國家水網工程智能化建設的思考

一、現狀與不足

新中國成立以來，我國已建成世界上規模最大、范圍最廣、受益人口最多的水利基礎設施體系，近年來，隨著三峽、南水北調工程等大型水利水電工程的建設，我國水利工程規劃、設計、施工、建設與運行管理水平逐步提高，我國擁有了世界領先的工程規劃設計技術、機械化施工手段、現代化的建設與運行管理能力。特別是最近一段時期，隨著工程數字化技術在現代水利工程的規劃設計、施工和管理中的應用，數字化設計、智能化建造、智慧化管理成為水利工程建設和管理的發展趨勢。

但從整體看，受技術和經濟的制約，我國大部分水利基礎設施的智能化水平較低，約50%的中小河流、73%的小型水庫、23%的中型水庫沒有水文監測設施，大多數江河堤防、中型水庫和幾乎所有小型水庫都沒有安全監測設施。信息化共享能力和智慧調度調配與精準控制能力不足，重要江河湖庫水利要素監測智能化水平低，衛星、雷達、視頻、物聯網等智能化監測措施欠缺，水旱災害智能化預測預警功能單一，為科學決策提供可靠依據能力不足；網絡覆蓋面窄，水利基礎設施全互聯差距大，網絡服務水平和信息共享程度不能滿足要求；水利工程智能化管理水平不高，大數據、人工智能等新一代信息技術研究和應用不足；宏觀智慧調度調配與精準控制能力有待提升，聯合調度技術與新技術、新手段的融合程度低，防洪風險評估的實時高效支撐能力弱，防災聯合調度決策支持響應能力不能滿足國家和人民對新形勢下防災工作需求，不能有效發揮水利工程防災聯合調度體系的潛力，無法充分發揮水利工程整體優勢和規模效益，已建防災調度系統和水資源調配系統的不足和問題凸顯。水利工程與新型基礎設施融合不足，數字化建設標準不一，智能化應用標準缺失，信息資源共享能力和智慧調度調配與精準控制能力不足，特別是起關鍵調控作用的水利工程智能化聯合調度支撐薄弱，影響水利工程整體效益發揮。

二、建設思路

國家水網工程已經納入“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，其中網絡化、數字化、智能化被認為是國家水網的高質量發展的重要標志，主要建設思路是圍繞國家水網的“綱、目、結”構建智慧化體系，通過提高水利工程的智能化標準，打造傳統水利基礎設施和新型基礎設施相融合的智能水利工程。

▲基于BIM的工程監控會商系統

1.依托國家水網工程建設形成水利基礎設施的智慧化體系

構建國家水網智慧化體系，核心是依托“新基建”和“智慧水利”，提高感知能力和調度與決策支持能力。具體思路是：面向國家水網工程中的江河湖庫，以在線精準監測為基礎，以網絡協同共享為紐帶，以數字孿生和智能分析為核心，以智慧調度和自動控制為目標，構建“一網、三中心、N結點”（1+3+N）的國家水網智慧化水利基礎設施網絡；形成數字孿生國家水網工程。這其中，“一網”是指聯通國家、流域、區域水網，覆蓋重大水利工程，集“工程物聯、智能控制、智慧調度”融合的一張信息化監測與通信網絡。“三中心”一是以國家水網聯合調度中心為中樞，建設國家、流域、區域分級調度中心，形成指揮調度體系，國家水網聯合調度中心面向防洪減災、跨流域水資源調配、應急水量調度，集智慧調度與控制為一體，實現防洪減災和水資源配置等多目標的聯合智慧調度；二是依托水利大數據中心的核心算力，建設國家水網數據中心，在水利工程中分布式建設工程數據結點，為國家水網工程調度提供算據，國家水網數據中心肩負水利工程數據治理任務，匯聚氣象、水情、雨情、墑情、工情、災情、生態環境和經濟社會等多元信息，構建數字江河湖庫；三是以創新為引領，建設國家水網智能計算與技術支持中心，為國家水網工程提供算法，國家水網智能計算與技術支持中心承擔智能計算分析、國家水網工程風險預警和智能化創新的功能，通過繪制“國家水網一張藍圖”，構建國家水網工程數字孿生，提高國家水網工程智能化技術標準，加快國家水網工程智能化技術和裝備的自主創新，帶動水利工程的智能化提升，從水網整體宏觀、區域中觀、工程微觀，預測分析國家水網水資源及防洪安全情勢，動態分析預警國家水網的各類風險，開展國家水網風險與安全評估。“N”結點是指通過推進水利工程與新型基礎設施融合創新，將國家水網中既有和規劃的大型水庫樞紐、引調水工程、河道堤防、蓄滯洪區，按照工程全生命周期數字化、監測感知全面化、分析計算智能化、調度控制自動化、協同共享網絡化的標準，建設成為智能水利工程，作為國家水網工程智能化控制結點。

2.建設智能水利工程

提高水利工程的建設標準是確保國家水網工程智能化建設規范有序、提升智能化服務效能的基礎技術手段。水利工程智能化建設主要是提升水利工程全生命周期的多維監測、協同聯網、預測預警、遠程可控、人機可視、在線評估、安全可靠的管控能力，打造傳統水利基礎設施和新型基礎設施相融合的智能水利工程，助力建立水利行業數字轉型、水利工程智能升級、水利科技融合創新服務的智能化水利基礎設施體系。按照數字設計、智能建造、智慧調度的理念，智能水利工程要建設基于BIM技術的水利工程全生命周期數字化模型，基于物聯網和信息網的協同網絡及在線監測體系，匯集水情、工情、災情、生態環境和經濟社會等全要素工程數據資源中心，工程全生命周期智能化管控平臺和網絡安全體系等，實現水利工程在線監測、智能分析、信息共享、業務協同和調度控制。

三、結語與展望

2021—2035年，幾千座水庫樞紐工程、數百個引調水工程、幾萬公里三級以上堤防將開展智能化建設和改造，涉及空天地、水面、水下一體的全要素水利工程立體監測感知技術、高精度在線流量監測、物聯網堤防病險監測、基于在線監測的水利工程機電設備狀態檢修、無人智能裝備、自主可靠的控制技術、智能應急處置技術等，將形成萬億級的水利智能化產業。因此必須發揮政府作用和市場機制，兩手發力，分步實施，采用共建共享模式構建國家水網工程的數字孿生工程，引導水力發電、引調水等經營性工程由企業主導完成，推進水庫樞紐、河道（堤防）、蓄滯洪區等公益性工程由政府主導完成。預計到2035年，國家水網將全面實現仿真智能化和調度控制自動化，納入國家水網的水庫樞紐、引調水工程、湖泊智能化率達到100%，一級、二級堤防智能化率達到100%，三級堤防和蓄滯洪區智能化率達到40%，基本具備多目標管控能力。到2050年，國家水網工程基于水情、工情、災情、生態環境和經濟社會的智能網絡實現全覆蓋，水利基礎設施智能化率達到100%，國家水網的決策分析和調度控制智慧化率達到100%，水利工程建設與調度運行科技創新能力、智能建造和智慧調度達到國際領先水平。