聚焦数字孪生核心任务 推进智慧水利新基建

黄伟

强大的计算和存储能力、丰富的数据资源条件、智能的知识模型算法软件是智慧水利建设的必要条件。近年来，我国智慧水利建设取得显著成果，已初步建立了必须的数据资源条件、模型算法库和计算存储能力，为数字孪生水利建设提供了重要的硬件、数据和软件支撑。但从水利新型基础设施建设的高度看，要实现真正意义上的数字孪生水利，仍存在算力、算据、算法问题。

算力存储提升明显

网络汇聚集约能力仍需加强

智慧水利，算力先行。数字孪生水利产生的高数据量、AI（人工智能）大模型的出现以及复杂场景的计算需求进一步催生了面向AI的基础设施算力需求，数据中心智能化升级步伐不断提速，算力正在成为新的生产力，并成为数字孪生水利高效运行的重要支撑。

当前，通过水利信息化重点工程建设，水利算力有了明显提升。在通信网络方面，地市级以上水行政主管部门实现全联通，区县级水行政主管部门联通率达到80.53%，骨干网带宽扩充至100兆以上；在计算存储方面，省级以上水利部门建设私有云或共享政府云，水利云CPU（中央处理器）存储容量达47PB。

目前，算力资源配置不均、数据流通效率有待提升、单点算力存在极限等问题仍是制约数字孪生水利发展的屏障。要进一步扩展计算资源，按照“集约高效、共享开放、按需服务”的原则，打造物理分布、逻辑集中、协同工作的高性能算力；要建设水利云新基础设施，提供云端按需扩展和安全可信的大规模联机计算服务；要进一步升级通信网络，满足信息高速、高效、实时传送，为算力资源提供高质量的网络支撑；要积极融入全国一体化算力网络，助力国家枢纽节点的部署和“东数西算”工程的推进，实现全网算力、数据和生态的汇聚与共享，实现泛在算力协同、绿色集约布局，为数字孪生水利建设提供高质量算力保障。

感知能力发展迅猛

数据处理协同能力仍需优化

数字孪生，算据为基。水利部汇聚完成全国水利一张图，覆盖55类1600万个水利对象，规划在建主要流域L1级数据底板，蓄滞洪区等重点区域L2级数据底板，以及重点水利工程L3级工程模型，为水利高质量发展提供了坚实数据支撑。

当前，由于资金投入较大、开发难度偏易和建设成果显著等因素，算据的高时空感知、高精度感知、高智能感知“三高需求”被迅速关注，卫星遥感、航空遥感、无人机、无人船、倾斜摄影、北斗、先进传感器、物联网等先进技术应用广泛，对搭建数字孪生数据底板起到了巨大支撑作用。但与之对应的多观测融合、多协议互联、多主题交互“三多现状”，由于处于数据底板底层、开发难度较大等原因，重视程度仍需加强。构建天空地一体化水利感知网发展迅猛，但水利基础信息不全、准确性不高、数据标准不一致，不同业务和层级间存在数据“重采、重存”现象，与其他行业相关数据未能实现充分共享等问题仍旧存在。

建设与物理世界交互精准性、同步性、及时性，构建全国统一、及时更新的数字孪生数据底板任重道远。要研究空天地海量传感器组网通信等集成管理技术，研究协同多源异构感知资源、数据融合和按需聚焦服务的新方法；要建立统一的元数据标准，过滤冗余数据、补充缺失数据、纠正异常数据、降低数据维度，形成统一标准格式的数据底板；要实现物理资源多种传感接入、业务分发、边缘计算及区域自治，实现高性能、低成本、高灵活性的边缘数据处理技术；要重视异常数据检测、数据融合容错机制、数据融合算法等技术的开发，为数字孪生提供高质量基础底图。

模型攻关成果丰富

算法智慧化知识化水平仍需升级

应用牵引，智慧为王。通过推进水利专业模型技术攻关，目前我国已建成水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水环境、工程安全评价和参数优化等七大类多套水利专业模型，确保了模拟过程和物理过程实现高保真数字孪生建模，使数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程能够提供监控、仿真、预测、优化决策支持功能性服务，满足了水利治理管理的需要。但传统流域管理知识较为分散，缺乏统一整合和关联应用。流域防洪预案、典型水旱灾害事件的调度方案、专家经验、水利工程调度规则等主要以文件档案形式管理，难以在会商决策中及时调用和充分整合，对决策智能化的支撑不足。

知识图谱旨在充分利用物联网承载的数据信息，以结构化方式刻画系统中的概念、实体、事件及其间的关系，为涉水行业产业链提供一种更有效的跨媒体大数据组织、管理及认知能力。知识图谱正逐步成为推动智慧水利人工智能发展的核心驱动力之一。因此，锚定智慧化模拟目标，构建水利业务知识库，提升算法的知识化水平，是进一步推进数字孪生水利智能化的关键。要认真剖析水利行业数据与知识的特性，更加重视认知推理、图计算、类脑计算以及演化计算的算法；要加强知识图谱标准化测试工具的建设，构建基于数据和事件的推理框架，融入模型算法、历史场景模式匹配、专家经验等方法，最终形成完整的智能决策推理系统，以事件为驱动，以数据反馈形成决策闭环，为数字孪生提供高质量智能算法支撑。

“十四五”时期，必须持续推进“虚实映射、实时同步、共生演进、闭环优化”的数字孪生水利建设，以数字赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理，推动智慧水利向形态更高级、基础更牢固、保障更有利、功能更优化的阶段演进，支撑新时代水利高质量发展。

（作者为华北水利水电大学管理与经济学院副院长、大数据与智能服务中心主任）