張金良，張永永，霍建偉，何劉鵬

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，450003，鄭州；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），450003，鄭州）

黨的十九大明確提出要建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會。為貫徹落實國家信息化發(fā)展綱要，2019 年水利部印發(fā)《加快推進(jìn)智慧水利的指導(dǎo)意見和智慧水利總體方案》，把智慧水利建設(shè)作為推進(jìn)水利現(xiàn)代化的重要舉措。2021 年全國兩會通過《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，明確提出構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單位提升水情測報和智能調(diào)度能力。為全面落實國家戰(zhàn)略規(guī)劃要求，水利部將智慧水利作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志和六條實施路徑之一，提出推進(jìn)水利場景數(shù)字化、模擬精準(zhǔn)化、決策智慧化，通過預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”功能實現(xiàn)，賦能以水旱災(zāi)害防御和水資源管理與調(diào)配為主的“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用，為水利智慧化決策提供科學(xué)支撐。在分析黃河流域水利信息化建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌黃河治理保護(hù)需求和水利信息化建設(shè)需求，提出智慧黃河建設(shè)的總體目標(biāo)和總體框架，探討智慧黃河建設(shè)的主要任務(wù)，以期為智慧黃河建設(shè)頂層設(shè)計提供思路框架和參考。

一、黃河流域水利信息化建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

2001 年以來，通過防汛減災(zāi)、水資源管理與調(diào)度、水資源保護(hù)等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)用，黃河治理保護(hù)工作的現(xiàn)代化管理水平顯著提升。但對標(biāo)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、國家及水利部信息化建設(shè)、流域水利高質(zhì)量發(fā)展等要求，與突飛猛進(jìn)的先進(jìn)信息技術(shù)相比，黃河流域水利信息化在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面存在明顯短板。

1.數(shù)字化方面

水利信息綜合采集體系初步形成。通過流域水情自動測報系統(tǒng)和水情分中心建設(shè)，水、雨、工、墑情站網(wǎng)布局更加合理；實現(xiàn)流域干流139 個取水口在線監(jiān)測，建成水土流失動態(tài)監(jiān)測站點52 個，整合形成1 000 余路視頻點的統(tǒng)一視頻服務(wù)平臺；建成黃河流域“水利一張圖”并廣泛應(yīng)用。但存在感知體系不健全、采集要素和覆蓋范圍不全、監(jiān)測能力不足、采集自動化智能化水平不高等問題，如流速、泥沙等水文要素監(jiān)測依然以人工為主，信息資源依然條塊分割，開發(fā)利用程度較低，“水利一張圖”還沒有在全行業(yè)實現(xiàn)全面應(yīng)用。

2.網(wǎng)絡(luò)化方面

基本形成黃委—委屬單位—市局—縣局—沿河基層單位五級專用通信傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?；緦崿F(xiàn)黃委機(jī)關(guān)（核心網(wǎng)）、各省局（包括各所屬單位）、市和縣局的四級計算機(jī)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)全覆蓋，實現(xiàn)了與黑河流域管理局和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以及黃河下游78 座引黃涵閘的網(wǎng)絡(luò)接入。流域水利網(wǎng)絡(luò)安全體系初步形成，水利網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力和水平明顯提升。但存在信息基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、信息傳輸帶寬嚴(yán)重不足、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋“深度”和“廣度”不足、基礎(chǔ)設(shè)施保障能力嚴(yán)重不足等問題，如多數(shù)基層單位網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，仍有部分基層單位尚未接入黃河通信網(wǎng)。

3.智能化方面

黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)、防汛抗旱指揮系統(tǒng)、水資源監(jiān)控能力建設(shè)、水政監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目等一批重大項目建成投用，為黃河流域水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)度、水政管理、水土保持監(jiān)督監(jiān)測、水利工程建設(shè)管理等水利業(yè)務(wù)提供有力支撐，有效提升了黃河治理保護(hù)管理工作現(xiàn)代化水平。但存在應(yīng)用和業(yè)務(wù)融合不足、高新技術(shù)應(yīng)用水平不高等問題，如水工程智能控制與聯(lián)合調(diào)度能力不足、水旱災(zāi)害防御及水資源管理與調(diào)配的智慧化程度不高等。

二、智慧黃河建設(shè)總體框架

1.總體目標(biāo)

