以勘测设计视角谈智慧水网建设与关键技术研究

颜培胜 奚 歌

智慧建管平台720度全景系统

一、概述

在全球信息化进入全面渗透、跨界融合、加速创新、引领发展的新阶段，很多传统行业运用云计算、大数据、物联网、人工智能、移动网络、数字孪生等新一代信息技术进行了重塑，如智慧城市、智慧交通、智慧建造、智慧医疗等，代表着传统行业向智能化、智慧化的转型升级，标志着行业的高质量发展。习近平总书记在党的十九大报告和十九届五中全会上明确提出要建设网络强国、数字中国、智慧社会。智慧水网是智慧社会的重要组成部分，与经济社会的发展和进步是一体的，智慧水网对于水利高质量发展具有很强的标志性意义。但是，与能源、交通等行业的智慧化进程相比，智慧水网的建设明显存在较大差距，还远不能满足国家水治理体系和治理能力现代化的需求。因此，大力推进高新技术尤其是数字孪生技术与水利业务深度融合，建设智慧水网，是进入新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局，提升行业治理效能，助推水利乃至经济社会高质量发展的重要举措。

二、现状与问题

国家水网对智慧水网提出了加强监测体系建设、推进国家水利数字化场景构建、建立国家数字水流智慧模拟仿真平台、构建联合调度指挥体系的建设要求。目前，全国各省（自治区、直辖市）、流域机构都在积极对标国家要求开展水网规划、建设。如山西、山东省以水域连通为基础构建了多功能一体的省级“大水网”；海南省以水生态空间管控为刚性约束，规划构建工程网、生态水系网、管理网和信息网为一体的海岛型水利基础设施网络；辽宁省规划了“四水同治”“五水统筹”“两网并行”的空间均衡水网等。就目前建设程度而言，全国水网建设主要以工程性措施为主，目标是实现物理水网连通和智能化调控，智慧水网的建设主要依赖于工程信息化和水文现代化建设，还存在一些问题，具体表现在：

1.基础设施体系建设尚不完善，立体感知网监测和传输能力不足

感知监测方面，感知范围、感知要素不全面以及感知手段不丰富，如3000km2以下河流、滨海区和感潮河段、小面积湖泊以及防洪排涝重点城市的水文监测设施不足，大多数小型水库、堤防、中小型水闸等缺乏安全监测，新型传感设备、卫星无人机遥感等新技术应用不广泛。水利业务网方面，传输覆盖范围和传输能力不足，如仍有一些县级水利部门未联入水利业务网，水利业务网骨干网带宽低。水利云方面，云计算和备份保障能力不足、存储资源不够。现阶段水利行业很多业务应用需要大量非结构化数据的支撑，数据挖掘分析和大数据模型运算需要强大的并行计算能力，现有基础软硬件无法提供支撑。

2.数字孪生平台建设处于起步阶段

数字孪生平台是对全国水利“一张图”的升级建设，主要建设内容为基础数据统一、监测数据汇集治理应用、二三维一体化、水利模型以及水利知识。目前，全国水利“一张图”建设基本完成，在此基础上的升级工作刚刚起步，任重而道远。

3.智能应用体系尚不完善

业务应用系统与新技术融合不深入。其功能简单，大多是对现有管理模式和流程的简单复制，主要以查询展示、统计分析、流程运转为主，大数据价值没有得到充分的挖掘利用，人工智能、虚拟现实等技术未得到充分应用，不能满足水利业务精细化管理需要；此外，业务应用系统存在“孤岛”现象。目前大部分系统都是根据业务专项、局部开展单独建设，标准不统一，系统之间相对独立，存在业务壁垒，难以协同。

三、智慧水网建设内容

1.总体框架

针对智慧水网存在的问题，结合已有的信息化建设基础，遵循“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总要求，从勘测设计的角度提出建设以全覆盖、高精度“空天地”一体化的监测感知网、全面互联高速可靠的水利信息网、服务高效便捷的水利云为主要内容的基础设施体系；建设以数字孪生底座、智能中枢为主要内容的数字孪生平台，实现物理流域的真实场景映射、水规律和水活动的精准模拟和水利业务的智能化决策支撑；构建以水旱灾害防御、水资源管理与调配为核心，全面覆盖水利业务的“2+N”应用体系，实现“预报、预警、预演、预案”；建设网络安全体系和多维并重保障体系，制定标准规范及管理制度作为运行管理保障。智慧水网总体框架如图1。

