人物訪談
數字孿生水利是新階段水利高質量發(fā)展的重要標志，人工智能、大數據等新一代信息技術和 3S 技術的深度融合及應用，對推進數字孿生水利建設不可或缺。
▲水利部信息中心主任，水利部網信辦主任蔡陽
蔡陽，水利部信息中心主任，水利部網信辦主任，享受國務院政府特殊津貼專家，兼任中國地理信息產業(yè)協(xié)會副會長、國家大數據專家咨詢委員會委員、國家電子政務工程建設指導專家組成員、全國信息分類與編制標準化技術委員會委員、國家信息安全等級保護專家委員會委員。
作為主要負責人組織編制全國水利信息化發(fā)展規(guī)劃，負責組織實施國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源管理系統(tǒng)等重大工程。榮獲國家科技進步二等獎 2 項。
水是基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經濟資源，是生態(tài)與環(huán)境的控制性要素，水利工作關系國計民生，是經濟社會發(fā)展的重要支撐，對保障水安全、推動經濟社會高質量發(fā)展具有重要意義。在我國歷史上，古有靈渠、都江堰、京杭大運河，今有三峽、南水北調，每項水利工程都對造福百姓、促進社會發(fā)展起到了重大作用。當前，隨著經濟的快速發(fā)展、新技術的不斷涌現及融合應用，水利建設事業(yè)也進入了全新的發(fā)展階段。
2000 年前后，數字水利概念出現。數字水利，即采用包括 3S 技術在內的系列信息技術手段，對水利行業(yè)進行技術改造升級，讓決策更科學、更合理，提升水利事業(yè)的效率與效能。數字孿生水利是在數字水利的基礎上，融入云計算、物聯網、大數據、移動互聯網、人工智能等技術的綜合應用，進一步實現對水利對象及水利活動的透徹感知、全面互聯、深度共享、智能應用和泛在服務。
從數字水利到數字孿生水利，是新技術推進的結果，更是新時代發(fā)展的要求。在 2023 年全國水利工作會議上，水利部部長李國英強調，要大力推進數字孿生水利建設，實現水利業(yè)務“四預”（預報、預警、預演、預案）功能。數字孿生水利成為年度行業(yè)熱詞，受到多方關注。近兩年國家先后發(fā)布的多項文件中，“數字孿生水利”一詞多次出現。
水利部信息中心主任、網信辦主任，中國地理信息產業(yè)協(xié)會副會長蔡陽，從頂層設計、建設重點、創(chuàng)新應用、技術賦能、下步工作五個方面分享了對數字孿生水利的見解與思考，探討數字孿生水利建設如何推進。
談頂層設計：強化指導，統(tǒng)一要求
過去十年，我國水利事業(yè)取得了舉世矚目的成就，水利信息化也進入新的發(fā)展階段。水利部部長李國英明確提出，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，統(tǒng)籌建設數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程，構建具有“四預”功能的數字孿生水利體系。
蔡陽介紹，近年來，水利部主要從規(guī)劃、行政、工作、技術四個層面來逐步推進數字孿生水利建設，均發(fā)布了相關指導性的文件，基本完成了數字孿生水利建設的頂層設計。
在規(guī)劃層面，水利部制定了《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《“十四五”數字孿生流域建設總體方案》等系列文件，明確了推進智慧水利建設的時間表、路線圖、任務書，為智慧水利的建設提供了指引。
在行政層面，水利部出臺了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，提出了智慧水利建設的總體要求、建設任務和保障措施；印發(fā)了《數字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》，明確了數字孿生流域建設共建共享工作要求，重點回答誰來建、如何共建、如何共享等問題，堅持“全國一盤棋”，確保不重不漏、資源共享、業(yè)務協(xié)同。
