面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合架構(gòu)研究

段瑞豐，霍建偉，張 強(qiáng)，張亞杰

（云河（河南）信息科技有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

數(shù)字孿生是將物理場(chǎng)景中的人、機(jī)、物、工況、環(huán)境等要素映射到虛擬空間的一種信息技術(shù)[1]。依靠歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及算法模型，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)映射、虛實(shí)互動(dòng)、智能決策等功能，已成為構(gòu)建新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施的使能技術(shù)[2-4]。數(shù)字孿生流域是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利方面的應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新，定義為以物理流域?yàn)閱卧?，時(shí)空數(shù)據(jù)為底座，水利模型為核心，水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化映射、智慧化模擬，實(shí)現(xiàn)與物理流域的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的實(shí)時(shí)監(jiān)控、問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化調(diào)度[5]。

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)在智慧水利建設(shè)方面的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)、云、算力等新型信息化基礎(chǔ)設(shè)施成為數(shù)字孿生流域高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐[6]。為了將物理空間中的流域自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息、水管理活動(dòng)等要素?cái)?shù)字化映射至虛擬空間中，形成以基礎(chǔ)空間和水利專(zhuān)業(yè)等數(shù)據(jù)為底板的數(shù)字化場(chǎng)景，流域內(nèi)信息化基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)覆蓋并有效服務(wù)各類(lèi)信息及時(shí)高效傳輸應(yīng)用，推進(jìn)并保障信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合。然而，受流域地理位置和環(huán)境的影響，流域數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣、價(jià)值密度低的大數(shù)據(jù)特征，流域網(wǎng)絡(luò)更加依賴(lài)大帶寬、低時(shí)延，以保證通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和仿真映射的精準(zhǔn)性，總的來(lái)說(shuō)，流域數(shù)據(jù)采集感知、模型算法仿真計(jì)算、通信傳輸會(huì)商資源等方面的需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)和云的結(jié)合提出了更高的要求[7]。

云網(wǎng)融合技術(shù)來(lái)源于云服務(wù)商對(duì)云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)需求和業(yè)務(wù)彈性及敏捷交付的追求，云網(wǎng)融合可以為多樣化的云計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景提供高效的基礎(chǔ)連接和一體化的云網(wǎng)資源管控能力。從應(yīng)用驅(qū)動(dòng)看，云網(wǎng)融合是為適應(yīng)云計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展的需要，充分整合業(yè)務(wù)需求和利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種創(chuàng)新性技術(shù)變革，是面向云和網(wǎng)的基礎(chǔ)資源層形成的虛擬化、云化、一體化的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與云的高度協(xié)同、敏捷打通、按需互聯(lián)[8]。云網(wǎng)融合具有智能化、自服務(wù)、高速、靈活的特性，被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)、云和算力基礎(chǔ)設(shè)施之間的粘合劑，成為新型信息化基礎(chǔ)設(shè)施的底座[9]。因此，本研究提出面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合邏輯架構(gòu)，以期為解決當(dāng)前數(shù)字孿生流域建設(shè)過(guò)程中算據(jù)要素和精度尚不滿(mǎn)足要求、模型算法距高保真目標(biāo)有差距、計(jì)算存儲(chǔ)算力不強(qiáng)等問(wèn)題提供參考。

1 面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合需求

面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合需求體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

1） 流域物聯(lián)感知方面。隨著“天空地”一體化水利感知網(wǎng)的建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理流域信息的自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與采集，取得了豐富的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，尤其在衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等遙感技術(shù)的應(yīng)用下，物理流域及其影響區(qū)域的數(shù)字化表達(dá)得到了充分體現(xiàn)。但是，由于流域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大多是傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，特別是水資源管理和水旱災(zāi)害分析所依賴(lài)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含時(shí)間、位置、環(huán)境和行為等明顯顆粒型的信息，同時(shí)呈現(xiàn)鮮明的異構(gòu)型、多樣性、非結(jié)構(gòu)化及價(jià)值密度低的特征。因此，為靈活支撐對(duì)帶寬和時(shí)延有嚴(yán)格要求的數(shù)字孿生流域應(yīng)用場(chǎng)景，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智慧化采集和在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行分析、處理與存儲(chǔ)，還應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的清洗和計(jì)算，以強(qiáng)化數(shù)據(jù)更新，保持與物理流域的同步性、及時(shí)性[10]。

