理标准。主要用于规范智慧水利控制设备的连接、设备管理、设备监控告警、设备规则引擎等物联管理,以及设备数据上报、设备状态上报、平台命令下发执行等的相关要求[39]。

4.3.3 水利信息网标准

主要对智慧水利的水利业务网、水利工控网相关技术要求进行规范。相关标准及主要内容如下。

1)水利业务网标准。主要用于规范智慧水利业务网的网络层次、网络互联结构、网络链路、网络带宽、网络设备选型、网络协议、网络管理、网络测试等相关要求[40-41],以及水利业务网与电子政务外网融合的技术要求[42];同时规范感知设备、模型、知识、服务与数据库之间的数据传输相关技术要求,包括传输协议、传输实时性、传输可靠性、传输安全等。该标准在《水利业务网建设技术指南》和《水利信息网建设指南》(SL 434—2008)内容基础上进行修订完善,升级为行业标准。

2)水利工控网标准。主要用于规范智慧水利的水利工控网的网络互联结构、网络链路、网络带宽、网络设备选择、网络通信接口、网络通信规约、网络通信质量保障性、通信性能、网络功能等相关技术要求[43-44];同时规范感知设备、模型、知识、服务与数据库之间的数据传输相关技术要求,包括传输实时性、传输可靠性、传输安全等。

4.3.4 水利云标准

水利云标准主要对智慧水利的水利云基础设施、水利云资源管理、水利信息系统部署和迁移等进行规范。

1)水利云基础设施标准。主要用于规范智慧水利的水利云基础设施建设的基本原则、总体架构和功能架构、计算存储、通信网络、操作系统、应用支撑中间件、虚拟化软件、运行性能、运维、容灾等的相关要求[45-49]。

2)水利云应用支撑标准。主要用于规范一张图、地理信息、视频监控、数据库、统一门户、统一用户、移动服务等智慧水利使用的公共支撑工具和平台。

3)水利云资源管理标准。主要用于规范智慧水利的水利云计算资源、水利云存储资源、水利云网络资源、水利云资源接口、水利云资源使用维护等的相关要求[50]。

4.3.5 水利调度会商标准

1)水利视频会商系统标准。主要用于规范视频会商系统的系统组成、系统布局、功能要求、性能要求、安全性要求、环境要求等[51]。

2)水利调度指挥系统标准。主要用于规范水利调度指挥系统的基本构成、基本功能及主要性能要求、基指建设内容及要求、前指装备构成及要求。

3)水利集控系统标准。主要用于规范集控系统的系统结构、系统功能、技术原则、控制模式、系统接口、系统性能、电源设备、电磁兼容与雷电防护、机房环境等的技术要求[52]。

4.4 数字孪生平台标准

4.4.1 数据底板标准

数据底板标准主要是对数字孪生水利所涉及的水利数据资源体系、水利数据模型描述、水利数据治理、水利数据融合与服务过程进行规范。

1)水利数据资源体系标准。主要用于规范水利基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据等的数据资源构成、数据词典、数据目录、数据分级分类、数据表结构、编码标识等要求。

2)水利数据模型描述标准。主要规范水利基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据等的核心数据模型、语义本体模型、数据组织、数据结构、数据格式、元数据等要求,为水利数据概念模型、逻辑模型和物理模型的设计和管理提供指导和依据。

3)水利数据采集规范。主要用于规范数据采集过程、数据采集内容、数据采集技术、数据采集质量控制、数据采集安全控制等相关要求,指导从数据源中得到原始数据,通过标准化处理转化为满足共享与利用需求的数据。

4)水利数据存储规范。主要用于规范对水利结构化数据、半结构化数据、非结构化数据进行存储和管理的相关要求。

5)水利数据治理规范。主要用于规范水利基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据等的主数据管理、元数据管理、数据质量管理、数据使用授权管控、数据隐私与风险安全管控、数据资产管理、数据利用管理、数据共享与开放分级分类管理、有效治理与利用评估、数据标准管理、数据测评管理等的相关要求。

6)水利数据融合标准。主要用于规范水利基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据等的接入汇聚、数据存储[53-57]、数据关联、数据解析、数据建模、数据清洗、数据融合、数据分析挖掘、数据安全处理、数据服务封装、数据服务消费等要求。

7)水利数据开放共享标准。主要用于规范智慧水利数据开放共享的基本模式、业务需求、特征和技术要求等,指导数据拥有方将数据向政府政务部门、企业单位和社会公众等相关方开放,以及在一定的条件下共同使用。

