国家水网工程智能化建设的思考

一、现状与不足

新中国成立以来，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，近年来，随着三峡、南水北调工程等大型水利水电工程的建设，我国水利工程规划、设计、施工、建设与运行管理水平逐步提高，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、现代化的建设与运行管理能力。特别是最近一段时期，随着工程数字化技术在现代水利工程的规划设计、施工和管理中的应用，数字化设计、智能化建造、智慧化管理成为水利工程建设和管理的发展趋势。

但从整体看，受技术和经济的制约，我国大部分水利基础设施的智能化水平较低，约50%的中小河流、73%的小型水库、23%的中型水库没有水文监测设施，大多数江河堤防、中型水库和几乎所有小型水库都没有安全监测设施。信息化共享能力和智慧调度调配与精准控制能力不足，重要江河湖库水利要素监测智能化水平低，卫星、雷达、视频、物联网等智能化监测措施欠缺，水旱灾害智能化预测预警功能单一，为科学决策提供可靠依据能力不足；网络覆盖面窄，水利基础设施全互联差距大，网络服务水平和信息共享程度不能满足要求；水利工程智能化管理水平不高，大数据、人工智能等新一代信息技术研究和应用不足；宏观智慧调度调配与精准控制能力有待提升，联合调度技术与新技术、新手段的融合程度低，防洪风险评估的实时高效支撑能力弱，防灾联合调度决策支持响应能力不能满足国家和人民对新形势下防灾工作需求，不能有效发挥水利工程防灾联合调度体系的潜力，无法充分发挥水利工程整体优势和规模效益，已建防灾调度系统和水资源调配系统的不足和问题凸显。水利工程与新型基础设施融合不足，数字化建设标准不一，智能化应用标准缺失，信息资源共享能力和智慧调度调配与精准控制能力不足，特别是起关键调控作用的水利工程智能化联合调度支撑薄弱，影响水利工程整体效益发挥。

二、建设思路

国家水网工程已经纳入“十四五”规划和2035年远景目标纲要，其中网络化、数字化、智能化被认为是国家水网的高质量发展的重要标志，主要建设思路是围绕国家水网的“纲、目、结”构建智慧化体系，通过提高水利工程的智能化标准，打造传统水利基础设施和新型基础设施相融合的智能水利工程。

▲基于BIM的工程监控会商系统

1.依托国家水网工程建设形成水利基础设施的智慧化体系

构建国家水网智慧化体系，核心是依托“新基建”和“智慧水利”，提高感知能力和调度与决策支持能力。具体思路是：面向国家水网工程中的江河湖库，以在线精准监测为基础，以网络协同共享为纽带，以数字孪生和智能分析为核心，以智慧调度和自动控制为目标，构建“一网、三中心、N结点”（1+3+N）的国家水网智慧化水利基础设施网络；形成数字孪生国家水网工程。这其中，“一网”是指联通国家、流域、区域水网，覆盖重大水利工程，集“工程物联、智能控制、智慧调度”融合的一张信息化监测与通信网络。“三中心”一是以国家水网联合调度中心为中枢，建设国家、流域、区域分级调度中心，形成指挥调度体系，国家水网联合调度中心面向防洪减灾、跨流域水资源调配、应急水量调度，集智慧调度与控制为一体，实现防洪减灾和水资源配置等多目标的联合智慧调度；二是依托水利大数据中心的核心算力，建设国家水网数据中心，在水利工程中分布式建设工程数据结点，为国家水网工程调度提供算据，国家水网数据中心肩负水利工程数据治理任务，汇聚气象、水情、雨情、墒情、工情、灾情、生态环境和经济社会等多元信息，构建数字江河湖库；三是以创新为引领，建设国家水网智能计算与技术支持中心，为国家水网工程提供算法，国家水网智能计算与技术支持中心承担智能计算分析、国家水网工程风险预警和智能化创新的功能，通过绘制“国家水网一张蓝图”，构建国家水网工程数字孪生，提高国家水网工程智能化技术标准，加快国家水网工程智能化技术和装备的自主创新，带动水利工程的智能化提升，从水网整体宏观、区域中观、工程微观，预测分析国家水网水资源及防洪安全情势，动态分析预警国家水网的各类风险，开展国家水网风险与安全评估。“N”结点是指通过推进水利工程与新型基础设施融合创新，将国家水网中既有和规划的大型水库枢纽、引调水工程、河道堤防、蓄滞洪区，按照工程全生命周期数字化、监测感知全面化、分析计算智能化、调度控制自动化、协同共享网络化的标准，建设成为智能水利工程，作为国家水网工程智能化控制结点。

2.建设智能水利工程

提高水利工程的建设标准是确保国家水网工程智能化建设规范有序、提升智能化服务效能的基础技术手段。水利工程智能化建设主要是提升水利工程全生命周期的多维监测、协同联网、预测预警、远程可控、人机可视、在线评估、安全可靠的管控能力，打造传统水利基础设施和新型基础设施相融合的智能水利工程，助力建立水利行业数字转型、水利工程智能升级、水利科技融合创新服务的智能化水利基础设施体系。按照数字设计、智能建造、智慧调度的理念，智能水利工程要建设基于BIM技术的水利工程全生命周期数字化模型，基于物联网和信息网的协同网络及在线监测体系，汇集水情、工情、灾情、生态环境和经济社会等全要素工程数据资源中心，工程全生命周期智能化管控平台和网络安全体系等，实现水利工程在线监测、智能分析、信息共享、业务协同和调度控制。

三、结语与展望

2021—2035年，几千座水库枢纽工程、数百个引调水工程、几万公里三级以上堤防将开展智能化建设和改造，涉及空天地、水面、水下一体的全要素水利工程立体监测感知技术、高精度在线流量监测、物联网堤防病险监测、基于在线监测的水利工程机电设备状态检修、无人智能装备、自主可靠的控制技术、智能应急处置技术等，将形成万亿级的水利智能化产业。因此必须发挥政府作用和市场机制，两手发力，分步实施，采用共建共享模式构建国家水网工程的数字孪生工程，引导水力发电、引调水等经营性工程由企业主导完成，推进水库枢纽、河道（堤防）、蓄滞洪区等公益性工程由政府主导完成。预计到2035年，国家水网将全面实现仿真智能化和调度控制自动化，纳入国家水网的水库枢纽、引调水工程、湖泊智能化率达到100%，一级、二级堤防智能化率达到100%，三级堤防和蓄滞洪区智能化率达到40%，基本具备多目标管控能力。到2050年，国家水网工程基于水情、工情、灾情、生态环境和经济社会的智能网络实现全覆盖，水利基础设施智能化率达到100%，国家水网的决策分析和调度控制智慧化率达到100%，水利工程建设与调度运行科技创新能力、智能建造和智慧调度达到国际领先水平。