蔣云鐘，劉家宏，梅 超，王 浩，趙紅莉，王 超

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），北京 100038；3.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

1 研究背景

當(dāng)前，世界處于信息時(shí)代，正經(jīng)歷著以 “智慧化”為主要特征的第四次工業(yè)革命。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)層出不窮，快速更新迭代，標(biāo)志著信息時(shí)代正經(jīng)歷著巨變。世界各國(guó)都高度重視信息化，著力推進(jìn)各領(lǐng)域信息化發(fā)展[1]，在水利現(xiàn)代化領(lǐng)域，歐盟組織開發(fā)的歐州洪水感知系統(tǒng)（EAFS）投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，美國(guó)建設(shè)了覆蓋全國(guó)的國(guó)家洪水預(yù)警系統(tǒng)，瑞典構(gòu)建了全球范圍的分布式水文模型[2]。我國(guó)在智慧應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)，國(guó)家在十四五和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)中，把智慧化建設(shè)作為重要抓手，視為實(shí)現(xiàn)國(guó)家治理體系與治理能力現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[3]。我國(guó)作為一個(gè)水旱災(zāi)害頻發(fā)、水問(wèn)題最為復(fù)雜的國(guó)家，水具有特殊重要地位，不僅是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要保障，也是生態(tài)文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)[4]。

智慧水利是新時(shí)代水利高質(zhì)量發(fā)展的新行業(yè)形態(tài)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等智慧科技和高新技術(shù)為引領(lǐng)，帶動(dòng)水利行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和升級(jí)跨越。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和水利事業(yè)的長(zhǎng)足進(jìn)步，水利進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展階段，智慧水利是水利現(xiàn)代化的重要標(biāo)志和新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實(shí)施路徑。在此背景下，為了更好地踐行 “節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，水利部大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)，印發(fā)了 《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[5]和 《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》[6]?！笆奈濉币詠?lái)，水利部制定了 《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》[7]和 《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》[8]，將數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程作為當(dāng)前的首要工作任務(wù)[9]。未來(lái)一個(gè)時(shí)期，我國(guó)智慧水利建設(shè)將進(jìn)入一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期，其發(fā)展水平直接關(guān)系到我國(guó)水治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平[10]。基于前期研究[11]，本文對(duì)我國(guó)智慧水利體系構(gòu)建的基本思路進(jìn)行了初步探討，以期為智慧水利建設(shè)提供參考。

2 智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展需求

2.1 我國(guó)智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀我國(guó)智慧水利建設(shè)從20世紀(jì)90年代開展水資源評(píng)價(jià)運(yùn)用信息化手段開始，經(jīng)歷了監(jiān)測(cè)信息化、管理在線化、典型智能化三個(gè)階段，目前正處于從典型智能化向部分智慧化邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。

（1）監(jiān)測(cè)信息化階段。水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域是最先開始信息化的，從1990年代開始，我國(guó)水文、水資源、水利工程建設(shè)領(lǐng)域逐步開展了信息化監(jiān)測(cè)，如采用ADCP、航拍等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用遙感反演等手段進(jìn)行水資源、水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)[12]。2019年，漢口水文站第一個(gè)建成5G水文站，是這方面的優(yōu)秀代表。這些工作的開展，一方面促使了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)信息化水平提升，另一方面為后期智慧水利的推進(jìn)奠定了良好基礎(chǔ)。目前，我國(guó)部分涉水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到了信息化監(jiān)測(cè)為主、人工校核為輔的狀態(tài)，未來(lái)監(jiān)測(cè)信息化在持續(xù)向更全面發(fā)展的同時(shí)，將與智慧水利建設(shè)深度融合發(fā)展。

（2）管理在線化階段。隨著水利工作的不斷推進(jìn)，水利管理日益復(fù)雜和系統(tǒng)化，迫切需要開展在線、實(shí)時(shí)、集約的管理，一些領(lǐng)域開始了管理在線化的實(shí)踐，如 “數(shù)字黃河”工程建設(shè)[13]，國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程于2003年啟動(dòng)建設(shè)，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目于2012年啟動(dòng)實(shí)施，一些省市開展了最嚴(yán)格水資源管理平臺(tái)、河長(zhǎng)制管理平臺(tái)、水旱災(zāi)害管理平臺(tái)等的建設(shè)，這些信息化工程的建設(shè)，促使水利管理在部分領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)了管理在線化，是智慧水利集成的雛形，極大地促進(jìn)了智慧水利建設(shè)。