在工作層面，考慮到數字孿生水利建設體系龐大、任務繁重、時間緊迫，需要按照頂層設計和相關技術文件要求，總體謀劃、科學組織、多方協(xié)同、合力推進，水利部印發(fā)了《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，明確了任務措施，落實了責任分工。數字孿生水利是一項技術難度大、實施復雜的系統(tǒng)工程，需要進行技術攻關和試點建設，水利部開展了先行先試工作，印發(fā)《關于開展數字孿生流域建設先行先試工作的通知》，通過以數字孿生流域建設為主線，以數字孿生水利工程建設為切入點和突破口，以實現水利業(yè)務“四預”功能為目的，在大江大河重點河段、主要支流及重要水利工程開展數字孿生水利建設先行先試，示范引領。
在技術層面，2022 年以來，水利部先后出臺了《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數字孿生水網建設技術導則（試行）》《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》《水利業(yè)務“四預”基本技術要求（試行）》等系列文件，明確了數字孿生水利的具體建設內容，細化了技術要求，為各級水利部門數字孿生水利建設提供了基本技術遵循。
2022 年，蔡陽在《中國水利》雜志發(fā)布《以數字孿生流域建設為核心構建具有“四預”功能智慧水利體系》文章，系統(tǒng)性地講述了智慧水利的建設背景、目標與路徑，引發(fā)廣泛關注。“在不久前舉辦的 2023 中國水博覽會暨第十八屆中國（國際）水務高峰論壇上，有 160 余家單位企業(yè)參展，其中超過一半都在開展數字孿生水利。”蔡陽說，“數字孿生水利掀起了一股熱潮。”
談建設重點：加快推進數字孿生流域建設
為什么要加快推進數字孿生流域建設？蔡陽表示，這是順應自然規(guī)律、管理體制、技術發(fā)展的需要。
首先，流域是降水自然形成的以分水嶺為邊界，以江河湖泊為紐帶的空間單元。水的自然屬性決定了由流域內上下游、左右岸、干支流和地表地下的自然聯系，形成了天然的水系整體，流域內山水林田湖草沙等各生態(tài)要素緊密聯系、相互影響、相互依存，構成了流域生命共同體。所以強調要以流域為單元，這是順應自然規(guī)律。
其次，流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性。這種特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎單元，堅持流域系統(tǒng)觀念、堅持全流域“一盤棋”，實現流域統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一管理。歷史上黃河三年兩決口、百年一改道就是最生動寫照。中華人民共和國成立后，我國水管理體制實行以流域為單元與區(qū)域管理相結合的管理體制，全國層面設置七大流域管理機構進行流域管理，各地方也在轄區(qū)內設置不同級別的管理機構管理重點河湖。所以強調整個流域統(tǒng)籌考慮，這是順應管理體制。
最后，推進數字孿生流域建設是由水利工作的空間特點決定的，水利是一項大尺度、大范圍的工作，不可能在物理流域中試驗不同方案，只能在數字空間進行反復預演，經過綜合評估分析后選擇最優(yōu)方案，運用到實際工作中，這是順應技術發(fā)展。
除了數字孿生流域之外，根據水利業(yè)務特點，水利部又先后提出數字孿生水利工程、數字孿生水網并進行頂層設計。因此，統(tǒng)籌建設數字孿生流域、數字孿生水網和數字孿生水利工程，實現“2+N”業(yè)務應用“四預”（預報、預警、預演、預案），同步強化網絡安全和保障體系，是數字孿生水利體系的主要任務。
物理流域指由分水線所包圍的河流集水區(qū)，分地面和地下兩類集水區(qū)。物理水網是物理流域中的自然河湖水系與引調排水和調蓄工程的組合，也就是數字孿生流域中的自然河湖、數字孿生引調排水工程和調蓄工程等組成數字孿生水網。水利工程也涉及跨流域，因此，三者之間不是簡單包含關系。
