對智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建的思考

李宗禮，張宜清，邢子強(qiáng)，呂 潔，劉家慧

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，100120，北京）

一、智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀

水利部高度重視智慧水利建設(shè)，將其作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展六條實(shí)施路徑之一，并印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》和《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》，提出開展數(shù)字孿生流域、“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、水利網(wǎng)絡(luò)安全體系、智慧水利保障體系等建設(shè)，到2035年各項(xiàng)水利治理管理活動(dòng)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

智慧水利是水利信息化的升級(jí)和發(fā)展。我國水利信息化建設(shè)成效顯著，構(gòu)建了全國水利一張圖、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源監(jiān)控體系等，規(guī)?；陨辖雍?、水利設(shè)施實(shí)現(xiàn)了空間化管理，水文監(jiān)測站網(wǎng)基本覆蓋所有的大江大河和有防洪任務(wù)的中小河流，水位、雨量等監(jiān)測要素基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測報(bào)，水工程聯(lián)合調(diào)度能力與水平顯著提升。水利信息化建設(shè)為智慧水利建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

進(jìn)入新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局，數(shù)字時(shí)代正通過智慧賦能使我國生產(chǎn)、生活和治理方式發(fā)生革命性變化。推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展，賦予了智慧水利建設(shè)新使命，數(shù)字孿生流域建設(shè)成為智慧水利建設(shè)新的著力點(diǎn)和突破點(diǎn)。構(gòu)建數(shù)字孿生流域，是對物理流域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射，并實(shí)現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域之間的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互和深度融合。目前正先行開展七大江河數(shù)字孿生流域和三峽、南水北調(diào)、大藤峽等重大水利工程數(shù)字孿生工程建設(shè)。數(shù)字孿生流域建設(shè)可為防洪抗旱減災(zāi)、水資源調(diào)度和管理、河湖管理、水土保持等水利業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更加便捷、精準(zhǔn)、安全的基礎(chǔ)支撐。

智慧水利建設(shè)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉且起點(diǎn)高、內(nèi)容多、任務(wù)重、覆蓋面大、建設(shè)時(shí)序長的復(fù)雜系統(tǒng)工程，必須在系統(tǒng)謀劃、做好頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，科學(xué)推進(jìn)、協(xié)同推進(jìn)、分步推進(jìn)，特別是要在著力突出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的同時(shí)，高度重視智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，為智慧水利建設(shè)提供保障與支撐。目前智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)尚處于起步階段，各方對其理解與認(rèn)識(shí)存在差異，例如，整體框架設(shè)計(jì)尚不明晰，構(gòu)建思路、維度和深度有待深化；流域與區(qū)域之間、上下級(jí)之間、專業(yè)領(lǐng)域之間差距明顯，適用準(zhǔn)則不明；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全，現(xiàn)有的水利信息化標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重水文監(jiān)測預(yù)警、工程運(yùn)行管理、水利政務(wù)信息編碼等，而智慧水利的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)嚴(yán)重滯后，存在技術(shù)要求不協(xié)調(diào)、硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一、數(shù)據(jù)難以共享等問題。因此，亟需加快推進(jìn)智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，處理好統(tǒng)一推進(jìn)和差異化發(fā)展的關(guān)系，在核心領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)統(tǒng)一技術(shù)要求和方法，促進(jìn)智慧水利建設(shè)科學(xué)健康發(fā)展。

二、智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的總體思路

1.總體思路

按照推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展的要求，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以規(guī)范建設(shè)、資源共享、提升效能為核心，以保障智慧水利建設(shè)中心任務(wù)之?dāng)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以問題、目標(biāo)為導(dǎo)向，按照完備性、先進(jìn)性、適用性、協(xié)調(diào)性的原則，堅(jiān)持統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、科學(xué)推進(jìn)，加快構(gòu)建協(xié)調(diào)、科學(xué)、先進(jìn)、實(shí)用的智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系，提升工作效能，有效降低低水平重復(fù)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)水利部《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》的總體要求，以支撐和保障智慧水利建設(shè)的總體目標(biāo)和任務(wù)為主線，確定標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的目標(biāo)與布局。“十四五”時(shí)期，按照急用先行的原則，建立智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系框架，加快制修訂智慧水利基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、核心功能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，重點(diǎn)突破數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生工程建設(shè)所涉及的場景和模擬領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)；至2030年，完善智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系，全面完成包括全部結(jié)構(gòu)與功能、以精準(zhǔn)化決策為重點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制修訂工作，形成完備的智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建