8)水利数据交换标准。主要用于规范智慧水利数据交换的交换机制、交换体系、交换流程、交换方式、交换技术规定、适配器开放要求、交换协议、相关编码规则、质量控制与安全、保障机制等方面的技术要求,指导部门间、地域间、层级间各类数据的共享、协调一致。该类标准在水利行业标准《水利数据交换规约》(SL/T 783—2019)和《水利空间数据交换协议》(SL/T 797—2020)基础上补充、修改和完善而成。

9)水利数据服务标准。主要用于规范智慧水利数据服务的接口、交互协议、能力开放等,明确数据服务的形式、内容、质量等。

4.4.2 模型平台标准

模型平台标准主要是对智慧水利所涉及的水利专业模型(包括机理模型、数理统计模型、混合模型)、智能识别模型(包括视频识别模型、语音识别模型、遥感识别模型)、可视化模型(包括自然背景、流场动态、水利工程、机电设备)的建立和使用过程以及模拟仿真引擎技术要求进行规范。

1)水利专业模型标准。主要用于规范数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等中的水文模型、水资源模型、水生态环境模型、水力学模型、泥沙动力学模型、水土保持模型、水利工程安全模型等水利专业模型的分类与描述、封装与组装、验证与评估、部署与测试、运行与管理、发布与服务等相关技术要求。

2)智能识别模型标准。主要用于规范数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等所涉及的遥感识别、视频识别、语音识别等模型的分类、建模、验证、使用与评估以及模型服务的相关技术要求。

3)可视化模型标准。主要用于规范数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等所涉及的自然背景、流场动态、水利工程、机电设备等三维场景数据采集、三维模型建模、三维图形渲染、实体映射等相关要求。该标准在水利部印发的《数字孪生流域可视化模型规范(试行)》基础上,对试行过程发现的问题进行修改,按照行业标准编制要求进行完善,升级为正式标准。

4)模拟仿真引擎标准。主要用于规范能够支撑不同业务、不同场景、不同目标的数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等的模型灵活配置和调用的模型版本管理、参数配置、组合装配、加载调用、计算跟踪、训练优化、模型迭代等服务的相关技术要求。

5)仿真推演标准。主要用于规范数字孪生仿真推演模型构建与优化、仿真任务管控、仿真推演结果验证、仿真推演体系建设等要求,以确保仿真推演成效与数字孪生运行规律的一致性。

4.4.3 知识平台标准

知识平台标准主要对数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等所涉及的水利对象关联关系知识、业务规则知识、历史场景知识、专家经验知识和预报调度知识等进行规范。

1)水利对象关联关系知识标准。主要用于规范江河湖泊、水利工程和水利对象治理管理活动等实体、概念及其关系的分类、编码、描述、抽取、对齐、融合、关联等的相关要求。

2)水利业务规则知识标准。主要用于规范水利业务管理所需的相关法律法规、规章制度、技术标准、管理办法、规范规程等文档内容进行结构化处理、业务规则抽取、表示、管理、业务适配等的相关技术要求。

3)水利历史场景知识标准。主要用于规范水利历史场景知识的分类,以及对数据表格或文本记录的历史场景数据进行典型时空属性及特征指标的抽取、融合、存储和挖掘等的相关要求。

4)水利预报调度方案知识标准。主要用于规范特定业务场景下流域防洪、水资源调配等预报调度方案知识分类,以及对历史典型洪水预报、水利工程调度过程记录或以文本形式存储的预报调度预案进行知识抽取、融合、存储、管理以及场景适配等的相关技术要求。

5)水利专家经验标准。主要用于规范描述特定业务场景决策时的专家经验知识分类,以及对通过文字、公式、图形图像等形式固化的专家经验进行抽取、融合、存储、挖掘以及业务适配等的相关技术要求。

6)水利知识图谱。主要用于规范流域防洪、水资源管理与调配等水利业务知识图谱框架构建的数据来源、技术要求、基本功能要求、非功能要求等。

7)水利知识引擎。主要用于规范水利知识运行环境、知识运行配置、知识运行实时监测、知识更新、知识优化、知识增删改查等的相关技术要求。

4.4.4 映射与交互标准

映射与交互标准主要对信息化基础设施中感知控制对象、数字孪生平台数据底板、模型、知识以及服务之间的映射与交互进行规范。

1)连接映射标准。主要用于规范数字孪生中感知控制设备、模型、知识、孪生服务与数据底板的连接映射的相关技术要求,包含连接方式、映射模型、映射字典、映射一致性评估、映射自适应更新与优化、映射关联可视化等[58]。

