数字经济背景下的江苏省数字孪生流域建设实践

鲁 扬,赵杏杏

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

随着数字经济的飞速发展,数字化转型为高质量发展注入新动力。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出:“发展数字经济,推进数字产业化和产业数字化,推动数字经济和实体经济深度融合”,《“十四五”数字经济发展规划》提出:“充分发挥海量数据和丰富应用场景优势,促进数字技术与实体经济深度融合,赋能传统产业转型升级,催生新产业新业态新模式,壮大经济发展新引擎”,2022年《政府工作报告》指出要“促进数字经济发展,建设数字信息基础设施,完善数字经济治理,培育数据要素市场,释放数据要素潜力”。水利部将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一,并明确提出智慧水利是新阶段水利高质量发展的显著标志[1]。如何在数字经济蓬勃发展背景下解决数字孪生水利建设所面临的难题与挑战,成为当前水利数字化、信息化、智能化建设工作的重点和难点。

数字经济是以数据资源为核心要素,以现代通信网络为主要载体,以信息通信融合应用、全要素数字化转型为推动力[2],利用数字技术对数字化的知识、信息进行识别、选择、存储、使用,引导数据资源快速优化配置,实现实体增值和经济高质量发展的经济形态[3]。国内国外经济的双循环发展,数字的经济的持续渗透,带来了供应链物流服务[4]、智能制造[6]的增速发展。数字孪生作为新一代信息技术,是数字经济的高阶段形式[6],在助力数字经济与实体经济深度融合过程中扮演着重要角色,逐步成为数据经济的基础支撑[7],数字经济背景下的“孪生海洋”信息模型的构建为我国海洋经济数字化、信息化转型发展提供了参考[8],数字经济的网络外部效应、交易成本节约效应以及包容性增长推进数字孪生长江建设,助推长江全流域高质量发展[10]。根据中华人民共和国水利部(以下简称水利部)推进的智慧水利建设部署,建设数字孪生流域已经成为当前智慧水利建设的核心任务与目标。数字孪生流域建设作为未来流域治理管理的新基建新范式[9],以流域为建设单元,以时空数据为底板,以江河水系为经络走向,以水利工程为区间节点[10],以水利模型为核心,以水利知识为驱动,对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智慧化模拟,实现与物理流域的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化,支撑精准化决策,通过在虚拟世界中模拟和再现流域涉水对象的关联关系,解析涉水对象时空动态演变规律,实现流域水模拟、水工程调度及其影响快速响应与精准分析,满足流域管理“全视角、多维度、全过程”的综合管理需求,为新阶段水利高质量发展提供有力支撑[11]和强力驱动,推动水利高质量发展。目前,长江流域[12]、黄河流域[13]、珠江流域[14]、海河流域[10]等已建立相关数字孪生流域平台,江苏省正在加快推进数字孪生建设实践步伐,建成数字孪生秦淮河[15]示范工程。当前数字孪生流域的研究多从技术研发与业务应用角度出发,尚没有研究从数据经济发展的角度,探讨数字孪生流域建设促进水利数字化转型及水利数据经济化、资产化对数字孪生流域建设的影响。基于此,本研究提出了数字孪生水利建设数据要素化整体架构,从水利数据产业转型升级角度出发,探索水利数字经济发展新举措,并从江苏省数字孪生流域建设角度进行实践论证。

1 数字孪生水利数据要素化整体架构

数字经济时代,数据成为土地、资本、技术之外的又一重要生产要素[16]。水利数据建设部门分散、孤岛现象严重、产权界定难、交织作用因素众多、数据安全要求高,导致水利数据难获取、难应用、难公开,影响水利数据的使用及数字孪生流域的建设。因此,水利数据产业转型升级是关键。水利数据产业转型升级,是解决现有水利数据在数据统一、易于获取、便于使用等方面存在的问题的重要途径,通过打造水利数据资产市场,促进水利数据在水利行业乃至涉水行业可靠、安全、有效的应用,最大化发挥水利数据的社会价值、经济价值。转型的关键在于确保水利数据的准确性、一致性、时效性、完整性,保证水利数据的统一规范管理、多维关联组织、精准需求匹配、高效安全应用。为此,需要探索水利数据的资源化、资产化、资本化的新形态(图1),加快释放水利数据价值,催生水利数字经济新产业、新业态和新模式。