充分運(yùn)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建黃河治理保護(hù)全要素的天空地一體化水利感知網(wǎng)和治河管河業(yè)務(wù)全覆蓋的高速穩(wěn)定安全的新一代水利信息網(wǎng)，建成具有水利全要素數(shù)字化映射、全息精準(zhǔn)模擬、超前仿真推演和評估優(yōu)化的數(shù)字孿生流域，建成以流域水旱災(zāi)害防御和水資源管理與調(diào)配為重點，水土保持、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利工程建設(shè)管理、河湖管理、政務(wù)協(xié)同為補(bǔ)充的“2+N”結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，賦能預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”體系，建立主動感知、智能防御的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，實現(xiàn)流域管理業(yè)務(wù)與信息技術(shù)的深度融合和智慧應(yīng)用，實現(xiàn)流域保護(hù)治理狀態(tài)庫快速感知、流域水旱災(zāi)害防御的智能高效、水資源調(diào)配管理的精準(zhǔn)實時、水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度自如、水生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)控的全面覆蓋，為流域水治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供有力支撐與強(qiáng)力驅(qū)動。

圖1 智慧黃河建設(shè)總體框架圖

2.總體框架

根據(jù)智慧黃河建設(shè)的總體目標(biāo)，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字孿生流域為基礎(chǔ)、以算據(jù)算法算力為核心、以物理流域與孿生流域同步仿真運(yùn)行為驅(qū)動、以智慧黃河預(yù)報預(yù)警預(yù)演預(yù)案為目的，構(gòu)建滿足“數(shù)字化場景，精準(zhǔn)化模擬，智慧化決策”的智慧黃河體系?？傮w框架如圖1 所示。

三、智慧黃河建設(shè)主要任務(wù)

1.構(gòu)建黃河流域基礎(chǔ)支撐能力

充分運(yùn)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，在黃河流域升級新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，在計算機(jī)上模擬黃河流域的水系、水網(wǎng)及各項水利治理管理活動，建立全要素真實感知的黃河流域及其影響區(qū)域數(shù)字化映射，構(gòu)建多維多元高保真數(shù)字模型，強(qiáng)化物理流域與孿生流域的實時同步仿真運(yùn)行，為“四預(yù)”功能運(yùn)行提供支撐。

（1）建設(shè)新型信息基礎(chǔ)設(shè)施

網(wǎng)絡(luò)計算存儲等基礎(chǔ)設(shè)施高速發(fā)展為智慧黃河建設(shè)提供了高效的計算服務(wù)能力，為流域監(jiān)管海量數(shù)據(jù)存儲、處理提供保障。升級黃河信息網(wǎng)，改造網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備和網(wǎng)信安全設(shè)備，打造高速、靈活、安全新一代信息骨干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造全覆蓋、全面支撐IPv6、下一代SDN 架構(gòu)黃河信息網(wǎng)；建設(shè)黃河云，充分整合利用已有計算、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施資源打造新一代綠色節(jié)能安全穩(wěn)定的黃河云數(shù)據(jù)中心。

（2）建立黃河流域數(shù)字底座

以黃河流域各類基礎(chǔ)設(shè)施等為基礎(chǔ)，以全流域數(shù)字地形為基石、干支流水系為骨干、水利工程為重要節(jié)點，構(gòu)建以水利數(shù)據(jù)模型、水利空間網(wǎng)格模型、水工程BIM 模型、監(jiān)測感知數(shù)據(jù)等基準(zhǔn)融合的多維多時空尺度數(shù)據(jù)模型，對物理流域及其影響區(qū)域進(jìn)行全要素數(shù)字化映射，形成黃河流域的數(shù)字化場景，構(gòu)建黃河流域的數(shù)字底座。

（3）構(gòu)建黃河流域數(shù)字孿生平臺

在黃河流域數(shù)字底座基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等信息技術(shù)和專業(yè)模型方法，以黃河流域管理范圍為邊界、各項業(yè)務(wù)活動為主線、預(yù)報預(yù)警為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建黃河流域數(shù)字孿生平臺，在數(shù)據(jù)空間對黃河流域水利治理活動進(jìn)行全息智慧化模擬，對可視化仿真模型和數(shù)字模擬仿真引擎進(jìn)行渲染呈現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)字流域精準(zhǔn)化模擬，支撐水安全要素預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的模擬分析。

2.建設(shè)黃河大腦

（1）構(gòu)建以知識圖譜為核心的黃河流域大數(shù)據(jù)知識庫

以監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、跨行業(yè)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以水旱災(zāi)害防御、水資源優(yōu)化配置為主線，利用圖譜分析展示水利數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的整體知識架構(gòu)，描述真實世界中的江河水系、水利工程和人類活動等實體、概念及其關(guān)系。構(gòu)建大數(shù)據(jù)存儲管理智能服務(wù)能力，應(yīng)用知識圖譜技術(shù)串起業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、調(diào)度預(yù)案、業(yè)務(wù)規(guī)則、專家經(jīng)驗、歷史場景等，實現(xiàn)黃河流域各類水利知識的共建共享與便捷查詢。

