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大力推進智慧水利建設

2021-10-22

在水利部“三對標、一規劃”專項行動總結大會上,水利部黨組書記、部長李國英提出將智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六大實施路徑之一,并要求以數字化、網絡化、智能化為主線,以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑,全面推進算據、算法、算力建設,加快構建具有預報、預警、預演、預案(以下簡稱“四預”)功能的智慧水利體系。

一、充分認識推進智慧水利建設的重大意義

水利部黨組高度重視智慧水利建設,水利數字化、網絡化、智能化等方面都取得了明顯進展。到2020年底,數字化方面,初步形成了43.36萬處點組成的水利綜合采集體系,全國水利一張圖正式發布并得到積極應用,高分辨率衛星遙感實現了全國年度全覆蓋。網絡化方面,全部地市級以上水利部門和80.5%的縣級水利部門接入了水利信息網,99.7%地市級以上水利部門和90.7%的縣級水利部門接入了視頻會議系統,初步構建了省級以上水利部門網絡安全防護體系。智能化方面,有11.7%的智能視頻監控,8類河湖“四亂”現象實現遙感影像人工智能(AI)識別,大數據應用初見成效,在11個單位開展了智慧水利先行先試工作。但是,與水利高質量發展的需求相比,與日新月異的信息技術相比,智慧水利在數字化、網絡化、智能化等方面存在明顯短板和薄弱環節。數字化方面,感知覆蓋范圍不足、監測要素不全、技術手段不夠先進,例如50%中小河流沒有監測設施、大部分中小水庫和堤防未開展安全監測。網絡化方面,網絡覆蓋和帶寬還不能滿足需要,網絡安全防護能力不強,工控網建設差距大,如近20%縣級水利部門尚未接入水利業務網,省級以上水利部門有近62%的信息系統沒有開展網絡安全等級保護定級,大型水利工程依然以現地控制為主。智能化方面,模型能力不足、支撐決策精準化程度不高,例如預報方面以集中式、經驗性模型為主,預警能力不足,預案精細化程度不夠,支撐多方案優選的預演能力較為薄弱。

進入新發展階段,大力推進智慧水利建設非常必要且迫切。

一是貫徹習近平總書記“十六字”治水思路和關于網絡強國的重要思想的迫切需要。習近平總書記站在國家安全和戰略全局的高度提出“十六字”治水思路,為推進新時代治水提供了根本遵循,并就網絡安全和信息化提出一系列新思想新觀點新論斷,形成了關于網絡強國的重要思想。踐行“十六字”治水思路,建設數字中國,必須統籌推進水利業務與信息技術深度融合,通過智慧水利建設提升水利數字化、網絡化、智能化水平,驅動水利現代化發展,提高國家水安全保障能力,更好地支撐我國社會主義現代化建設,實現治水為民、興水惠民。

二是落實中央“十四五”規劃綱要的必然要求。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》提出了“構建智慧水利體系,以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”的明確要求。對表對標這一要求,必須充分運用物聯網、云計算、大數據、人工智能、數字孿生等新一代信息技術,建設數字孿生流域,以預報、預警、預演、預案(“四預”)功能的實現提升水情測報和智能調度能力,推動水利治理方式變革,統籌發展與安全,助力實現經濟行穩致遠、社會安定和諧。

三是推動水利高質量發展的實施路徑。我國已進入了全面建設社會主義現代化國家的新階段,經濟社會發展發生深刻變化,新發展格局正在加快構建,高質量發展是“十四五”乃至更長時期我國經濟社會發展的主題,關系我國社會主義現代化建設全局。充分發揮信息化對經濟社會發展的驅動引領作用已形成全社會共識,水利是經濟社會發展的基礎性行業,為實現新階段水利高質量發展,有力支撐全面建設社會主義現代化國家,必須深刻認識智慧水利是水利高質量發展的顯著標志,按照水利部黨組要求,大力推進智慧水利建設,推動水利向形態更高級、基礎更牢固、保障更有利、功能更優化的階段演進。

二、準確把握智慧水利建設的思路與目標

李國英部長在講話中明確提出,智慧水利建設要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求,以數字化、網絡化、智能化為主線,以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑。

(一)遵循總體要求

一是堅持需求牽引。要求智慧水利建設從黨和國家事業發展的全局出發,立足水利部門職責,認真開展需求分析,掌握水利業務的目標、流程、功能、數據等需求,將需求作為智慧水利規劃設計、建設管理的基本依據。