（3）典型智能化階段。進(jìn)入新時(shí)期，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)在水利領(lǐng)域的初步應(yīng)用[14]，水利典型領(lǐng)域和典型工程實(shí)現(xiàn)了智能化，如南水北調(diào)中線調(diào)度系統(tǒng)、溪洛渡智慧大壩、深圳市智慧水務(wù)系統(tǒng)等，上述成果實(shí)現(xiàn)了某一方面的智能化管控，實(shí)現(xiàn)了綜合性的智慧應(yīng)用，是智慧水利的典型案例。

2.2 我國(guó)智慧水利發(fā)展需求水利部歷來(lái)高度重視水利信息化，并將推進(jìn)智慧水利作為國(guó)家水治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要抓手。2017年，水利部印發(fā) 《關(guān)于推進(jìn)水利大數(shù)據(jù)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出要推進(jìn)數(shù)據(jù)資源共享開放，促進(jìn)水利大數(shù)據(jù)發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用。2020年，水利部發(fā)布 《關(guān)于開展智慧水利先行先試工作的通知》，在流域機(jī)構(gòu)、省、市等不同層面選擇了11個(gè)單位開展了36項(xiàng)智慧水利任務(wù)試點(diǎn)工作。2021年，水利部發(fā)布 《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，從八個(gè)方面提出了加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化重要舉措。

經(jīng)過(guò)二十余年的水利信息化基礎(chǔ)建設(shè)，以及近五年來(lái)在智慧水利方面的大力推動(dòng)，我國(guó)智慧水利建設(shè)與應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。部一級(jí)開展水利大數(shù)據(jù)中心建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)；長(zhǎng)江、黃河、太湖等流域機(jī)構(gòu)在水旱災(zāi)害、水量調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境智慧化管控方面進(jìn)行了長(zhǎng)期探索；大量省市地方水行政部門開展了河長(zhǎng)制、最嚴(yán)格水資源管理、水旱災(zāi)害防御、水利工程管理等方面的智慧化實(shí)踐。

總體上，智慧水利建設(shè)與智慧城市等領(lǐng)域的智慧化應(yīng)用水平仍存在一定差距，水利自身智慧化建設(shè)的需求還遠(yuǎn)未得到滿足[15]，未來(lái)一段時(shí)期，我國(guó)智慧水利發(fā)展基本需求包括：

（1）基礎(chǔ)信息透徹感知。水利信息化建設(shè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但是我國(guó)幅員遼闊、水利基礎(chǔ)要素繁多，要實(shí)現(xiàn)全面信息化感知尚待時(shí)日。在全面感知的基礎(chǔ)上，還需向透徹感知持續(xù)提升，不僅從一個(gè)時(shí)空維度上實(shí)現(xiàn)信息感知，還將需要從 “天、地、空、水”“車、船、站、網(wǎng)”等不同時(shí)空維度，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)信息要素的透徹感知。

（2）大數(shù)據(jù)智能互聯(lián)。獲取大量信息之后，水利大數(shù)據(jù)在動(dòng)起來(lái)、活起來(lái)方面還存在較大差距，迫切需要通過(guò)智能化手段，打破各種看不見(jiàn)的數(shù)據(jù)壁壘、數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)煙囪，讓數(shù)據(jù)能夠智能的左右互通，上下聯(lián)動(dòng)，全域共享，協(xié)同作用。

（3）智慧水利全面應(yīng)用。智慧水利應(yīng)用當(dāng)前處于初級(jí)的、局部的、非常態(tài)的狀態(tài)，未來(lái)智慧水利的應(yīng)用要向全面化發(fā)展，需要全面應(yīng)用新技術(shù)，同時(shí)需要進(jìn)行全面的水利知識(shí)萃取、認(rèn)知、挖掘和分析，在此基礎(chǔ)上提升水利應(yīng)用的智慧化水平。

3 智慧水利DIS體系

智慧水利（SWP）以自然水系數(shù)字化（Digitalized）為基礎(chǔ)，以水利工程智能化（Intelligence-oriented）為載體，以水利管控智慧化（Smarthess-oriented）為目標(biāo)，通過(guò)三者的有機(jī)融合，構(gòu)建高水平的智慧水利（DIS）體系[11]。

