国家智慧水网建设思路与对策...与国产化自主双轮驱动的视角_叶茂盛.pdf

CHINA WATER RESOURCES2023.1水水利信息化实施国家水网工程，是贯彻落实党中央、国务院决策部署，加快完善现代化高质量水利基础设施体系的重要任务，是优化我国水资源配置、全面提高水安全保障能力的根本举措。党的十九届五中全会及经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要明确提出实施国家水网重大工程，并提出加快建设新型基础设施。国家水网工程作为传统基础设施，加快其数字化改造与智能升级，加强泛在感知、终端联网、智能调度体系建设，构建国家智慧水网体系，实现对国家水网工程全生命周期管控，对建设现代化水利基础设施具有重要意义。一、机遇与挑战1.加快推进国家水网工程为国家智慧水网建设提供新机遇为全面提升水安全保障能力，习近平总书记把构建国家水网提升到国家战略高度，要求统筹存量和增量，加强互联互通，加快构建国家水网主骨架和大动脉。为贯彻党的十九届五中全会关于实施国家水网重大工程的部署，认真落实习近平总书记在南水北调后续工程高质量发展座谈会上的重要精神，水利部党组把实施国家水网工程作为推进新时期水利高质量收稿日期：2022-08-22作者简介：叶茂盛，高级工程师。基金项目：国家自然科学基金青年项目（41105099）。国家智慧水网建设思路与对策基于数字化转型与国产化自主双轮驱动的视角叶茂盛1，冶运涛2，3，蒋云钟2，3，李剑峰4（1.中国南水北调集团东线有限公司，100029，北京；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，100038，北京；3.水利部数字孪生流域重点实验室，100038，北京；4.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，100054，北京）摘要：为将新一代信息技术与水网工程全生命周期管控相结合，分析国家智慧水网建设面临的机遇与挑战，设计国家智慧水网发展目标和建设路径，提出国家智慧水网建设的总体方向、基本思路和技术对策，统筹数字化发展与网络安全底线。在国家水网工程建设已上升为国家战略的大背景下，构建国家智慧水网体系对于提升水网工程的数字化、网络化和智能化水平具有重要意义。关键词：国家水网；智慧水网；数字孪生水网；数字化转型；国产化Ideas and measures for building national smart water networksby taking the advantages ofdigitalization for transformation and localization/Ye Maosheng,Ye Yuntao,Jiang Yunzhong,Li JianfengAbstract:In order to integrate new generation of information technology with life-cycle control in theconstruction of water network,opportunities and challenges faced by national smart water network areexamined.In line with the objectives of design and construction route of national smart water network,itproposes the overall target,basic ideas and technical measures for the network,by taking both digitaltechnology and the bottom line of network security into consideration.As the project has been regarded as apart of national strategy,it shall be of great significance to enhance the level of digitalization,networking andintelligence in network construction.Keywords:national water network;smart water network;digital twin water network;digital transformation;localization中图分类号：TP393+TV文献标识码：B文章编号：1000-1123（2023）01-0032-0532水水利信息化2023.1中国水利发展六条实施路径之一。“十四五”水安全保障规划 要求推进传统水利工程向新型水利基础设施转型，加快已建水利工程智能化改造，不断提升水利工程建设运行管理智能化水平；水利部印发的 关于实施国家水网重大工程的指导意见 “十四五”时期实施国家水网重大工程实施方案 等文件，要求加快构建“系统完备、安全可靠，集约高效、绿色智能，循环通畅、调控有序”的国家水网，加强与新型基础设施建设相融合，以数字孪生工程为重点，推进工程智慧化建设，提升工程数字化、网络化、智能化水平，强化预报、预警、预演、预案能力，提高水资源配置工程调度管理水平。2.网络强国战略思想实施为国家智慧水网建设提出新要求习近平总书记高度重视网络强国、数字中国建设，对数字化、网络化、智能化提出系列明确要求。国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要明确指出，构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。国家“十四五”新型基础设施建设规划 明确提出要推动大江大河数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。