二是堅持應用至上。要求推動水利業務與新一代信息技術的深度融合,會用、善用智慧水利系統為水利治理管理和決策提供支撐;網信部門要有強烈的應用意識,確保建成的系統管用、實用、好用。

三是堅持數字賦能。要求業務部門善于用數據說話、用數據管理、用數據決策,推動水利業務智能化,發揮數字化、網絡化、智能化對水利現代化的加速器、催化劑作用,推進水利決策科學化、水利治理管理精細化、水利公共服務高效化。

四是堅持提升能力。要求在預報、預警、預演、預案功能的支撐下,提升水旱災害防御、水資源集約節約利用、水資源優化配置和大江大河大湖生態治理保護等能力。

(二)緊扣實現路徑

一是構建數字孿生流域。以自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會信息為主要內容,對物理流域進行全要素數字化映射,并實現物理流域與數字流域之間的動態、實時信息交互和深度融合,保持兩者的同步性、孿生性。

數字化映射是數字孿生流域的基礎,重點是構建數字化流場,主要任務是建設數據底板,為智慧水利提供海量數據支撐。建設內容包括物理流域的自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會等對象,感知要素就是這些對象的各類屬性,如自然地理的地形地貌、干支流水系的水文、水利工程的安全監測、經濟社會的農作物產量等要素。主要技術手段是物聯感知操控、數字化表達、數據融合供給、虛實融合互動等,物聯感知操控主要對各類要素進行感知、對各類控制設備進行遠程操控,為數字孿生流域提供數據源;數字化表達主要是構建多維多時空數據模型,對物理流域產生的不同類型、不同形態、不同來源的數據進行有序組織;數據融合供給是以數據流的方式為模型、業務應用提供海量數據服務;虛實融合通過虛擬現實、增強現實、混合現實等技術實現物理流域與數字孿生流域的互動,如通過多路鏡頭在數字孿生流域實時重建河道,并通過VR進入數字孿生流域進行巡河。

二是開展智慧化模擬。智慧化模擬基于數字孿生流域,通過集成耦合多維多時空尺度高保真數學模型,構建數字孿生流域模擬仿真平臺,支撐水利業務全要素“四預”的模擬仿真。

數學模型是數字孿生流域的核心,重點是通過預演發現問題和薄弱環節,主要任務是構建水利專業模型和可視化模型等組成的模擬仿真平臺,利用數字世界的可重復性、可逆性、實驗后果可控等特點,為智慧水利提供細化、量化、變化、直觀的分析等計算分析功能支撐。建設內容主要包括水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水環境、水利工程安全評價等6大類專業模型,以及自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會等場景的可視化模型。主要技術手段是模擬仿真推演、可視化呈現、空間分析等,模擬仿真推演是通過物理實體、業務流程等參數的模擬計算進行空間推演、過程分析,為預演提供驅動,如“降雨—產流—匯流—演進”過程推演;可視化呈現通過實時渲染展現物理實體、業務流程,展現流域全貌大場景直到工程細節,為預演提供形象直觀效果,如洪水漫堤等場景渲染;空間分析結合時空網格、空間定位等服務,提供空間數據相關計算、分析、查看以及路徑規劃、漫游、可視域分析、場景標注等能力,為預演提供空間計算分析功能。

三是支撐精準化決策。精準化決策是在防洪調度、水資源管理與調配、水生態過程調節等預演的基礎上,生成決策建議方案。

支撐精準化決策是數字孿生流域的目標,重點是制定最優化方案以便最大程度提前規避風險、提高效益、減少損失,主要任務是建設知識平臺,為規劃、工程調度、治理管理措施等方面的多方案比選提供支撐。建設內容主要包括業務規則、歷史案例、專家經驗等知識,以及遙感AI、視頻AI、自然語言處理等智能算法。主要技術手段包括知識圖譜、自學習自優化等,知識圖譜是將國家有關法律法規、歷史經驗教訓、流域區域規劃、工程調度方案等,支持事件正向智能推理和反向溯源分析,為方案評估優選提供大的決策背景;自優化自學習是利用知識圖譜、機器學習等人工智能技術,實現“數據感知—智能識別—知識圖譜構建—深度學習—智能決策”的循環,推動數字孿生流域自我優化運行,為即時和精準決策提供支撐。