3.1 自然水系數(shù)字化自然水系數(shù)字化旨在通過(guò)立體感知基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)自然水系要素的水量、水質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行全面感知，對(duì)自然水系要素的物理實(shí)體對(duì)象及其信息支撐設(shè)施的有機(jī)融合，通過(guò)高效云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施及智慧大腦基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)自然水系要素的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)、問(wèn)題進(jìn)行診斷、未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自然水系要素過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)狀態(tài)的精細(xì)刻畫，為水系自然要素的開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。自然水系主要是指自然形成的水系的物理載體，自然水系數(shù)字化的成果具體包括數(shù)字河流、數(shù)字湖泊、數(shù)字濕地、數(shù)字地下水、數(shù)字流域等方面。

3.2 水利工程智能化水利工程智能化是對(duì)水利工程的物理對(duì)象及其信息支撐設(shè)施的有機(jī)融合，通過(guò)立體感知、高效云計(jì)算和智慧大腦等信息化基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)水利工程過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)刻畫，實(shí)現(xiàn)水利工程全生命周期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評(píng)價(jià)、智能預(yù)測(cè)和智能控制，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)水利工程場(chǎng)景數(shù)字化。

水利工程智能化還要通過(guò)智能控制基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)水利工程的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、執(zhí)行智慧管理體的決策與控制指令。水利工程智能化的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水利工程前期策劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理全生命周期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評(píng)價(jià)、智能預(yù)測(cè)和智能控制。工程智能化具體包括：智能大壩、智能水庫(kù)、智能水電站、智能閘站、智能泵站、智能渠道、智能管道、智能堤防、智能分/蓄/滯洪區(qū)等方面。

3.3 水利管控智慧化水利管控智慧化是在自然水系數(shù)字化、水利工程智能化的基礎(chǔ)上，面向水利工程對(duì)象的前期策劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行管理以及自然水系要素開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)的執(zhí)行、監(jiān)督與管理需求，分別構(gòu)建行使監(jiān)督管理職能、執(zhí)行職能、技術(shù)支撐職能的智慧化水利管控體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然水系要素、水利工程、水利業(yè)務(wù)的智慧化管控，重點(diǎn)是對(duì)不同情景的智能化模擬和水利管控的精準(zhǔn)化決策支持。

水利工程對(duì)象的施行及運(yùn)行管理，水資源開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)的工程、非工程措施施行，以及各類水行政管理業(yè)務(wù)的最終執(zhí)行，都依賴水利管控智慧化。水利管控智慧化是建立在其所管控的自然水系數(shù)字化、水利工程智能化之上的，按照管理目標(biāo)，對(duì)智能工程下達(dá)決策和控制指令，進(jìn)而對(duì)自然水系施加影響。水利管控智慧化依托立體感知、高效云計(jì)算和智慧大腦等基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水利業(yè)務(wù)管控的智慧化。管控智慧化的對(duì)象按照行使行為不同又可劃分為：智慧水行政主管部門、智慧工程建管部門、智慧技術(shù)支撐部門、智慧水務(wù)部門等。

4 智慧水利DIS體系技術(shù)需求

根據(jù)水利工作的主要領(lǐng)域，將智慧水利應(yīng)用劃分為水資源、水災(zāi)害、水生態(tài)環(huán)境、水工程和水管理五大應(yīng)用場(chǎng)景，每一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景都是在自然水系數(shù)字化、水利工程智能化的基礎(chǔ)上，形成對(duì)水的自然-社會(huì)二元水循環(huán)過(guò)程的透徹感知和智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水利體系的智慧化管控，涉及到的主要技術(shù)也基本是圍繞 “感知、預(yù)測(cè)、決策”等方面[16]。

4.1 水資源智慧應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，解決水資源問(wèn)題的核心是“讓相應(yīng)水質(zhì)和數(shù)量的水去到應(yīng)該去的地方”，面對(duì)上述應(yīng)用場(chǎng)景，水資源管理智慧應(yīng)用應(yīng)該在自然水系數(shù)字化和水利工程智能化的基礎(chǔ)上，著重從水資源評(píng)價(jià)、配置、調(diào)度等方面進(jìn)行智慧化管控，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：考慮動(dòng)態(tài)特性的水資源多尺度智慧評(píng)價(jià)方法、水資源配置方案智慧決策技術(shù)、水資源多目標(biāo)智慧調(diào)度技術(shù)等，并需要在多種關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成水資源智慧管控平臺(tái)。

