以產學研深度融合推動水利智慧化升級

◎ 中國工程院院士 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室主任 王 浩

水是生命之源、生產之要、生態之基。我國是一個治水大國，一部中華民族史在某種意義上也是一部治水史。黨中央歷來高度重視興水利除水害，特別是黨的十八大以來，習近平總書記深刻洞察我國國情水情，從實現中華民族永續發展的戰略高度，提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，為新時代治水興水提供了強大思想武裝和科學行動指南。

科技是第一生產力，創新是發展的第一動力，貫徹黨中央決策部署落實習近平總書記重要講話指示批示精神，推動新階段水利高質量發展，比以往任何時候都更加需要水利科技創新。以產學研的深度融合推動水利智慧化升級，是新時期國家水安全保障的重要任務，也是水利高質量發展實施路徑的重要保障。

一、智慧化是新時期水利高質量發展的重要標志

當前，我國已進入全面建設社會主義現代化國家的新階段，經濟社會發展發生深刻變化，新發展格局正在加快構建，高質量發展是“十四五”乃至更長時期我國經濟社會發展的主題，關系我國社會主義現代化建設全局。為推動新階段水利高質量發展，水利部通過開展“三對標、一規劃”專項行動，確定了六條具體實施路徑，即完善流域防洪工程體系、實施國家水網重大工程、復蘇河湖生態環境、推進智慧水利建設、建立健全節水制度政策和強化水利體制機制法治管理。事實上，智慧水利建設不僅是水利高質量發展的題中之意，還能為其他五條實施路徑賦予新動能。

信息化對經濟社會發展的驅動引領作用已是全社會共識，以信息化驅動現代化已成為各行業的必經之路。水利是經濟社會發展的基礎性行業，也是國民經濟傳統產業，必須借助信息化手段，實現水利這一傳統產業的升級。因此要深刻認識智慧水利是新階段水利高質量發展的顯著性標志，將智慧水利作為水利高質量發展的重要實施路徑大力推進，通過建設數字孿生流域，構建數字化場景、開展智慧化模擬、支撐精準化決策，可提升水旱災害防御、水資源集約節約安全利用、水資源優化配置、大江大河大湖生態保護治理能力，從而推動水利向形態更高級、基礎更牢固、保障更有利、功能更優化的階段演進。

二、智慧水利建設主要任務是要升級“眼、腦、手、脈”

智慧水利建設主要任務是要升級“眼、腦、手、脈”，智慧社會有六大基本特征，即透徹感知、全面互聯、廣泛共享、深度整合、智慧應用、泛在服務。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”的要求。因此，智慧水利建設至少包含四方面主要目標任務：一是實現透徹感知，基于空天地一體化監測體系，實現流域全要素狀態的數據采集；二是實現智慧決策，以水利模型為基礎，對數據進行智能分析決策；三是實現自動控制，智慧決策確定的指令通過自動控制設備和算法的支撐，實現工程的遠程自動控制；四是實現智能融合，數據采集、分析、決策、控制的全鏈條，需要以物聯網為載體，將監測體系、智慧決策模型和自動控制體系有機融合。

如果將水利類比為一個有機體，智慧水利四方面建設任務可比喻為有機體的“眼”“腦”“手”“脈”。其中“眼”通過智能傳感器實現透徹感知，將狀態信息傳遞給“腦”；“腦”通過對過去的感知和對未來的預測，給出當前的精準決策方案，并將決策指令下達給“手”；“手”則實現指令的自動執行。在指令執行過程中，“眼”同時也實時感知指令的執行情況，反饋給“腦”，“腦”再進行評估與反饋，如未達到預期效果則繼續進行智能分析決策，指揮“手”進行動作。如此，“眼、腦、手”聯動，實現精準調控。而其高效聯動離不開“脈”——一套高效的互聯網互通的數據傳輸與融合網絡，相當于肌體的神經系統。綜上，智慧水利建設任務就是要升級“眼、腦、手、脈”。