图1 智慧水网总体框架

2.基础设施层建设

以现有水利感知网络体系为基础，围绕涉水事务管理需求，利用传感器、视频、遥感、无人机等技术，针对江河湖泊水系、水利工程设施、水利管理活动优化站网布局，推进“空天地”一体化监测感知网建设，提升遥感监测、数字地形等数字本底的精度和频率，提高水位、水量、雨量监测的密度和精度，加大工程安全监测设备投入，实现涉水要素感知监测的全面覆盖；采用层次性网络结构，按流域、省、市、县、乡五级网络架构，完善建设水利业务网、水利工程控制网络、互联网、感知通信网和应急通信网，实现流域内自上而下各部门网的互联互通，并实现各省（直辖市）政府网络互通；遵循面向业务需求的设计思路，基于业务场景化、模块化的设计方法，建设基础架构统一、物理分散部署、逻辑统一管理的水利云，实现云基础设施的按需分配、弹性服务和统一维护，提高信息化资产使用效率，为数据资源整合共享及大数据等新技术应用提供基础支撑。

3.数字孪生平台建设

通过数据汇集、治理、存储、服务，对涉水数据进行深度挖掘，构筑数据底板，实现标准规范数据架构、深度萃取数据价值、统一数据资产管理和统一主题式服务；利用遥感、无人机、激光雷达等3S技术获取数字三维地形数据DEM，运用BIM等技术构建水利工程数字孪生体，建设流域信息模型（RIM），构建数字化场景，实现物理流域的全息虚拟仿真；通过数据融合技术，将实时监测数据与BIM同步展现，实现物理流域与数字流域的实时动态精准化映射；通过水文模型、水动力模型、水量预测模型、水资源模型等水利公共模型与专业模型库建设，实现不同空间尺度、时间尺度的模型管理与定制，同步耦合雨水情、工程安全、取用水、地下水及遥感、视频等各类实时监测感知数据，实现水利工程调度、水资源管理调配、水利工程管理等水利管理活动的流程数字化描述；应用虚拟仿真、增强现实等技术手段，以流域为单元实现水规律、水活动的智慧化模拟，为决策提供真实感、沉浸式、交互式环境；利用机器感知、机器思维、机器学习等技术，沉淀水利知识和治水经验，构建通用性强的知识图谱库以及各类学习算法，对物理水利采取对应的风险规避措施，增强工作的准确性、科学性、前瞻性。同时通过物理流域与数字流域协同调控，不断优化水管理行为，最终形成具有深度学习、迭代进化、自我完善的水管理方案，实现重要河流以及其影响区域历史演变的逼真描绘、实时情势的动态模拟以及未来态势的智能预判，赋能水利业务智慧化决策。

4.智能业务应用构建

聚焦 “水资源、水灾害、水生态、水环境”等水问题，依托数字孪生平台提供的算据、算法以及可视的智慧化模拟，通过业务流程优化再造、业务体系协同重构，以“急用先行”的理念，按照“大系统设计、分系统建设、模块化链接”的原则，构建“2+N”应用体系，实现各项水利业务的“四预”，为管理者提供精准化决策，提高水利管理部门信息化、现代化管理水平，为实现流域高质量发展提供支撑。

5.网络安全防护体系建设

根据国家网络安全相关政策标准要求，遵循水利网络安全顶层设计，以落实网络安全法、网络安全等级保护和关键信息基础设施保护相关要求为抓手，以智慧水网涉及的信息系统为安全防护对象，建立和完善以纵深防御、监测预警、应急响应为抓手的网络安全技术体系，涵盖人员组织、制度标准、工作规程在内的全方位网络安全管理体系，贯穿安全运维、安全监测、响应处置、分析优化的全过程闭环安全运营体系，提升与智慧水利建设全面融合的网络安全保障能力。

6.多维并重保障体系建设

通过加强体制机制建设、加强标准规范制定、强化资源整合共享、注重技术共享及多方合作、拓展项目资金渠道、优化人才队伍等措施，全面促进智慧水网健康和高质量发展，实现上下联动、创新驱动、重点带动、整体推动。