（2）構(gòu)建新一代數(shù)學(xué)模型體系

數(shù)學(xué)模型是智慧水利的核心和靈魂，要加快推進(jìn)新一代模型研發(fā)，突破水利智慧化模擬“卡脖子”難題，為加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧黃河體系提供模型支撐。

在流域洪水（徑流）預(yù)報方面，研發(fā)具有強(qiáng)物理基礎(chǔ)、遙感大數(shù)據(jù)和高性能并行計算的新型分布式水文模型，提升精細(xì)化模擬和預(yù)報能力，研究多源信息融合的網(wǎng)格化數(shù)值預(yù)報技術(shù)，延長水文預(yù)報預(yù)見期。在泥沙預(yù)測方面，研究模型高速化、智慧化、精準(zhǔn)化建模方案，推動傳統(tǒng)模型升級換代。在水工程調(diào)度方面，研究流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度模型、流域水工程綜合調(diào)度模型等，提升流域水工程調(diào)度能力。在水資源管理應(yīng)用方面，圍繞水資源剛性約束制度落實，構(gòu)建流域尺度的水資源動態(tài)監(jiān)管與精細(xì)化調(diào)配模型，提升對流域水資源供需情勢變化的動態(tài)評估能力，提高水資源動態(tài)監(jiān)管能力。在數(shù)字化場景建設(shè)方面，研發(fā)具有仿真模擬和實時渲染的可視化模型，為物理流域提供高保真數(shù)字化映射，提供虛實融合的可視化場景。

（3）構(gòu)建智慧化水利模擬引擎

智慧化模擬仿真是針對流域特定模擬仿真應(yīng)用場景，根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真計算需要，調(diào)用實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和其他特定數(shù)據(jù)，基于數(shù)字孿生流域，對水利業(yè)務(wù)活動進(jìn)行推演模擬、風(fēng)險評估和可視化仿真，生成可行調(diào)度方案集，為制定預(yù)案提供支撐。智慧化模擬仿真包括水利業(yè)務(wù)場景信息要素提取、模擬仿真計算、調(diào)度實例管理。

①水利業(yè)務(wù)場景信息要素提取。針對特定模型仿真場景需求，形成以水系、行政區(qū)、水工程等節(jié)點信息為主的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，直觀顯示節(jié)點聯(lián)系及水力聯(lián)系，同時快速提取業(yè)務(wù)場景所需的河流、河段、水工程以及行政區(qū)社會經(jīng)濟(jì)等各類要素的基礎(chǔ)信息、特征指標(biāo)等信息，為特定場景下的仿真模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

②模擬仿真計算。針對水利業(yè)務(wù)場景調(diào)度要求，靈活配置水利專業(yè)模型，也可通過模型組裝形成新的模型，根據(jù)模型計算需求自動提取計算參數(shù)以及實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和其他特定數(shù)據(jù)，基于可視化模型進(jìn)行模型仿真計算，對仿真過程進(jìn)行動態(tài)、實時的全要素分析、決策和優(yōu)化，推動預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案全流程的仿真測試驗證，并隨時反饋到物理流域的相應(yīng)對象、對應(yīng)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)物理流域的控制與運(yùn)行，為調(diào)度方案的制定和執(zhí)行提供智慧化決策支持。

③調(diào)度實例管理。將水利業(yè)務(wù)場景下的模型仿真計算成果形成調(diào)度實例庫，對仿真計算實例從調(diào)度目標(biāo)確定、業(yè)務(wù)場景構(gòu)建、模型加載、模型啟動條件以及參數(shù)選擇、仿真過程監(jiān)管等實際調(diào)度反饋進(jìn)行全方位、全過程管理，能夠?qū)φ{(diào)度實例進(jìn)行查詢、分析和可視化管理。

（4）構(gòu)建以黃河模擬器為核心的智慧流域

以黃河流域數(shù)字孿生平臺為基礎(chǔ)，以黃河大數(shù)據(jù)庫、智能算法和水利引擎為核心，利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互等信息技術(shù)，以預(yù)演為反饋、知識為驅(qū)動，實現(xiàn)黃河流域各類治理管理行為實時同步運(yùn)行、全面精準(zhǔn)預(yù)警、超前仿真推演和動態(tài)數(shù)字預(yù)案，支撐黃河流域智慧化決策。

3.建設(shè)“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系

統(tǒng)籌黃河流域治理保護(hù)需求和流域職能管理需求，在整合優(yōu)化現(xiàn)有水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用智能中樞提供的模型平臺和知識平臺支撐，以預(yù)報預(yù)警預(yù)案為基礎(chǔ)、預(yù)演為反饋，構(gòu)建包括水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配等2 項重點業(yè)務(wù)，以及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水土保持、水利工程建設(shè)管理、河湖管理、政務(wù)協(xié)同等N 項業(yè)務(wù)為補(bǔ)充的“2+N”結(jié)構(gòu)的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，為水利業(yè)務(wù)決策提供智慧化支持。