4.2 水災(zāi)害智慧應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)我國(guó)是水旱災(zāi)害最為頻繁、水旱災(zāi)害損失最嚴(yán)重的國(guó)家之一，水災(zāi)害的主要應(yīng)用場(chǎng)景是面向洪澇和干旱兩類極端事件[17]，其關(guān)鍵技術(shù)包括：建設(shè)具有預(yù)報(bào)調(diào)度一體化、風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估、分布式調(diào)度等功能的智慧防災(zāi)綜合應(yīng)對(duì)系統(tǒng)[18]，實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害應(yīng)對(duì)方案自動(dòng)化生成、情景式推演、智慧化決策，推動(dòng)由水旱災(zāi)害防治從人主導(dǎo)的 “經(jīng)驗(yàn)防災(zāi)”向計(jì)算機(jī)推送結(jié)合人機(jī)互動(dòng)的 “智慧防災(zāi)”轉(zhuǎn)變。

4.3 水生態(tài)環(huán)境智慧應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)水生態(tài)環(huán)境常態(tài)下的水利應(yīng)用場(chǎng)景，其基礎(chǔ)是生態(tài)環(huán)境因子的立體化、多尺度、全口徑監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖健康狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)智慧化評(píng)價(jià)，智能化識(shí)別水生態(tài)、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，開展水生態(tài)、水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)智慧決策分析，集成監(jiān)測(cè)、預(yù)警、計(jì)算等平臺(tái)，形成智慧化水生態(tài)環(huán)境模擬、評(píng)估、決策軟件體系。

4.4 水工程應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)工程智能化是智慧水利的神經(jīng)末梢和雙手，不僅通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器，進(jìn)行工程狀態(tài)、運(yùn)行工況等全要素的感知，而且通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的調(diào)度，對(duì)工程進(jìn)行全景式智能感知和遠(yuǎn)程操控，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括水工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、適應(yīng)復(fù)雜惡劣條件下的智能監(jiān)測(cè)傳感器、工程智能監(jiān)控信息融合遠(yuǎn)傳技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)等。

4.5 水管理應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)鍵技術(shù)所有的水利決策最終都要通過(guò)水管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括水利監(jiān)督、河湖長(zhǎng)制、水行政執(zhí)法、水資源公報(bào)、水情信息發(fā)布等，上述內(nèi)容的核心是基于水利大數(shù)據(jù)，進(jìn)行水管理具體應(yīng)用的數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策，包括典型場(chǎng)景數(shù)字化技術(shù)、大數(shù)據(jù)清洗與融合技術(shù)、智慧化模擬技術(shù)精準(zhǔn)決策支持技術(shù)等，通過(guò)對(duì)典型場(chǎng)景的數(shù)字化和智慧化，服務(wù)于水管理綜合分析研判與精準(zhǔn)化決策，為行業(yè)提供高效的決策支持，為公眾提出優(yōu)質(zhì)的水管理服務(wù)，同時(shí)為智慧城市、數(shù)字中國(guó)、相關(guān)行業(yè)升級(jí)等提供支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家在 “十四五”和未來(lái)一段時(shí)期，將把建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)作為推動(dòng)各領(lǐng)域提檔升級(jí)、促進(jìn)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。如何高效、安全、智慧地管好水，讓水在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)流至適當(dāng)?shù)牡胤剑枰罅訌?qiáng)水利信息化建設(shè)。經(jīng)過(guò)多年持續(xù)努力，我國(guó)智慧水利建設(shè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，正處于從部分智能化向全面智慧化升級(jí)邁進(jìn)的關(guān)鍵階段。本文提出了以自然水系數(shù)字化、水利工程智能化、水利管控智慧化為主要內(nèi)容的智慧水利DIS體系，描繪了我國(guó)智慧水利的廣闊發(fā)展前景，在此基礎(chǔ)上，解析了智慧水利DIS體系的關(guān)鍵技術(shù)需求。未來(lái)一個(gè)時(shí)期，智慧水利DIS體系建設(shè)，需要大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等信息化新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合水利應(yīng)用場(chǎng)景，落實(shí)智慧水利總體方案，不斷提升水利智慧應(yīng)用水平，以智慧水利助力實(shí)現(xiàn)國(guó)家現(xiàn)代化偉大進(jìn)程的水安全保障。