四、构建智慧水网中的关键技术

根据智慧水网的建设内容，在实施过程中涉及的关键技术如下：

1.新型测绘

“3S”技术是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information system，GIS)和全球定位系统(Global positioning system，GPS)的统称，是利用遥感、空间地理信息、卫星定位与导航以及通信网络等技术实现对空间信息进行采集、分析、传输和应用的一项现代信息技术。随着“3S”技术的不断发展，将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的“3S”一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。智慧水利系统设计对现有水利技术进行了延伸，将 RS、GIS、GPS 三种技术集成，构成一个强大的技术体系，并且加入三维分析和可视化技术，更加直观准确的实现对各种水利工程空间信息和环境信息的快速、准确、可靠的收集、处理与更新，为防汛抗旱、水资源调度管理决策、水质监测与评价、水土保持监测与管理等业务系统提供决策支持。

2.数字孪生技术

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期的技术手段。它对物理实体进行数据分析与建模，形成多学科、多物理量、多时间尺度、多概率的仿真过程，将物理实体在不同真实场景中的全生命周期过程反映出来。数字孪生主要由三部分组成：一是物理空间的物理实体，二是虚拟空间的虛拟实体，三是虚实之间的连接数据和信息。通过数字孪生技术辅以各种高性能传感器和高速通信，建立数字映射，让物理流域与数字流域之间动态实时信息交互和深度融合，保持同步性和孪生性，为构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的水利智能应用体系提供基础。

3.虚拟现实/增强现实/混合现实

虚拟现实(Virtual Reality，VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统和技术，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，虚拟现实技术具有“3I”的基本特性，即沉浸(immersion)、交互(interaction)和想象(imagination)。

增强现实(Augmented Reality，AR)是虚拟现实的扩展，它将虚拟信息与真实场景相融合，通过计算机系统将虚拟信息通过文字、图形图像、声音、触觉方式渲染补充至人的感官系统，增强用户对现实世界的感知。AR技术的关键在于虚实融合、实时交互和三维注册。

混合现实(Mixed Reality，MR)结合真实世界和虚拟世界创造了一种新的可视化环境，可以实现真实世界与虚拟世界的无缝连接。

利用以上三种技术，可以构建一个可用于模拟和分析复杂水规律以及水活动，支持协同工作、知识共享和水利业务群体决策的集成化、可视化、沉浸式的虚拟地理环境。

4.人工智能技术

人工智能是研究使用计算机模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，它研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论方法、技术及应用系统，具有自学习、推理、判断和自适应能力。人工智能技术也称为AI技术，它借助计算机信息技术和通信技术，模拟人的听觉、视觉及嗅觉，进行信息判断和处理。在科技水平逐渐提升的同时，机器人、语言及图像识别系统、诊断专家等为代表的人工智能技术得到了迅猛的发展。各项系统发展中的技术含量不断增加，同时也更加具有个性化的实用价值。从技术上看，人工智能已经发展到比人脑更为系统，能够处理非常复杂的系统逻辑关系，在水利工程建设与安全运行、综合政务服务等领域发挥着关键作用。

5.知识图谱

知识图谱是人工智能领域的分支，是大数据时代知识表示最重要的一种方式。本质上是由具有属性的实体通过关系链接而成的网状知识库，即具有以图结构为主的知识库，其中图的节点代表实体或者概念，而图的边代表实体和概念之间的各种语义关系。流域知识图谱的核心是建立流域知识库，在其基础上形成流域知识语义网，然后通过语义模型，实现流域知识的语义搜索、流域知识推荐、关联分析等功能，从而具备对流域、空间上分散的人、环境、事件等进行大规模实时关联和因果分析的能力。知识图谱可融入众多水利知识，是实现水旱灾害防御、水资源调配等水利业务达到智能化乃至智慧化过程中最为核心的关键技术。

五、结语

智慧水网利用新一代信息技术加速水利治理体系和治理能力现代化进程，推动实现实时感知水信息，准确把脉水问题，数据充分共享，信息泛在互联，描绘物理流域的状态与轨迹，提升以流域为单元的业务管理能力，是统筹发展与安全的关键抓手，将成为水利行业高质量发展的新动能。勘测设计单位在数智化转型发展中，要紧紧抓住智慧水利建设，提升勘测设计能力和水平。