(三)錨定建設目標

一是總體目標。充分運用云計算、大數據、人工智能、物聯網、數字孿生等新一代信息技術,建成“四預”功能的智慧水利體系,實現數字化場景、智慧化模擬、精準化決策,賦能水旱災害防御、水資源集約節約利用、水資源優化配置、大江大河大湖生態保護治理,為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

二是“十四五”時期主要目標。構建包括水利信息化基礎設施體系、水利智能中樞體系、“2+N”水利智能業務應用體系、水利網絡安全防護體系、水利網信保障體系等五大體系的智慧水利總體框架,初步建成大江大河數字孿生流域,推進水利工程智能化改造,在主要江河流域的重點防洪地區基本實現“四預”,在跨區域重點河流和跨流域重大引調水工程初步實現水資源管理與調配“四預”,水利數字化、網絡化和重點領域智能化水平明顯提升,為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

三是2035年遠景目標。基本建成智慧水利體系,各項水利治理管理活動實現數字化、網絡化、智能化。

三、全面落實智慧水利建設的重點任務

李國英部長在講話中指出,要全面推進算據、算法、算力建設,加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系。智慧水利建設主要任務是構建數字孿生流域、建設具有“四預”功能的“2+N”業務系統和完善網絡安全防護體系。

一是構建數字孿生流域。以物理流域為單元、時空數據為底座、水利模型為核心、水利知識為驅動,推進算據、算法、算力建設。算據方面,重點是擴展升級水利一張圖,構建智慧水利三級數據底板,并完善空天地一體化物聯感知網,對物理流域進行全要素數字化映射,為數字化場景構建提供海量數據基礎。算法方面,重點是集成耦合水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水利工程、水生態環境等多維多時空尺度數學模型,擴展數字化表達和可視化呈現功能,構建知識圖譜、業務規則、歷史場景和專家經驗等知識庫,打造數字孿生流域模擬仿真平臺,模擬分析自然水循環和社會水循環過程,為智慧化模擬提供模型驅動。算力方面,重點是擴展升級水利云平臺,完善水利信息網,提供高性能計算存儲和泛在網絡連接支持。實現物理流域與數字流域之間的動態、實時信息交互和深度融合,保持兩者的同步性、孿生性,為“2+N”水利業務提供精準化決策支撐。

二是建設流域防洪系統。在國家防汛抗旱指揮系統的基礎上,擴展定制流域防洪數字化場景,升級完善流域防洪“四預”功能,補充綜合旱情監測預測功能,搭建防汛抗旱“四預”業務平臺。數字化場景方面,擴展中小河流、中小水庫等信息感知,補充流域下墊面、社會經濟等數據。預報方面,集成“降水—產流—匯流—演進”全過程模型,實現氣象水文、水文水力學耦合預報以及預報調度一體化。預警方面,擴展防洪風險影響和薄弱環節判別、主要江河風險防控目標識別等功能,提高洪水預警時效性、精細化和覆蓋面。預演方面,擴展模擬計算和動態仿真等功能,支撐防洪調度方案集合生成。預案方面,集成各類防洪方案、調度規則和專家經驗,擴展方案自動生成、多方案比選等功能,支撐形成防洪調度決策優化方案。旱情綜合監測預測方面,主要是建設綜合旱情一張圖。

三是建設水資源管理與調配系統。在國家水資源監控能力建設項目、國家地下水監測工程的基礎上,完善水資源管理與調配數字化場景,擴展升級水資源監管預警、調配管理決策、節約用水管理服務等功能,搭建水資源管理與調配綜合平臺。數字化場景方面,整合水資源總量、可用量、分配量等基礎數據,匯集重要斷面、取退水口、取用水戶等監測數據,共享稅務、統計等部門相關數據,打造水資源管控一張圖,動態掌握并及時更新水資源監測計量臺賬。水資源監管預警方面,完善水資源承載力、預警等模型,擴展超許可取水、生態流量、取用水總量、地下水雙控等功能,實現流域區域取用水的精細化管理和超前預警,支撐水資源剛性約束制度實施與監管。調配管理決策方面,構建來水預報、水量分配、水量調度等模型,開發不同來水、不同調度措施、不同調度目標下的調度預演以及多方案比選等功能,支撐提前規避風險、制定預案,為國家水網智慧調度奠定基礎。節約用水管理服務方面,構建水效評估等模型,開發節約用水評估考核、節水監督、計劃用水等功能,以及節水政策標準、用水定額、水效排名等信息服務,為國家節水行動提供支撐。