“三者分別是物理流域、物理水網、物理水利工程在數字空間的映射，三者的關系決定于三個物理實體的相互關系，它們互不替代、各有側重、相對獨立、互聯互通、信息共享。”蔡陽說，“隨著數字孿生水利建設的逐步推進，我們有了更多的突破口和切入點。”
談創(chuàng)新應用：多個案例值得點贊
當前，全國數字孿生水利建設工作穩(wěn)健起步，正在如火如荼開展，也取得了一些明顯成效，如平臺方面有近期正式發(fā)布的水利部數字孿生平臺暨全國水利一張圖 2023 版，數字孿生流域方面有數字孿生長江、數字孿生黃河等，數字孿生工程方面有數字孿生小浪底、數字孿生大藤峽等。這些成果在流域防洪和水資源管理與調配等領域發(fā)揮了重要作用，產生了顯著的社會效益和經濟效益。
圍繞全國水利數據資源的整合應用與共享，早在 2009年，水利部就聯合超圖啟動全國水利一張圖的建設，先后歷經 2015 版、2019 版等版本的迭代，今年還發(fā)布了 2023 版，強化了數字孿生諸多新功能。蔡陽表示，全國水利一張圖的價值主要體現在：1. 實現“一張圖 + 多領域應用”的新模式；2. 實現水利業(yè)務工作與一張圖深度融合和良性循環(huán)。全國水利一張圖動態(tài)更新、功能強大、安全可靠，已成為水利工作最重要、最有效的基礎信息平臺。
長江委、黃委、淮委各自運用大數據、人工智能等新一代信息技術，打造了相應的數字孿生流域，提升流域內的水旱災害防御水平，保障流域水工程持續(xù)發(fā)揮防洪供水等綜合效益，能更為有效地保護流域百姓生命財產安全。
數字孿生工程也取得了階段性進展，數字孿生大藤峽工程是全國水利行業(yè)首個正式開工建設的數字孿生水利工程，項目對業(yè)務過程進行全息精準化模擬和超前仿真推演，在提高應急處置能力，提高洪水預報精度和延長預見期，提升船閘的自動化運行能力和智能化水平，強化水資源配置保障粵港澳大灣區(qū)水安全，保護西江干流魚類資源等方面發(fā)揮了重要作用。
數字孿生小浪底通過數字孿生平臺及相關業(yè)務“四預”功能建設，進一步提升防洪（防凌）、減淤、供水、灌溉、生態(tài)、發(fā)電等綜合效益，有效提升小浪底水庫水量調度、生態(tài)調度和應急調度的科學性、精準性和時效性，還增強應對突發(fā)性事件的反應能力，降低洪水災害對工程保護范圍人民生命和財產安全造成的損失，提高工程防災減災效益。
談技術賦能：多技術應用是必然，5 大重點須重視
隨著云計算、Web2.0 技術的發(fā)展，人類社會迎來了第三次信息技術浪潮，信息技術已經融入到水利工程設計、建造和管理等各個環(huán)節(jié)，將賦予水利信息化建設無限可能。“人工智能、大數據等新一代信息技術和 3S 技術的深度融合及應用，對推進數字孿生水利建設不可或缺。”蔡陽說。
例如，在數字孿生水利建設中，對于業(yè)務智能應用和“四預”功能的實現，都離不開人工智能的加持，特別是大數據分析、遙感智能分析、視頻自動識別等。再如，不論是水利一張圖更新，還是數字孿生平臺的搭建，都需要 GIS 技術的支撐，這對 GIS 技術也提出了更高的要求：GIS 技術在水利工作中的應用已從結合地理要素的水利信息查詢展示，發(fā)展到利用 GIS 進行空間運算，實現水利信息的統(tǒng)計、分析與模擬演示等。
“超圖等 GIS 廠商，要不斷融合及創(chuàng)新人工智能、大數據等技術，提升服務，以更好地支撐數字孿生水利建設。”蔡陽說，“特別是二三維一體化的技術攻關，還要實現游戲引擎和 WebGL 引擎融合應用，保證數據可視化效果；在數據挖掘方面，要通過大數據挖掘數據價值來支撐應用。希望超圖這樣自主創(chuàng)新的國產 GIS 軟件，能在數據安全方面作出應有貢獻。”
蔡陽曾在《數字孿生水利建設中應把握的重點和難點》一文中寫到，數字孿生水利建設覆蓋水利的各業(yè)務領域、各層級，涉及面廣，應把握算據、算法、算力、智能應用和網絡安全 5 個方面的建設重點。以算力為例，算力是數字孿生水利高效穩(wěn)定運行的重要支撐，必須適度超前，重點是信息化基礎設施建設，主要包括以下內容：