2)数模联动标准。主要用于规范数字孪生中数据底板与模型联动所要求的数模联动机制自适应更新与优化、数模联动一致性评估、时空状态初始化、时域同步驱动、数据同步交互等技术要求。

3)交互与集成标准。主要用于规范感知控制设备、模型、知识、孪生服务与数据底板之间的交互与集成的相关技术要求,如系统集成方法、系统集成运行机制等。

4)连接测试标准。规范感知控制设备、模型、知识、孪生服务与数据底板之间的连接测试的相关技术要求,包括连接兼容性测试、连接可靠性测试、连接时间敏感性测试、交互功能与性能测试、系统集成测试等。

4.4.5 孪生资源服务标准

数字赋能服务标准主要对数据、模型、功能、产品等服务描述模型、服务开发、服务部署、服务运行、服务管理、服务质量与测评进行规范。

1)服务描述模型标准。规范数字孪生水利中服务描述模型建模的相关技术要求,包括建模规则、建模环境、建模语言、建模流程等。

2)服务开发标准。规范服务开发的相关技术要求,包括功能描述、设计规范、开发环境、开发流程、服务封装、服务模板库等。

3)服务部署与运行标准。规范数字孪生水利中服务部署及运行的相关技术要求,包括部署要求、运行环境、服务实例化、运行监测、服务协作、服务运行容错等。

4)服务管理标准。规范服务全生命周期过程管理的相关技术要求,包括服务注册、服务搜索、供需匹配、服务优选、服务调度、服务组合、服务容错、服务协作等。

5)服务质量与测评标准。规范数字孪生水利中服务质量与测评的相关技术要求,包括时间、成本、信誉、满意度、非功能服务质量(包括可伸缩性、可扩展性、可重用性、鲁棒性、可测试性)等。

4.5 业务应用标准

1)业务流程标准。主要规范智慧水利业务流程设计方法、业务环节、业务人员角色、业务流程时序、业务流程接口设计等的相关技术要求。

2)业务“四预”标准。主要用于规范面向流域防洪、水资源管理与调配等业务所需的预报、预警、预演、预案的基本内涵、主要内容和技术要求。该标准需要在水利部印发的《水利业务“四预”基本技术要求(试行)》的基础上,根据各业务情况进行修改完善。

3)系统开发标准。主要用于规范智慧水利业务应用系统的系统架构、业务数据要求、系统基本功能(突出“预报、预警、预演、预案”功能)、系统基本性能、系统用户界面、系统集成等方面的相关技术要求。

4)系统部署和迁移标准。主要用于规范智慧水利的流域防洪、水资源管理与调配等应用系统云化部署和迁移的准备、设计、执行、交付等的相关要求[59-60]。

5)软件系统人机交互标准。主要用于规范流域防洪、水资源管理与调配等应用系统中人机交互宜具备的技术能力。

4.6 网络安全标准

1)水利数据安全标准。主要用于规范智慧水利所涉及的重要水利数据、国家安全水利数据、高精度地理空间数据等的分类分级、采集、传输、使用、管理、评估等方面的安全要求。

2)水利信息系统安全标准。主要用于规范智慧水利依托的信息系统的安全防护、测试评价、信息备份、恢复等方面的要求。

3)水利信息安全管理标准。主要用于规范智慧水利信息安全管理活动中安全等级保护、安全管理、信息共享、风险管理、网络安全监测预警平台等方面的相关要求。

4)水利信息基础设施防护标准。主要用于规范智慧水利安全体系框架、水利信息安全保障、水利关键信息基础设施保护、水利关键设备自主可控等方面的相关要求。

4.7 建设与运行标准

1)规划设计标准。主要用于规范指导智慧水利总体规划、顶层设计、实施方案制定、技术导则(或指南)、设计成果数字交付等的相关要求。该类标准通过解决《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》《数字孪生水利工程建设技术导则(试行)》《数字孪生水网建设技术导则(试行)》《数字孪生灌区建设技术指南(试行)》等在试行过程中的问题,并经过标准编制流程进行修改完善,升级为正式标准。