四是建設N項業務應用系統。完善水庫基礎數據同步更新和監測數據匯集交換體系,擴展完善水庫、水閘等注冊登記以及病險水庫項目管理等功能,建設水利工程安全管理運行預演應用,提升水利工程安全運行監控和智能化管理水平。

升級水土保持信息管理系統,提高衛星遙感監測精度和更新周期,開發水土流失監測分析計算模型,擴展完善生產建設項目監督、綜合治理全過程智能監管、重要淤地壩監控和安全風險預警等功能,支撐水土保持智慧化管理。

完善河湖長制管理信息系統,整合集成河湖管理數據,升級擴展遙感和視頻智能識別等模型,完善“四查”(巡查、詳查、核查、復查)功能,實現河湖監管問題的發現上報、復核抽查、跟蹤問責、問題銷號的全過程閉環管理,支撐河湖長制從有名到有實、有能。

擴展農村水利水電信息管理系統,建立農村供水工程名錄臺賬、供水問題臺賬,推動農村供水基礎信息動態更新及管理信息填報,推進千噸萬人供水工程在線監測,打造農村供水智慧管理樣板,實現農村供水工程數字化管理。

同步推進南水北調智慧運行和安全監管、水利監督與水政執法、水利行政、水利公共服務等業務應用建設。

五是構建網絡安全體系。網絡安全體系主要是升級完善,包括安全管理、安全監督、安全技術等方面。其中,網絡安全管理體系主要是建立制度、規范、流程和規程構成的網絡安全管理制度標準體系,覆蓋網絡安全組織管理、人員管理、建設管理、運維管理、應急響應和監督檢查等各項工作。網絡安全監督體系主要是開展日常威脅預測、威脅防護、持續檢測、響應處置等網絡安全運營工作。網絡安全技術體系主要是開展行業網絡安全基礎防護能力、監測分析和應急響應網絡安全態勢感知預警及應急處置能力建設,特別是水利關鍵信息基礎設施、行業重要數據等安全保護能力等建設。

四、強化責任落實和資金投入,多方位保障智慧水利建設

一是落實責任。各級水利部門黨委(黨組)要充分發揮總攬全局、協調各方的領導核心作用,建立網信部門牽頭抓總、綜合部門溝通協調、業務部門組織需求分析和應用、運維部門系統維護管理的有效機制,確保責任落實到人到位。水利部網絡安全與信息化領導小組負責全國智慧水利建設指導與統籌以及智慧水利建設的日常管理工作,業務司局負責組織本領域需求分析和先行先試等工作。流域管理機構和省(自治區、直轄市)水行政主管部門、新疆生產建設兵團水利局負責轄區內智慧水利建設工作并按照要求和標準規范匯交共享數據成果。

二是加大投入。各級水利部門要將智慧水利重點任務以重點工程等方式加快落實和推進,積極爭取資金投入,拓寬項目資金來源,統籌資金渠道,利用中央預算內投資、中央財政及地方財政等推進智慧水利建設,重點保障擬立項項目經費和開發性維護經費,積極爭取運維經費并納入財政預算。新建水利工程必須按照智能化的要求和標準建設 。結合國家水網建設推進已建水利工程智能化改造。

三是加強監督。各單位要按照《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”水利網信建設實施方案(“十四五”智慧水利建設實施方案)》和本單位規劃和方案要求,對重要任務實行清單管理、掛圖作戰,將智慧水利建設工作納入議事決策和事項督辦范圍,加強督促檢查,對重點任務進行考核并將結果作為黨政領導班子和領導干部考察的重要內容。

四是建強隊伍。加強水利網信人才隊伍建設,制定專門人才政策,完善工程建設、科學研究等人才的穩定措施,著重加強網絡安全和業務系統運行維護人才的保障措施,創建有利于人才發展的良好環境。探索創建智慧水利創新人才培養基地,建立常態化、持續化的人才培養體系,加快培養出一批既懂水利又懂網信的復合型人才。

                                                                                                   作者|蔡陽  成建國  曾焱  張阿哲

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