2） 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸方面。以基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和物理連接為核心的網(wǎng)絡(luò)模式逐步集中到虛擬化、平臺(tái)化的云上，私有云、公有云、混合云承載了流域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)體系，流域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需要滿(mǎn)足數(shù)字孿生高帶寬、低時(shí)延、精確仿真等多種性能要求[11]。例如，在數(shù)字孿生場(chǎng)景構(gòu)建中，高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)復(fù)雜的鏈路過(guò)程，需要大帶寬、低時(shí)延的通信網(wǎng)絡(luò)，才能保證從星上數(shù)據(jù)獲取處理到分發(fā)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和有效性[12]。同時(shí)，隨著水利云支撐數(shù)字孿生流域各類(lèi)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的不斷更新，流域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需要更好地適應(yīng)云計(jì)算應(yīng)用的需求，網(wǎng)絡(luò)要為云及云上的各類(lèi)應(yīng)用提供按需連接和服務(wù)質(zhì)量開(kāi)放的能力，云不僅需要驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接并自動(dòng)部署，還要為上層應(yīng)用提供開(kāi)放平臺(tái)。因此，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源云化部署，破除網(wǎng)絡(luò)與地理位置和物理形態(tài)的綁定，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，按照數(shù)字孿生流域業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息多維感知、協(xié)作通信、智能計(jì)算功能的深度融合，確保網(wǎng)絡(luò)的靈活性、智能性和可運(yùn)維性。

3） 算力資源管理方面。物理流域作為數(shù)字孿生虛擬仿真的研究主體，是一個(gè)高度復(fù)雜的機(jī)體對(duì)象，包含復(fù)雜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，存在數(shù)據(jù)體量大、業(yè)務(wù)類(lèi)型多、價(jià)值密度低、處理速度快等特征。同時(shí)，數(shù)字孿生流域模擬和物理等過(guò)程要求實(shí)現(xiàn)高保真，數(shù)字孿生流域數(shù)學(xué)模型計(jì)算、“四預(yù)” 等重要業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建需要高性能計(jì)算環(huán)境作為支撐。因此，承載數(shù)字孿生流域泛在計(jì)算、存儲(chǔ)的各類(lèi)服務(wù)及應(yīng)用的水利云，需有效應(yīng)用分布式、并行、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)等計(jì)算技術(shù)，使數(shù)字孿生模型與算法服務(wù)在云計(jì)算技術(shù)體系的推動(dòng)下，演進(jìn)為可進(jìn)行算力運(yùn)營(yíng)和服務(wù)編排的云化模式，滿(mǎn)足高精度仿真計(jì)算需求，提高網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源利用率[13]。

2 面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合架構(gòu)

依據(jù)水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》關(guān)于數(shù)字孿生流域建設(shè)框架內(nèi)容，數(shù)字孿生流域建設(shè)框架由數(shù)字孿生平臺(tái)和信息化基礎(chǔ)設(shè)施兩部分組成，其中數(shù)字孿生平臺(tái)由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)組成，信息化基礎(chǔ)設(shè)施包括水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云[14]。以數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容和目標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字孿生流域云網(wǎng)需求，充分發(fā)揮云網(wǎng)融合功能特性，從物聯(lián)感知、通信網(wǎng)絡(luò)、資源池化及算力資源管理 4 個(gè)維度展示云網(wǎng)融合在數(shù)字孿生流域的應(yīng)用服務(wù)過(guò)程，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合邏輯架構(gòu)

2.1 水利感知網(wǎng)的云網(wǎng)融合服務(wù)實(shí)現(xiàn)

算據(jù)是數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)。水利感知網(wǎng)利用各種感知設(shè)備、技術(shù)手段和方法，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)采集江河湖泊水系、水利工程設(shè)施、水利管理活動(dòng)三大類(lèi)水利感知對(duì)象的業(yè)務(wù)特征及事件信息，強(qiáng)化數(shù)字孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)底板更新，充分應(yīng)用各種新型監(jiān)測(cè)手段與傳感器技術(shù)，使物理流域內(nèi)要素的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和數(shù)據(jù)類(lèi)型不斷豐富，水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生海量異構(gòu)數(shù)據(jù)。若大量的數(shù)據(jù)分析處理完全依賴(lài)于水利云計(jì)算平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)被大量占用，增加時(shí)延，從而無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字孿生場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)的要求，特別是對(duì)帶寬資源要求很高的監(jiān)測(cè)預(yù)警、視頻監(jiān)控、圖像識(shí)別等場(chǎng)景。云網(wǎng)融合從云—邊—端一體的角度考慮，將資源密集型任務(wù)從云端的計(jì)算框架卸載遷移至邊緣計(jì)算平臺(tái)和物聯(lián)設(shè)備端側(cè)，同時(shí)，依靠云原生平臺(tái)架構(gòu)，提供全網(wǎng)資源管控調(diào)度的能力，實(shí)現(xiàn)云—邊—端資源共享。