1.1 数据资源化

数据资源化是以实现水利数据的跨系统、跨部门、跨层级、跨地区的汇聚、治理、组织与管控为目标,实现对高维水利数据的一体化组织,实现多维数据资源的精准匹配和灵活应用,为水利数据资产化提供技术支撑。水利数据包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等多类、多源、异构、海量、动态、复杂的数据,通过构建空间特征、业务特征和关系特征一体化组织的水利数据模型(图2),实现水利数据的“规范-汇集-治理存储-挖掘-服务”,确保多源异构水利数据的准确性、一致性、时效性和完整性,形成统一、权威、实时的数据服务,实现水利数据跨层级、跨地域、跨业务的协同管理和服务,保障数据安全,为水利数据资产化服务、资本化交易提供多维度关联的数据资源,是数字孪生流域建设的基础。

图2 数据一体化组织框架

1.2 数据资产化

数据资产化以数据资源化为基础,对水利数据进行挖掘和价值提炼,使其具有经济效益,并形成精准化与个性化的水利数据产品,是水利数据转型的高级形态,是推进水利数据资本化的核心。针对水利数据量大、维多的特征,数据资产化以知识引擎为工具,对数据资源进一步分析、挖掘,获取深层次的潜在数据关系,通过知识的表示、抽取、融合、推理等技术手段,挖掘流域水利对象和业务应用间相互关系,形成水利知识图谱,通过对用户和业务需求的精细化分析,从功能、关系、属性3个维度打造多维度的数据标签,精准匹配目标数据资源和对应的数据标签集,形成多维度满足水利业务场景中的强关联数据需求。

1.3 数据资本化

数据资本化提供精准化、个性化水利数据资产,以实现水利数据在水利行业及涉水行业的资源共享,推进水利数据价值最大化为目标,探索水利数据产品的交易形态,实现水利数据由资产化向资本化的转变。针对复杂、多变的水利行业需求,以“2+N”业务需求为导向,以涉水行业水利数据应用为驱动,推动水利数据标签化配置,精准匹配多个数据服务能力,量身定制安全保障能力,实现数据“供需两端”真正贯通,并建立资本化窗口,依托大数据分析、数据底板生成、二维底板映射和三维底板映射等能力,实现数据多维角度、高低层次、实时动态、虚实融合的分析与表达,进一步释放水利数据资源的知识发现和辅助决策水平,实现水利数据的价值流转与市场交易。

2 江苏省数字孪生流域实践路径

以数字经济为背景,围绕“水利数据”这一关键生产要素,以水利数字化转型全面驱动数字孪生流域建设的生产方式、生活方式和治理方式变革,借力“四个协同”打造数字经济在水利行业新业态、新形势、新优势。为此,江苏省进行了多角度探索,多领域实践,多范围应用。

2.1 数字基础布局

万物感知、万物智联的水利基础设施是提升数字孪生流域建设“算力”的基础,是实现数据资源化的关键。江苏省按照“整合已建、统筹在建、规范新建”的原则统筹规划,布设三级网络节点促进数字孪生流域的互联互通,提升对物理流域状态监测能力和智能感知能力,加强存储和计算资源的优化整合和集约化利用,优化云资源配置,为水利业务应用提供基础支撑环境。

2.1.1信息网络基础设施

信息网络基础设施是数字孪生流域建设的“通道”,为各类感知信息提供可靠的传输途径。信息网络基础设施主要包括水利物联网、水利业务网、水利工控网和应急通讯。为保证全省数字孪生流域建设的运行,形成结构优化、灵活流转、安全可靠的网络体系,按照江苏省数字资产共建共享共用的原则,在江苏水利云已有资源的技术上,分级部署全省数字孪生流域运行网络体系,以江苏省水利厅(以下简称水利厅)为一级节点,作为江苏省水利数据资产汇聚、分发和共享的中心;以江苏省水利科学研究院、南京市水利科学研究院、各地市水利局(水务局)(目前在南通市部署)为二级节点,作为江苏省水利数据资产对上与水利厅,对下与各水利工程、各区县的数据流转、上架的枢纽;以各水利工程、各区县作为三级节点,作为数据上架、共享的终端。目前,江苏省已在赵村水库、武定门泵站、中报和、吴淞江、淀山湖圩区等地部署约10处三级节点。

2.1.2智能物联设施

智能物联设施网络布局是数字孪生流域建设的“抓手”。江苏省创新实现基础常规站点监测、体检扫描式面状监测和重点业务核查式监测的融合模式,在“十四五”期间规划新建、改建各类水文站点共1180处,配置28台套水雨情测验一体机、64套走航式ADCP、26艘遥控船、23套无人机测流系统、50套在线单兵巡测系统,完善以水源、输水、取水、用水、节水等水资源开发利用为目的的监测网络,加强水生态环境采集站网建设升级,对全省水土保持监测点进行优化调整,多手段全范围加强数字孪生流域态势感知能力。