（1）黃河流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)

充分利用現(xiàn)有水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合流域水旱災(zāi)害防御需求，共享調(diào)用數(shù)字孿生流域，建設(shè)包括重點區(qū)域、重點河段、重點水工程以及防洪影響區(qū)域等數(shù)字化場景，研發(fā)實現(xiàn)“四預(yù)”功能所涉及的防災(zāi)調(diào)度專業(yè)模型以及可視化模型，構(gòu)建包括水工程調(diào)度規(guī)則庫、專家經(jīng)驗庫、歷史案例庫等的調(diào)度知識庫，形成防災(zāi)調(diào)度智能中樞。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)黃河流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，在數(shù)字化場景中實現(xiàn)預(yù)報調(diào)度一體化，及時準(zhǔn)確預(yù)報、基于規(guī)則和風(fēng)險的全面精準(zhǔn)預(yù)警、人機(jī)互動的同步仿真預(yù)演、動態(tài)優(yōu)化的精細(xì)數(shù)字預(yù)案，為流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度及水旱災(zāi)害防御提供智能化、科學(xué)化的技術(shù)支持。

（2）黃河流域水資源管理與調(diào)配系統(tǒng)

在現(xiàn)有流域水資源管理與調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，共享調(diào)用數(shù)字孿生流域，形成水資源管理調(diào)配的數(shù)字化場景，構(gòu)建黃河流域水資源管理與調(diào)配系統(tǒng)，以流域套區(qū)域為單元，采集行政區(qū)界斷面、取退水口、用水戶、地下水等站點的流量、水量等信息，動態(tài)掌握流域水資源總量、實際用水量等信息，研發(fā)水資源管理調(diào)配專業(yè)模型，預(yù)測預(yù)報流域主要來水區(qū)徑流、流域區(qū)域需水、生態(tài)流量、地下水等關(guān)鍵要素，對用水限額、生態(tài)流量、地下水超采等紅線指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，對水資源管理調(diào)配進(jìn)行智慧化模擬預(yù)演，制定和優(yōu)化調(diào)整預(yù)案，為推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用提供智慧化決策支持。

4.構(gòu)筑基于密碼機(jī)制的智慧黃河安全防護(hù)體系

智慧黃河以網(wǎng)絡(luò)的高度連通和數(shù)據(jù)的高度共享為基礎(chǔ)支撐，實現(xiàn)了系統(tǒng)的跨層級、跨部門、跨系統(tǒng)、跨網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用服務(wù)。信息科技賦能的同時，也帶來更加復(fù)雜的安全風(fēng)險，防御難度增加，影響損失加劇。智慧黃河與信息安全是一體之兩翼，驅(qū)動之雙輪，須統(tǒng)一謀劃。智慧黃河通過密碼技術(shù)的嵌入，能有效提升其內(nèi)生安全。綜合運(yùn)用CA 證書認(rèn)證、密鑰管理、簽名簽章、時間戳服務(wù)等加密技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的身份認(rèn)證和鑒別機(jī)制，確保操作用戶身份的真實性和合法性，提高用戶操作的可追溯性。采用加密算法對關(guān)鍵、敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、校驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸，防止數(shù)據(jù)泄露和被篡改。不僅如此，強(qiáng)化“大安全”意識，智慧黃河還需要構(gòu)建信息安全新體系，以有效應(yīng)對復(fù)雜的安全形勢。在信息安全等級保護(hù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新集成密碼、立體感知印證、安全態(tài)勢感知、動態(tài)防御等安全防護(hù)技術(shù)，構(gòu)筑堅強(qiáng)有力的信息安全運(yùn)行環(huán)境，為智慧黃河、智慧水利建設(shè)保駕護(hù)航。

四、結(jié)語

智慧黃河建設(shè)要充分利用現(xiàn)有水利業(yè)務(wù)資源，遵循智慧水利建設(shè)總體框架，推進(jìn)云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一代信息化技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，強(qiáng)化數(shù)字孿生流域中的動態(tài)交互、實時融合和仿真模擬，實現(xiàn)“2+N”業(yè)務(wù)的“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能。智慧黃河是補(bǔ)齊流域水利信息化短板、防御水旱災(zāi)害、落實水資源剛性約束制度、實施水工程聯(lián)合調(diào)度、強(qiáng)化水土保持、加強(qiáng)河湖管理等水利業(yè)務(wù)工作的重要賦能手段，對于提升流域水利現(xiàn)代化管理能力具有重要支撐作用。