云—邊—端流域物聯(lián)感知體系架構(gòu)如圖2 所示，具體架構(gòu)包含以下 3 層：

圖2 云-邊-端流域物聯(lián)感知體系架構(gòu)

1） 物聯(lián)設(shè)備層。物聯(lián)設(shè)備層包含大量泛在流域物聯(lián)感知設(shè)備，主要是面向物理流域的數(shù)據(jù)采集、智能實(shí)時(shí)響應(yīng)、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)計(jì)算處理的設(shè)備。

2） 邊緣云計(jì)算層。邊緣云計(jì)算層是中間層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、分布式數(shù)據(jù)處理、智能算法部署和計(jì)算，提供擴(kuò)展端的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力。

3） 云計(jì)算層。云計(jì)算層是水利云平臺(tái)中心，可提供海量的數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)能力，是支撐數(shù)字孿生平臺(tái)的核心與關(guān)鍵。

云—邊—端流域物聯(lián)感知在邏輯功能上分為以下3 層：

1） 接入層。接入層是設(shè)備之間、設(shè)備與云之間有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)連接的接入媒介，為數(shù)據(jù)采集提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路，包含接入、感知功能。

2） 資源抽象層。資源抽象層依賴(lài)虛擬化技術(shù)，將基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)功能解耦、數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀資源的抽象。

3） 服務(wù)編排層。服務(wù)編排層利用容器技術(shù)進(jìn)行資源的隔離、調(diào)度和編排，高效利用設(shè)備彈性空閑資源，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知設(shè)備的數(shù)據(jù)智能分析，并在邊緣節(jié)點(diǎn)處過(guò)濾數(shù)據(jù)，策略性調(diào)整端到云的數(shù)據(jù)流量，減少網(wǎng)絡(luò)資源占用，降低時(shí)延。具體邏輯層次如圖3 所示。

圖3 云-邊-端流域物聯(lián)感知體系邏輯層次

2.2 水利信息網(wǎng)的云網(wǎng)融合服務(wù)實(shí)現(xiàn)

水利信息網(wǎng)為智慧水利各類(lèi)數(shù)據(jù)在主客體中的傳遞提供傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家、流域、省、地市、區(qū)縣等的全面互聯(lián)，數(shù)字孿生流域通信網(wǎng)絡(luò)是底層的連接支撐，保障數(shù)據(jù)可以從感知采集端高效實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)底板。以基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)連接的模式，提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以滿(mǎn)足對(duì)通信流量要求不高的業(yè)務(wù)和應(yīng)用資源需求，但是，數(shù)字孿生流域?qū)Ω邘?、低時(shí)延、精確仿真等有嚴(yán)格的性能要求，數(shù)字孿生平臺(tái)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的資源也逐漸匯聚至水利云上，網(wǎng)絡(luò)布局和架構(gòu)必須適應(yīng)云計(jì)算技術(shù)要求，在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的同時(shí)，需要具備充分的彈性和靈活性。云網(wǎng)融合通過(guò)云網(wǎng)絡(luò)可靠的云接入和基礎(chǔ)連接能力，構(gòu)建覆蓋各級(jí)水行政主管部門(mén)、各類(lèi)水利工程管理單位、相關(guān)涉水單位全面互聯(lián)互通的水利網(wǎng)絡(luò)大平臺(tái)，建成適應(yīng)智慧水利業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)變化的泛在互聯(lián)的智能水利信息網(wǎng)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用上云、云間互聯(lián)、云邊協(xié)同提供高質(zhì)量的可靠的承載能力，基于云原生開(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建彈性伸縮、靈活高效的網(wǎng)絡(luò)能力資源池，使業(yè)務(wù)具備調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)資源的能力，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)設(shè)備和資源智慧化管控。云網(wǎng)融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 云網(wǎng)融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

具體架構(gòu)分為以下 3 層：

1） 流域網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)連接中，部門(mén)網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)組成流域網(wǎng)絡(luò)體系，網(wǎng)絡(luò)入云和云間互聯(lián)破除流域地理位置界限，網(wǎng)絡(luò)邊界深入云內(nèi)，突出靈活接入、帶寬可調(diào)的特性，使得流域基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具備彈性和差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)保證能力。

2） 網(wǎng)絡(luò)編排調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)編排調(diào)度承接網(wǎng)絡(luò)的虛擬化功能并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)諸如“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用、通信會(huì)商、安全策略、計(jì)算資源等數(shù)字孿生流域的多場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)資源智能編排，完成按需分配的網(wǎng)絡(luò)資源配置，提升多場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

3） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)作管控。網(wǎng)絡(luò)協(xié)作管控建立俯瞰云網(wǎng)態(tài)勢(shì)全局的云網(wǎng)管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的實(shí)時(shí)采集和分析，感知網(wǎng)絡(luò)需求，把場(chǎng)景需求、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，生成更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源配置策略，例如，針對(duì)視頻會(huì)商重要場(chǎng)景，可智能配置更高服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)連接。最后通過(guò)開(kāi)放式的API（應(yīng)用程序編程接口），提供云網(wǎng)更加開(kāi)放、智能、靈活的調(diào)度和控制能力。

2.3 數(shù)字孿生平臺(tái)算力服務(wù)實(shí)現(xiàn)

為保障數(shù)字孿生流域運(yùn)行，數(shù)字孿生平臺(tái)承載的模型包括水利專(zhuān)業(yè)、智能識(shí)別、可視化等模型，這些模型不僅業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景種類(lèi)多，而且有的模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多參數(shù)還具有時(shí)變性。不同的模型有不同的特點(diǎn)，例如：描述流域要素變化、活動(dòng)規(guī)律的水利模型以機(jī)理分析為主，水文、泥沙動(dòng)力學(xué)等模型以數(shù)學(xué)計(jì)算為主，水土保持、水利工程安全等模型融合機(jī)理分析和數(shù)學(xué)計(jì)算。同時(shí)，不同處理器擅長(zhǎng)處理的任務(wù)也不同，CPU 可以處理簡(jiǎn)單串行邏輯任務(wù)，GPU（圖形處理器）則更加勝任精細(xì)時(shí)空分析、海量數(shù)據(jù)分析、大場(chǎng)景渲染等并行處理的復(fù)雜任務(wù)。

因此，針對(duì)數(shù)字孿生平臺(tái)，云網(wǎng)融合可以提供統(tǒng)一編排、靈活調(diào)度的算力資源管理方案，將不同模型快速、高效地分配到不同平臺(tái)環(huán)境中處理。基于云原生平臺(tái)搭建的資源編排中心，根據(jù)數(shù)字孿生平臺(tái)持續(xù)演進(jìn)需求，對(duì)流域?qū)嶓w中提取的標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行分析，統(tǒng)一編排調(diào)度順序，調(diào)度順序?yàn)槟Ｐ驼?、分?lèi)管理、編排設(shè)計(jì)、資源分配、部署交付。以水利專(zhuān)業(yè)模型為例，統(tǒng)一編排、調(diào)度的算力資源管理方案如圖5 所示。

具體方案分析如下：

1） 對(duì)水文、水資源、水利學(xué)等各類(lèi)專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)行梳理整合，根據(jù)模型所屬業(yè)務(wù)類(lèi)型對(duì)整合后的模型進(jìn)行分類(lèi)管理。

2） 以水文模型為例，將水文模型分解為降水、洪水、枯水、冰凌、咸潮等預(yù)報(bào)子模型，對(duì)這些子模型進(jìn)行分類(lèi)管理并標(biāo)識(shí)分析出需要的 CPU 和 GPU 等算力類(lèi)型。

3） 基于業(yè)務(wù)編排組件，按照事件觸發(fā)機(jī)制，將子模型以事件的形式通過(guò)若干策略微服務(wù)組件，調(diào)度到計(jì)算資源池不同的算力環(huán)境中，同時(shí)，靈活調(diào)度、存儲(chǔ)資源池中或其他模型處理后的數(shù)據(jù)，完成模型的構(gòu)建。

4） 集成模型的計(jì)算結(jié)果和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用部署交付，完成數(shù)字孿生平臺(tái)對(duì)物理流域的數(shù)字映射，最終實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字化場(chǎng)景的搭建，為數(shù)字孿生流域提供穩(wěn)定可靠的算力保障。

3 面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合關(guān)鍵技術(shù)

3.1 流域泛在連接與協(xié)同技術(shù)

當(dāng)前，隨著流域信息化的建設(shè)，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)及“空天地”一體化信息網(wǎng)絡(luò)，流域網(wǎng)絡(luò)成為泛在連接的、立體化的融合網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字孿生流域建設(shè)所需的云-邊-端算力，特別是端側(cè)的算力，受地理位置的限制，在整個(gè)流域網(wǎng)絡(luò)中分散得非常廣泛，網(wǎng)絡(luò)的泛在連接與協(xié)同面臨許多挑戰(zhàn)。基于層級(jí)化的連接架構(gòu)體系，通過(guò)劃分區(qū)域范圍，使網(wǎng)絡(luò)編排在保證自身處理性能的前提下盡可能多地容納算力節(jié)點(diǎn)，下級(jí)系統(tǒng)接入上級(jí)系統(tǒng)，上級(jí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)下級(jí)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理[15]。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，以控制和編排為核心的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，可以滲透到數(shù)字流域建設(shè)所需的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)低成本、區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿(mǎn)足泛在互聯(lián)接入需求。