智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系涉及數(shù)字化場景、智能化模擬、精準(zhǔn)化決策3個(gè)核心及信息分類編碼、傳輸協(xié)議、信息管理、業(yè)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)一接口等多個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)在《水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系表》的框架下，從多維度、多尺度構(gòu)建智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系框架，加快編制智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系表和框架圖，按照不同功能序列制定具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。需要強(qiáng)調(diào)的是，不論是哪一維度和尺度，都需要考慮上下和縱橫的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同，分級(jí)明確建設(shè)重點(diǎn)和任務(wù)。

在標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別方面，可以分為國家、行業(yè)、地方、團(tuán)體、企業(yè)等，國家層面重點(diǎn)設(shè)計(jì)智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系框架，統(tǒng)一通用技術(shù)要求。行業(yè)、地方、團(tuán)體和企業(yè)主要從自身實(shí)際需求出發(fā)，按照要求制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系或規(guī)范。

從標(biāo)準(zhǔn)分類來看，可以分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)等。其中，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要包括智慧水利基本術(shù)語、圖形符號(hào)、河流編碼等標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括物理流域、數(shù)字流域、數(shù)字工程、仿真映射，以及預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”措施等標(biāo)準(zhǔn)；平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)主要包括數(shù)據(jù)庫、模型庫、策略庫、資源共享，以及算據(jù)、算法、算力等標(biāo)準(zhǔn)；測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括測評(píng)流程、測評(píng)指標(biāo)、測評(píng)意見等標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要為“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，包括防洪減災(zāi)、水資源管理與調(diào)配、水利工程建設(shè)和運(yùn)行管理、河湖管理等重點(diǎn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域；安全標(biāo)準(zhǔn)主要包括水利網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全等標(biāo)準(zhǔn)。如圖1。

圖1 智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系框架示意

三、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的關(guān)鍵問題

前已述及，智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜問題，涉及許多關(guān)鍵議題，本文主要討論以下3個(gè)議題。

1.監(jiān)測感知交互體系

構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)是構(gòu)建智慧水利數(shù)字化場景的信息數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)。目前我國的水利感知網(wǎng)建設(shè)取得了長足進(jìn)步，正逐步覆蓋大江大河及其主要支流，并且感知對象也逐步涵蓋水文要素與測報(bào)、河湖生態(tài)環(huán)境、水利工程及其運(yùn)行管理等方面，還編制發(fā)布了一些相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，但是與實(shí)際需求相比仍然存在較大差距，無法實(shí)現(xiàn)對物理流域的全要素?cái)?shù)字化映射，以及物理流域與數(shù)字流域交互的精準(zhǔn)性、同步性和及時(shí)性。因此，智慧水利的監(jiān)測感知體系標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)需要從系統(tǒng)、整體的角度出發(fā)，在加強(qiáng)天空地一體化水利感知網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，重點(diǎn)制定和完善多個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)，包括物理實(shí)體流域、智慧水利監(jiān)測感知的基礎(chǔ)要素?cái)?shù)據(jù)信息及其分類，監(jiān)測感知尺度和時(shí)空分辨率，物理實(shí)體與數(shù)字虛擬的仿真、映射和交互，水利信息數(shù)據(jù)交互和融合程度等。

2.通用數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理

智慧水利數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)既要考慮要素信息的存儲(chǔ)、提取和更新需求，也要考慮各類數(shù)據(jù)源的規(guī)范化和協(xié)同性。由于面向不同數(shù)字流域建設(shè)需要，不同數(shù)據(jù)庫建設(shè)可能存在一定的差異，但是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫框架和結(jié)構(gòu)應(yīng)保持一致，即建立通用數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)，方便不同數(shù)字流域的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享，其中河流編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理是亟需解決的關(guān)鍵問題。目前我國缺乏統(tǒng)一的河流編碼體系，面對數(shù)字流域海量大數(shù)據(jù)管理，存在很大局限性，已不能適應(yīng)當(dāng)前智慧水利發(fā)展的需要。未來可依托第一次全國水利普查、水利一張圖等，加快建立以流域?yàn)閱卧?、單元?nèi)不同層級(jí)河網(wǎng)水系的拓?fù)潢P(guān)系，以及掛接河流與自然地理、水文要素、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、河湖管理等相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性關(guān)系。需要建立一套數(shù)據(jù)規(guī)范化處理流程，統(tǒng)一各類型、各渠道數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲(chǔ)和共享等技術(shù)方法，方便各級(jí)用戶參考使用。