2.1.3计算资源和存储资源

水利云平台是数字孪生流域的“算力”支撑,能够整合水利行业内外部资源,为水利行业的数字化转型升级提供支持和保障,推动水利行业向数字化管理模式转型,提高水利行业的现代化水平。为保证全省数字孪生流域的计算运行,满足水利数据资产存储管理、分析挖掘、业务应用等环节的资源需求,实现数据资源、智能中枢和业务运行的高效协同,水利厅在一级节点部署算力及存储服务器19台,CPU资源668物理核,内存资源7168GB,存储资源776TB,高性能存储140TB;在二级节点部署算力及存储服务器34台,CPU资源964物理核,内存资源5120GB,存储资源403TB,高性能存储空间45TB(图3)。

2.2 平台能力支撑

江苏省打造数字孪生水利智能中枢,作为实现数据、模型、知识等数据资产汇聚、治理、服务和管理的共建共享中心,在数字孪生流域中主导进出、控制捭阖、描绘时空。水利数据与中枢的交融,一方面,培育了水利数字资产“沃土”,实现涉水大数据、水模型、水知识的全面汇聚发酵,孕育水旱防御、水资源配置等各类业务应用系统,激发行业的数字化转型;另一方面,打通了数字资产的产业链,实现了核心技术与产品在广度和深度上的融会贯通,形成百花齐放的新业态。

2.2.1数据平台

数据平台是数字孪生流域的“基石”,为水利专业模型及水利知识提供数据服务,支撑上层智能应用。为打破水利数据利用率低、定价难、共享壁垒高、安全风险大等问题,江苏省自主研发,汇聚江苏省全流域水利基础、监测、业务、地理空间及跨行业共享等多源多类型时空数据[17],根据标准统一的水利对象分类体系,点、线、面水利对象的空间、属性、关系、时态等信息,构建水利数据资产“汇聚-治理-萃取-流转-应用”的数据生态服务平台,接入水文化遗产、遥测应用库、地下水等在内的1582张表(表1),打造全新的水利数据要素化方式,为实现水利数据的资源化、资产化、资本化的“蝶变过程”提供有效路径,为全省数字孪生流域的建设提供有效支撑。

2.2.2模型平台

模型平台是数字孪生流域的“算法”核心,向下调用数据底板价值数据,实现数字孪生流域的精准映射和虚实互动。江苏省基于“模型构建灵活化、模型业务应用标准化、平台服务个性化”原则打造数字孪生流域模型平台(图4),汇聚新安江模型、一维水动力模型、二维水动力模型、一二维水动力耦合模型、水工调度模型等35个集总式预报模型和分布式模型,漂浮物识别、水尺识别、积水识别、遥感影像判别等10个AI模型。为提高模型的重用率及灵活性,根据水文模型的组件化思想和领域驱动设计思想,对模型进行特征化提取,根据流域特征要素、气候条件等对模型进行标签化分类,从空间尺度实现模型多维度嵌套,并结合水灾害防御、水生态环境保护等业务场景的气候和下垫面特性,自动匹配可适用模型,实现模型服务的自主推荐、自有适配和灵活组合,并提供模型组件的开发、调用和共享标准,服务于全省各级水利业务应用的模型组件调用和模型搭建,实现跨区域、跨单位、跨级别的共享,提高数字孪生流域的建设效率,保证功能的正确有效快速实现,支撑业务场景的“四预”应用。

图4 模型平台架构

2.2.3知识平台

知识平台是数字孪生流域的“智慧”。知识平台的构建聚焦流域精细管理和精准调度的需求,通过深度学习和知识图谱等技术,耦合水利对象关联关系、调度方案、业务规则和专家经验等知识,挖掘水利业务关键影响要素,结合物理过程构建单主题知识图谱以及多主题耦合知识图谱,针对不同水、雨、工、险情特征,驱动风险预警、调度方案的智能生成与自适应优化,形成对水利知识的统一管理,并建立自学习进化机制,实现决策的精准响应与快速迭代,为数据和模型调用提供智能内核(图5)。江苏省以水利部开展的全国数字孪生流域先行先试工作为契机,分流域分区域逐步构建知识图谱,目前,已面向水利“四预”业务应用提供预报方案、预警规则、相似场景推演、处置预案等场景,在秦淮河流域、南通城区、太湖流域、沂沭泗流域形成41个知识图谱,图谱平均日访问量可达300余次。