3.2 入云接入與云間互聯(lián)技術(shù)

充分考慮數(shù)字孿生流域建設(shè)網(wǎng)絡(luò)入云和擴(kuò)容需求，實(shí)現(xiàn)包括骨干網(wǎng)、流域省區(qū)網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)、城域網(wǎng)、邊緣網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等多場(chǎng)景跨域橫向協(xié)同，以及光傳輸、數(shù)通、業(yè)務(wù)等平面的跨層縱向協(xié)同?；谲浖x廣域網(wǎng)絡(luò)（SD—WAN）技術(shù)可以塑造新型網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)，彈性連接廣域范圍的水利網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心及云服務(wù)等，統(tǒng)一管理廣域網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)，保障網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性[16]。同時(shí)，基于 SRv6 協(xié)議具備可編程、易部署、易維護(hù)、協(xié)議簡(jiǎn)化的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)控制面基于以太虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（EVPN）控制器的集中控制，實(shí)現(xiàn)路徑的按需規(guī)劃和調(diào)度，有效統(tǒng)一云內(nèi)、云間、入云等網(wǎng)絡(luò)的承載協(xié)議，提供云網(wǎng)一體化網(wǎng)絡(luò)的云間互聯(lián)方案[17]。

3.3 云網(wǎng)資源供給與差異化服務(wù)技術(shù)

云網(wǎng)融合可為數(shù)字孿生業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供完整的大規(guī)模資源池，把業(yè)務(wù)接入資源池，可不關(guān)注提供服務(wù)的資源池所在的物理位置。云作為服務(wù)承載的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)作為服務(wù)間信息交互的紐帶，對(duì)于多樣性、差異性的業(yè)務(wù)需求，所需要的云網(wǎng)資源是不同的，因此需要基于數(shù)字孿生流域各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能特性去構(gòu)筑云網(wǎng)差異化資源服務(wù)提供能力。基于差異化算力調(diào)用技術(shù)，以 1 個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用為單位，將每個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用單元調(diào)度到某個(gè)資源池中進(jìn)行處理；或者通過(guò)編排系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，將業(yè)務(wù)應(yīng)用拆分為不同的服務(wù)或進(jìn)程分發(fā)到不同的資源池中進(jìn)行處理。同時(shí)基于承載網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可構(gòu)成滿(mǎn)足特定業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求的網(wǎng)絡(luò)切片，從而為不同的切片租戶(hù)提供差異化的承載服務(wù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可看作是不同的網(wǎng)絡(luò)需求，梳理出水利業(yè)務(wù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)需求，使得網(wǎng)絡(luò)具備時(shí)延按需選路、實(shí)時(shí)可視、地圖路徑可調(diào)等網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)保障能力[18]。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)技術(shù)和實(shí)踐處于快速發(fā)展階段，云網(wǎng)融合技術(shù)的應(yīng)用不僅可為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供高質(zhì)量、超可靠承載能力的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，還可實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的自適應(yīng)引導(dǎo)和質(zhì)量保證，提高業(yè)務(wù)靈活調(diào)度能力。本研究提出面向數(shù)字孿生流域的云網(wǎng)融合邏輯架構(gòu)，介紹幾種場(chǎng)景下云網(wǎng)融合服務(wù)實(shí)現(xiàn)方式和過(guò)程及關(guān)鍵技術(shù)，為云網(wǎng)融合技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)方面的應(yīng)用提供了理論支持和技術(shù)積累。然而，建設(shè)數(shù)字孿生流域也是一項(xiàng)極為復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，當(dāng)前云網(wǎng)融合技術(shù)在水利信息化上的研究還處于應(yīng)用探索階段，為滿(mǎn)足復(fù)雜水利業(yè)務(wù)和部署場(chǎng)景不斷擴(kuò)展的需求，需要推進(jìn)與深化以容器、微服務(wù)為代表的云原生技術(shù)在云網(wǎng)融合場(chǎng)景下的應(yīng)用研究，從而有序提升建設(shè)數(shù)字孿生流域所需的信息化基礎(chǔ)設(shè)施能力。