此處需重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)河流編碼問題。不同國家、不同部門的河流編碼技術(shù)方法相差甚遠(yuǎn)，大體可分兩類：一類是以河流的水文分析為主，便于分析各個(gè)集水區(qū)域的水流關(guān)系，管理河流空間位置，建立河網(wǎng)水系的拓?fù)潢P(guān)系，如北美Pfafstetter河流編碼體系、歐洲河流編碼體系；另一類是以河網(wǎng)上的相關(guān)屬性管理為主，在分析各個(gè)集水區(qū)域的水流關(guān)系和河流空間位置管理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析河流與相關(guān)屬性的相互關(guān)系，如美國的NHD河流編碼體系。未來我國的河流編碼體系可借鑒國際先進(jìn)河流編碼體系，構(gòu)建發(fā)展具有中國特色、高效統(tǒng)一且適應(yīng)數(shù)字化要求的國家河流編碼體系，以河流水文分析為主，兼顧河網(wǎng)上的相關(guān)屬性管理，具有層次性與可拓展性，能夠允許支流的增減、河段的細(xì)分和斷面的擴(kuò)展，如同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系一樣，具有無限擴(kuò)展功能。

3.模型庫及模型功能評(píng)價(jià)

模型是智慧水利高效率智慧模擬和精準(zhǔn)化決策的中樞。數(shù)字流域模型需要重視模型的開發(fā)應(yīng)用和算據(jù)、算法、算力建設(shè)。國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了眾多水文水資源模型，但對水循環(huán)機(jī)理的刻畫和預(yù)測精度都亟需提升與完善。構(gòu)建智慧水利模型庫，制定水循環(huán)模型功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，既要大力研發(fā)適應(yīng)我國復(fù)雜水情的通用模型，也要鼓勵(lì)發(fā)展流域/區(qū)域定制模型，以更好地揭示流域/區(qū)域水循環(huán)規(guī)律，為精準(zhǔn)決策提供支撐。

算據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，應(yīng)在通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化處理的基礎(chǔ)上，對模型輸入和輸出數(shù)據(jù)提出基礎(chǔ)處理要求；算法標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，不要求模型內(nèi)在方法必須統(tǒng)一，可以針對不同模擬目的需要，建立推薦模型庫，并說明模型方法、公式參數(shù)及適用性；算力標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，重點(diǎn)是增強(qiáng)模型效率和能力，明確數(shù)字流域并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)要求。

四、探討與建議

智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)涉及的關(guān)鍵議題除前文所述的監(jiān)測感知交互體系、通用數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理、模型庫及模型功能評(píng)價(jià)等，還包括物理與數(shù)字交互、評(píng)測方法和指標(biāo)、共享與應(yīng)用、安全保障能力建設(shè)等問題，均關(guān)系智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的完備性和有效性。物理與數(shù)字交互是實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字化的核心環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)交互深度性、要素齊全性、時(shí)效及時(shí)性等方面的突破與強(qiáng)化；評(píng)測方法和指標(biāo)是改進(jìn)和提升智慧水利建設(shè)水平的重要手段，應(yīng)提前謀劃，為實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程中的跟蹤、反饋與優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)；共享與應(yīng)用是智慧水利的建設(shè)目的，應(yīng)強(qiáng)化資源整合和優(yōu)化，為兼顧信息安全和突破數(shù)據(jù)壁壘等難題提供引領(lǐng)；安全保障能力建設(shè)尤應(yīng)關(guān)注水利關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施、關(guān)鍵數(shù)據(jù)資源保護(hù)與開發(fā)能力、數(shù)據(jù)安全預(yù)警和溯源能力等方面。

智慧水利建設(shè)是推進(jìn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的重要抓手，也是數(shù)字中國建設(shè)的重要內(nèi)容。建議高度重視智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，在已有水利信息化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，加快構(gòu)建適合我國國情的智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系框架，明確重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)。制定近期行動(dòng)計(jì)劃工作方案，結(jié)合七大流域智慧水利建設(shè)和重大數(shù)字孿生工程建設(shè)，有針對性地制定出臺(tái)若干項(xiàng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求和指南，分輕重緩急制修訂一批智慧水利標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，先行先試，積累標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn)。設(shè)立智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)專門工作機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究、實(shí)施、應(yīng)用等監(jiān)督和管理工作，明確責(zé)任分工，完善智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)協(xié)調(diào)機(jī)制，保持中央—流域—地方智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的協(xié)調(diào)性。推進(jìn)智慧水利建設(shè)更加科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，加強(qiáng)智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系關(guān)鍵技術(shù)研究，促進(jìn)智慧水利標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)走低成本和集約化道路，為盡快實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。