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      智慧黃河建設(shè)框架與思考

      2021-12-22 12:26:04張金良張永永霍建偉何劉鵬
      中國水利 2021年22期
      關(guān)鍵詞:黃河流域黃河水利

      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。

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      為奪取雙勝利提供堅實水利保障(Ⅱ)
      為奪取雙勝利提供堅實水利保障(Ⅰ)
      水利工會
      『黃河』
      黃河流域燦爛的齊家文化——陶器
      收藏界(2019年2期)2019-10-12 08:26:10
      黃河知道我愛誰
      增強(qiáng)大局意識 提升黃河流域生態(tài)保護(hù)發(fā)展水平
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