1. 水利感知網。水利部本級建設感知數據匯集、視頻級聯集控和水利遙感服務等平臺。各流域管理機構和省級水行政主管部門建設流域、區(qū)域感知數據匯集平臺，擴展定制視頻級聯集控平臺流域、區(qū)域節(jié)點，以及水利遙感服務平臺流域、區(qū)域節(jié)點，升級改造各類監(jiān)測站，并裝備無人機、無人船等設施。
2. 水利信息網。水利部本級、各流域管理機構和省級水行政主管部門拓展網絡聯通范圍，實現水利系統(tǒng)全覆蓋，優(yōu)化調整網絡結構，推進 IPv6 規(guī)模部署和應用，擴大水利信息網帶寬。各流域管理機構和省級水行政主管部門組織有關單位升級水利工程工控網等。
3. 水利云。建設包括水利部本級節(jié)點和 7 個流域管理機構節(jié)點的一級水利云，省級水行政主管部門依托政務云、自建云等建設二級水利云。
他還總結了數字孿生水利建設的重點，主要體現在算據感知、算據更新、模型平臺、知識平臺、算力、業(yè)務應用“四預”、網絡安全、技術標準、工作協(xié)調、資金投入、人才等方面。以算據感知為例，傳統(tǒng)監(jiān)測不滿足全要素、全過程數字化場景需要，無法支撐物理世界與虛擬世界交互的精準性、同步性、及時性。因此，我們需要通過數字孿生水利建設牽引，倒逼物理流域、物理水網、物理水利工程監(jiān)測，構建“天空地”一體化水利感知網：
1. 升級改造傳統(tǒng)水利監(jiān)測站網。檢視并修訂不符合數字孿生水利建設要求的標準規(guī)范，在水文、水資源、水利工程、水土保持等現有監(jiān)測站網基礎上，依據標準規(guī)范，完善優(yōu)化站網布局，增設監(jiān)測要素，增加監(jiān)測頻次，升級改造傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，實現自動在線監(jiān)測。
2. 構建新型水利監(jiān)測網。加強雷達、衛(wèi)星遙感、航空遙感、高清視頻、無人機、無人船、地面機器人、水下機器人等新型監(jiān)測手段應用，融合地面監(jiān)測數據，支撐虛擬世界與物理世界交互的精準性、同步性、及時性。
談下步工作：在水利一張圖基礎上，持續(xù)完善水利部數字孿生平臺
水利部 2023 年工作會議指出：完善全國水利一張圖，推進數據挖掘分析，保障數據安全，強化遙感技術業(yè)務應用。2023 年 6 月 20 日，水利部在小浪底水利樞紐召開數字孿生水利建設現場會，發(fā)布數字孿生平臺暨全國水利一張圖 2023 版，該平臺作為數字孿生水利的關鍵，通過有序匯集融合多源數據構建數字化場景，實現多要素數字映射；以數學模型為核心建設水利通用模型平臺，實現物理流域同步仿真模擬；進一步推動多層級、多方式共建共享，促進流域防洪和水資源管理與調配等業(yè)務領域數字化轉型發(fā)展，率先賦能流域防洪“預報、預警、預演、預案”，有效支撐了精準化決策，同時廣泛服務于水利行業(yè)，有力提升了水利治理管理活動的數字化、網絡化、智能化水平，驅動和支撐了新階段水利高質量發(fā)展。
蔡陽解釋說：“全國水利一張圖還需不斷完善，要實現相關數據和應用動態(tài)更新，讓一張圖更加鮮活；一張圖是數據應用的保障，要基于一張圖，特別通過一張圖對大數據進行分析與決策，來支撐數據孿生水利的建設；遙感影像數據是一張圖的圖層之一，從 2015 年開始一張圖的遙感數據就在每年覆蓋更新，今年力爭多次覆蓋，來更好支撐水利業(yè)務工作；不斷加強數據資源統(tǒng)籌管理、整合歸集、共享利用。”他還特別強調了數據安全問題，“數據泄露后果不堪設想，因此要讓數據拿不走，拿走了也讀不懂，確保水利網絡安全和數據安全。”
蔡陽表示，下一步水利部聚焦數字孿生水利，將大力開展有關工作：構建雨水情監(jiān)測“三道防線”，進一步延長雨水情預見期、提高預報精準度，有效應對水旱災害風險；在水利一張圖基礎上，持續(xù)完善水利部數字孿生平臺，重點打造模型平臺和知識平臺，為數字孿生提供算法基礎；強化數據安全防護，建設數據安全基礎防護設施，推進商用密碼應用。