2)建设实施标准。主要用于规范智慧水利项目建设部署、共建共享共治、实施流程、实施成本、实施质量、实施采购、质量评定与验收、项目管理等的相关要求。

3)运行管理标准。主要用于规范智慧水利运行管理相关流程、要求、方法、工具、经费(如运维定额、升级迭代费用等)等的要求,保障智慧水利的可持续运行。

4)评估改进标准。主要为智慧水利相关信息基础设施、数据、平台、应用等相关建设及服务情况提供评估评价方法、流程和依据等,确保智慧水利建设达到预定目标,并持续改进。

5 智慧水利标准发展路径

智慧水利标准建设仍处于初级阶段,在组织、研究和应用方面都还不完善,标准先行是智慧水利可持续发展的必要条件。在智慧水利标准建设中应该明确4个关键点:政府支持的重要性[61]、顶层设计和关键标准先行[62]、标准宣贯和落地策略的选择、以效益为目标导向。根据其他领域标准发展经验[63]和目前水利行业标准困境,提出了智慧水利标准的发展路径如下。

1)组建多方参与,完成顶层规划。从智慧城市、智慧林业、智慧交通、智慧矿山等标准的发展情况以及TD技术标准联盟的分析[61]来看,作为智慧水利的指导单位,第一步应该组建由水利信息化主管部门牵头,行业内具备相关能力的企业、科研院所和高校参与的专业标准制定组织。该组织应包含水利行业专家、多家龙头企业、软硬件供应商等,还应具备持续的财力、影响力和示范力。组织的首要任务是讨论研究智慧水利标准顶层规划,明确目标和方向。

2)从关键标准入手,逐步完善标准体系。以智慧水利标准体系为指导,全面梳理检视现有水利技术标准和技术规范,特别是监测感知、数据资源、模型计算、业务流程等方面的标准和规范,找出缺失以及不满足、不适应、不衔接数字孪生水利建设的标准和规范,明确关键标准并加快制定或修订,逐步完善标准体系。标准体系既要具备前瞻性、科学性,又要符合实际,能解决实践问题,还要分析智慧水利建设现状,确定哪些标准先行、哪些应用先行、哪些标准应强制实施等。针对以上诸多问题,出台规范文件和智慧水利标准集。

3)开展试点示范,加强标准宣贯。结合数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等先行先试项目,在项目实施过程中开展标准试点示范,既能检验标准的完备性,又能提高标准在各地区应用的可操作性,从而加强标准体系的指导性和可接受程度,吸引更多的企业、科研院所和高校加入到标准制定中,为标准宣贯提供有利条件。

4)发挥、推广标准化优势,扩大影响力。智慧水利标准升级是智慧水利发展不可跨越的途径,持续的评价升级是智慧水利标准具备生命力的有效手段。标准的广泛使用是证明标准有效性的明显特征,因此结合内外部环境制定合适的标准推广策略,比如利用标准的外部性、成立标准咨询组织等,是强化标准生命力、影响力的有效保障措施。标准评价升级、加强推广是实现标准化最终目标的关键。

6 结语

本文从智慧水利概念达成共识、数字孪生水利研究与实施、智慧水利业务应用实施保障3个方面分析了以数字孪生水利为核心的智慧水利标准的建设需求。结合水利部设计的以数字孪生水利为核心的智慧水利总体框架,提出了由智慧水利的基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准6项子标准构成的以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系框架,并阐述了这6部分子标准体系,期望能够为智慧水利标准研究与制定工作提供有益参考。

智慧水利标准很多工作有待深入开展,未来工作重点主要集中在以下几个方面:

1)总体规划、标准先行。智慧水利标准的发展对智慧水利建设至关重要。目前,智慧水利已逐步进入研究建设阶段,但智慧水利标准远滞后于智慧水利的发展,国内发布的标准与智慧水利标准体系的要求还有差距。因此,需要结合“先行先试”试点经验和水利信息化现有标准的缺失,加强智慧水利标准体系总体规划,用来指导我国智慧水利标准明细表的制定。

2)智慧水利基础共性标准应作为先导标准尽快制定;信息化基础设施层作为智慧水利的基础标准,应充分结合水利特点进行专业化处理;数字孪生平台作为智慧水利的核心标准,应根据行业资源进行重点建设,以确保数字孪生提供水利决策的前瞻性。

3)我国智慧水利标准的发展,应首先组建专业的标准组织,然后完成顶层规划和关键标准的制定,再开展试点示范推广标准化优势,逐步完善标准,升级标准,实现智慧水利标准制定、实施、宣贯、优化的发展路径。

4)智慧水利标准建设任重道远,笔者基于对标准现状的调查以及实际经验,分析了现状和存在的问题,初步提出了智慧水利标准体系,作为抛砖引玉,希望能够得到全社会关注,能够促进智慧水利标准的深入研究。

致谢:感谢水利部信息中心钱峰副主任的具体指导和周逸琛工程师的帮助!