图5 知识平台框架

2.2.4安全能力

安全能力是数字孪生流域建设的“屏障”,重点在于以数字资产的全过程可信服务为目标,以安全伴生为理念,形成数据安全“识别、防护、检测和响应”为一体的智能化、主动化、持续化的数据安全防护体系。为保障数字孪生流域系统安全、网络安全及水利数据资产安全,全省结合当前网络安全建设现状,对全省网络安全防护体系升级增强,从物理和环境安全、网络和通信安全、设备和计算安全、应用和数据安全四个层面进行技术保障体系建设。构建网络安全态势感知平台、应急处置平台及安全伴生系统,通过全过程感知、全流程处置、全周期监管,实现水利数据资产的全盘可控,提升水利数据从采集、存储、处理、交换的安全能力,保障防汛、水资源配置、水利工程管理等水利业务开展全过程的智能防护保障。

2.3 数据场景应用

数据供给和业务应用需求的均衡协同,是水利数据资本化的关键。一方面,需要充分利用现有水利数据基础,面向水利业务应用的需求,提供更为丰富的数字化新产品与服务阳台,满足数字化发展中业务需求的结构性升级需要;另一方面,需要把握数字技术的强大赋能力量,加快水利行业数字技术与业务应用的深度融合,丰富水利产业数字化的智能场景应用。

2.3.1水利数据应用基础

水利数据涉及基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等多源异构数据,具有数据质量参差不齐、高维数据挖掘与应用不足、数据资源发现能力欠缺、数据要素缺少合适流通形态等问题,实现数字经济与水利产业的融合,实现全省水利数据的汇聚整合是基础。为此,江苏省打造数据一体化平台,汇聚各区域各流域3093个水文监测站点,产生水情监测数据622519902条,雨情监测数据697123960条,预报降雨数据519453条,工情数据8368713条,为水利数据资产化、资本化提供良好的基础支撑。

2.3.2数字孪生底板

数字孪生底板是智慧水利的“算据”,是水利数据产业化的直观可视化表达。江苏省数字孪生流域底板的构建,以全国水利一张图为基础,以江苏省水利一张图为底图(图6),以统一、权威、实时的数据资产化服务为基础,完善数据类型、数据范围、数据质量,优化数据融合、分析计算,以分区、分级、分时建设为原则,以建成含水利部共享的DOM、江苏省水利0.3m卫星影像图、30mDEM、全省建筑白模数据的L1级数据底板,汇聚水情、雨情、视频、网格化气象降雨数据、部分区域的防汛物资、仓库、河长、断面、防洪工程基础信息数据的L2级数据底板,形成约3万km2的江苏省水利三维底板,共汇聚27类10TB余涉水基础数据,160GB余活态数据,内置共计约100亿条数据,日平均增长约30万条,数据集成及治理作业运行共计约59.7万次。

图6 江苏省数字底版框架

2.3.3智能场景应用

以加快推动数字经济与水利行业融合发展为目标,以水利需求为导向,紧密围绕江苏省数字孪生流域建设“2+8”业务应用需求,升级水旱灾害防御系统,实现预报调度一体化、调度决策智能化、调度过程可视化;完善水资源调度系统,构建水资源调度模型,实现江苏南水北调、江水北调、引江济太工程全流程智能化、精细化调配与管理;同时推进河湖管理、农村水利、水利工程建设、水利工程运行、水政执法、水资源管理、水文系统管理、政府管理与服务等八大应用,实现水利多场景的数据融合与应用,提升水利全业务领域智能决策辅助能力,实现各种资源、能力与服务的标准化和产品化,能够实现复杂水利业务应用的敏捷搭建、快速发布和全面推广,为数字孪生流域的全面建设提供产品化服务。

2.4 数字孪生流域建设

数字孪生流域通过数据平台、模型平台、知识平台的打造,实现了物理流域和数字虚拟流域之间的数字映射,两者相互融合、相互交互、相互增强。数字孪生流域的建设任重道远,需要强化自主可控核心技术的创新与改革,提高基于大数据和人工智能的数据分析及智能决策能力,加强顶层设计与试点先行,逐步推进数字孪生流域工作的建设和推广。