“十四五”国家信息化规划 多处提到有关智慧水利建设相关内容，如“绿色智慧生态文明建设行动”章节提出“推进智慧水利建设”，要求“推进新一代信息技术与水利业务融合，完善大江大河监测体系，加强水利大数据应用，加速推进水文、水资源等重要水利数据有序共享。以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”；“建设物联数通的新型感知基础设施”章节把将水利领域公共基础设施的数字化、智能化升级作为建设物联数通的新型感知基础设施的重要任务；“提升数据资源开发利用水平”章节把水利领域作为支持构建规范化数据开发利用场景之一，以提升数据资源价值；“打造一体化智慧化公共安全体系”章节把水利设施作为加强运行态势感知和智能分析的领域之一，以提升公共安全风险识别和预报预警能力；“完善升级乡村基础设施”章节把水利基础设施数字化、智能化转型作为重要行动。3.数字化转型、国产化替代对国家智慧水网建设提出新挑战当前我国已建成世界上规模最大、范围最广、受益人口最多的水利基础设施体系。近年，随着长江三峡水利枢纽工程、南水北调中线工程、南水北调东线工程等大型水利水电工程建设，我国拥有了世界领先的工程规划设计技术、机械化施工手段、现代化建设与运行管理能力。但从整体看，受技术和经济制约，我国大部分水利基础设施智能化水平较低，而且采用的信息化设施设备多是国外品牌，带来安全隐患。（1）数字化智能化建设滞后，距离数字化转型要求相差甚远目前水网工程信息化系统分散化、碎片化问题严重，尚未形成一体化运营管理模式；数据孤岛严重，数据资源尚未有效利用，无法实现用数据说话、用数据管理、用数据决策；平台化集约化水平低，小而散、小而全建设问题突出，平台化专业化能力不足，投资效能整体不高；智能化水平不足，在感知全面化、控制精细化、决策智能化等方面存在诸多短板，基于数字化智能化基础上的预测、预演、预判尚未实现；调度效能较低，统一调度、精细调度、多级联动调度能力不足，与构建新时期全国水网，实现跨域协同调度、高效运营不匹配、不适应。（2）关键设备严重依赖国外，自主可控国产化替代任重道远水利行业的重要网络设施、信息系统被列为国家关键信息基础设施，需要监测、防御、处置来自境内外的网络安全风险和威胁，保护关键信息基础设施免受攻击、侵入、干扰和破坏。目前我国核心元器件严重依赖外国，需要紧紧牵住核心技术自主创新这个“牛鼻子”，抓紧突破网络发展的前沿技术和具有国际竞争力的关键核心技术，加快推进国产自主可控替代计划，构建安全可控的信息技术体系。这些核心业务系统对国计民生、经济运行的安全稳定具有重要支撑保障作用，因此对替代的高稳定性、高可用性、高实时性等提出更高要求。据统计，在南水北调东线等水利设施的信息化和工控设备中，国外设备应用平均占比超过90%，其中，美国设备占比超过80%，国产化设备应用占比不足10%，面临技术“卡脖子”、供应链断供、信息安全不可控等风险。二、目标与路径1.发展目标智慧水网是由物理水网、数字水网和业务水网耦合组成的新型基础设施，通过构建物理水网与数字水网组成的数字孪生水网，支撑业务水网的智慧应用。在数字化转型和国产化替代背景下，统筹发33CHINA WATER RESOURCES2023.1水水利信息化展和安全，国家智慧水网发展目标为以智慧水网理论指导国家智慧水网建设，提升水网工程运行效率效能、保障关键基础设施安全可控、助力国家水网科研创新突破。（1）提升水网工程运行效率效能主要是缩短调水计划周期，提高调水精度，降低输水损耗，提高水质达标率和供水保证率，减少用能成本，增强泵机设备稳定性，保证工程设施安全性，大幅度提升各种应用效能指标。（2）保障关键基础设施安全可控主要是提高水网工程水量水质在线感知能力、水量水质精准预测能力、一体化水量水质优化配置和联合调度能力、闸泵站群智能化监控能力、安全事故应急响应能力，显著增强国产化自主可控能力。（3）助力国家水网科研创新突破主要在自动控制设备、水质水文监测传感器、大型机组在线故障诊断、大型调水工程联调联控模型及仿真、水利设施计算机辅助设计软件等方面突破一批关键技术，带动促进国产生态链产业链的发展。2.建设路径国家智慧水网按照“全息状态感知、全态量化诊断、全程精准控制、全域智能交互、全景透明导向”路径开展建设。（1）全息状态感知主要包含水网水源、输水、配水、用水、排水各环节设施设备级层面的状态信息及其监控系统运行状态的实时感知，以及各类系统级层面的控制系统运行状态实时感知等，同时还包含各类社会、气象等与水网直接或间接关联的信息。（2）全态量化诊断主要采用仿真分析与数据驱动两种模式相结合，实现水网在不同时间尺度、空间尺度下不同稳定问题（静态、动态、暂态等）的安全稳定态势量化评估。主要包含实时运行状态（实时态）、各类预想方式或故障集（预想态）以及未来演变趋势（未来态）三大场景。进一步建立综合反映水网安全稳定水平及设备全生命周期健康指数的实用化量化评价指标体系，方便调度运行人员及设备维护人员直观、精准掌握水网真实运行态势。（3）全程精准控制同样采用仿真分析与信息驱动两种模式相结合，主要针对水网实际运行及故障演变过程，采用故障前以经济性为主导的优化预防控制、故障中以安全性为主导的紧急协同控制和故障后恢复控制，确保水网真实运行场景下的全过程安全经济运行。主要在全态量化诊断基础上在线快速识别主控“源（水源）网（供水网）荷（用户）”对象及其时空关联关系，建立自适应在线广域协同控制数学模型。采用广义灵敏度技术及高性能鲁棒优化算法，实现大水网全过程精准化广域协同控制，提升大水网安全、经济、综合运行水平和抵御风险能力。同时，在水网设备全生命周期实时监视和评估基础上，实现水网智能设备养护与维修。（4）全域智能交互主要面向各级调度指挥中心的调度运行人员，充分利用先进的地理信息引擎和可视化渲染技术，实时、同步、直观展示水网优化的目标靶向系统。另外，采用先进的电子沙盘、多屏互动和语音等人机交互技术，实现调度运行人员与实际水网的智能灵活交互和组态模拟推演，提高调度员对大水网运动特性的深度认知与掌控能力。（5）全景透明导向主要在全息状态感知、全态量化诊断、全程精准控制、全域智能交互基础上，通过空间地理信息、状态诊断信息的叠加及展示技术，建立一个与现实物理水网系统动态运行实时同步的虚拟导向系统。该导向系统能够直观展现现实水网系统，以更加