2.4.1国产化应用

深度践行安全自主可控,依据《信创工程实施方案》,打造软件自主研发新环境,打通数据资源和公共服务资源链路,建设江苏水利数据治理管理平台。同步在线安全伴生系统,实现数据资产分类分级保护、数据流转监测与安全事件快速溯源等能力。比如:创建工控管理提升新计划,实现关键水利工控核心设备和软件的国产化替代;引进视频集成融合新技术,建设符合《公共安全视频监控联网信息安全技术要求GB 35114—2017》等相关规范要求的信创视频监控平台等。

2.4.2水利智能中枢建设

水利部党组先后召开系列会议,印发《大力推进智慧水利建设的指导意见》、智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》《数字孪生流域共建共享管理办法(试行)的通知》《水利业务“四预”基本技术要求(试行)>的通知》《数字孪生流域建设技术大纲(试行)>的通知》《数字孪生水利工程建设技术导则(试行)>的通知》等系列文件,江苏省深度响应部委要求,加快数字孪生流域建设共建共享步伐,打造“水利智能中枢”,托举省、市、县各类工程建设,建设具有自主产权的普适性水利数据治理管理、服务数字孪生建设的操作系统,高效融通数据资源,实现模型与知识体系相辅相成,为数字孪生流域提供基础算据、算法和知识等能力支持。同时,推进全省水利数字资产跨部门、跨层级、跨地区的整合共享,安全防护、优化配置和赋能服务,提升水利精细化管理和精准化决策水平。

2.4.3数字孪生技术试点

重点加强新一代信息技术与水利业务深度融合。依托“AI+”技术打造数字底板,构建细节丰富、高度还原的大范围三维数字孪生场景,满足数字孪生流域对高质量三维地理镜像空间的需求,同时具有效率高、成本低等优点。实现各类监测数据和业务数据的立体感知和全面互联体系建设;强化规划设计、建设过程、运行工况等全生命周期智能化管理体系建设;基于区块链技术去中心化、不可篡改、可追溯的特性,在智能中枢实现高效率、无中心化代理、大规模、高度安全的水信息资产交互方式。

2.4.4数字孪生流域试点

根据《江苏智慧水利指导意见》《加强水利工程建设数字化工作意见》,围绕习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时代水利工作思路,按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求,以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为目标,综合考虑示范引领、地理区域、基础条件、水管理水平等因素,依托江苏省水利智能中枢算据、算法和工具引擎的能力支撑,开展部、省级数字孪生试点建设,赋能水灾害防御、水生态环境保护工作等智能应用,构建形成“及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案”的“四预”能力贯穿于流域管理的业务应用体系,试点建设方案需特色鲜明,具有丘陵山区流域和平原河网区等不同地形的数字孪生建设的典型性和代表性。以数字太湖湖体联动建设“引江济太”骨干河网、湖库、城市包围、重点枢纽工程等组成的水网“纲、目、结”数字孪生工程集群;推进建设长江江苏段“一线多点”的孪生集合场景,以秦淮河流域为示范,研制全省统一的数字孪生智能中枢,对全流域进行全要素数字映射,动态交互预演洪水淹没、水质演变、水利工程调度、应急抢险等场景,满足多目标调度决策需求;建设骆马湖、新沂河、海口闸一线的数字孪生体,实现物理与数字流域之间动态实时信息交互融合。建立骆马湖、沂河和中运河水动力模型,形成预报、预警、预演、预案“四预”功能的预报调度决策系统;打造南通主城区100平方千米的数字孪生水网,构建南通水利智能中枢服务,建设城区水灾害防御四预决策应用系统,提供城区活水调度决策数据支撑,建设水利工程精细化管理助手。

3 结 论

水利是九大基础设施建设之首[18],在数字经济时代,发展水利数字经济,推动水利业务数字产业化和产业数字化,促进数字技术与水利业务的深度融合,能有效促进水利产业转型升级,带动水利行业乃至涉水行业高质量发展。数字孪生技术成为数字经济的基础支撑,助力了数字经济与水利业务的深入融合。本研究研究了多源异构海量分散水利数据的要素化转型,从水利数据资源化、资产化、资本化角度构建了规范、统一、精准、完整、安全的水利数据要素化体系,加快释放了水利数据的价值,有效推动了我国数字经济在行业中的应用升级,充分释放了数字经济的外溢效应和倍增效应;并从万物互联与万物智联、数据与中枢、供给侧与需求侧、物理世界与虚拟世界“四个协同”维度,探讨了水利数据要素化体系在江苏省数字孪生流域建设中的实施路径,借助数字经济的发展,加速江苏省数字孪生流域建设步伐,助力数字经济与实体经济的深度融合。