“眼、腦、手、脈”的核心關鍵在于“腦”，其職責是提供調度的智慧決策。智慧水利大腦主要是依托水利模型，通過模型對流域過去狀態的模擬、分析、評價，對未來情勢的預測、分析、研判，進而對當下不同決策方案進行推理和演算，最終形成最優的決策指令。水利模型根據其驅動方式不同，又細分為機理驅動模型、數據驅動模型和雙驅動模型。機理驅動模型基于人對流域水循環及其伴生過程的機理認識，人對自然規律認識越深刻模型的效果越好；數據驅動模型基于對樣本數據中隱含的內在規律的挖掘，樣本數據對總體的估計程度越高模型的效果越好。機理驅動模型體現的是人認識自然的智慧，模型的結論易于理解和接受，但外部擾動多、機理認識不深刻時，效果不理想。數據驅動模型則是挖掘觀測數據反映的客觀事實，但結論的解釋性較弱，且面對極端情況時，會出現給出奇異結論的情況。如何將二者融合，基于人認識自然規律的范式去從數據樣本中挖掘規律，是未來水利模研究的發展趨勢，也是實現智慧化的關鍵。

三、產學研深度融合是推動水利智慧化升級的內在動能

2021年水利部出臺了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，提出智慧水利建設要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構建數字孿生流域為核心，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系。可以看出，智慧水利既需要科學知識創新作為基礎，更需要治水實踐應用為牽引，也離不開信息產業技術裝備發展的支撐，是產學研深度融合典型場景。

近年來在“協同創新”的理論引導下，我國產學研融合創新實踐逐步深入，形成了技術創新上、中、下游的對接與耦合。但在產學研的耦合高度和上中下游之間的良性互動方面還有欠缺。協同創新的實現還大多是從上游到下游的“順向”，或者是下游向上游的“倒逼”，沒有形成生動、有生命力的互饋與流動。面向新時代水利智慧化升級的更高級需求，產學研之間的協同需要繼續向深水區邁進，形成深度的真正意義上的融合。

例如“眼”的升級，如何使“眼”更明？智慧水利要實現透徹感知的終極目標就是實現給每一滴水、每一度電都裝上傳感器，億級連接，百萬級并發。除了在產業方面加大信息化投資、加密監測站點之外，還需要科研機構研發低成本、低功耗的傳感器，并且在獲取到海量數據以后，需要生產單位與科研機構形成合力，針對同一數據有多重數據來源的特性，采用多源數據融合技術，綜合考慮不同觀測源的誤差特性及優勢，對數據進行清洗、融合、同化。

對于最關鍵的“腦”的問題，智慧水利核心是數字化、是模型的實時應用，需要生產單位與科研機構的通力合作。一方面生產單位要能夠且主觀上樂于提供高質量、海量的基礎數據、實時數據等算據；另一方面科研機構要圍繞算法，研究深度挖掘、機器學習、知識圖譜等技術，構建水利模型和算法共享平臺，提升智慧化管理預測預報、工程調度和輔助決策等“智能處理”的算法能力。再者，生產單位要與科研機構協調好模型計算能力的匹配，通過運用云端按需擴展的大規模聯機計算能力，提供云服務，提高水利大數據實時處理分析能力。

四、以“四預”能力建設引領智慧水利產學研的有機融合

國家“十四五”新型基礎設施建設規劃明確提出，要推動大江大河大湖數字孿生、智慧化模擬和智能業務應用建設。水利部黨組高度重視智慧水利建設，提出智慧水利是新階段水利高質量發展的最顯著標志和六條實施路徑之一，要加快構建具有“四預”（預警、預報、預演、預案）功能的智慧水利體系。其中，“預警”需根據當前水情和預報來水，及時啟動應急響應，確保應急響應機制各方面有機有效聯動；“預報”要立足現狀條件，在精準、超前上下功夫，及時有效對未來水情進行預報；“預演”要加強歷史雨水情信息的分析研判，在數字流場中進行預演不同調度方案和措施；“預案”立足極端強降雨、超大干旱、突發水污染等最不利情況，逼近實戰，提出完備的應對措施。

智慧水利“眼、腦、手、脈”全面支撐“四預”功能。首先，“眼”通過對歷史和現狀的全方位立體感知，可為“預警”和“預報”功能提供精準且及時的數據支撐；“腦”中集成的預報、調度模型直接服務于“預報”業務，并為“預演”“預案”中的調度方案選擇提供支撐；“手”是對調度工程的遠程控制，保障調度方案的執行，“手”的執行是否達到預期效果，是否還需要調整均可記錄在“預案”庫中，為將來遇到同類事件提供參照；最后，“脈”貫穿于“四預”功能之中，作為監測數據、預報預警結果、調度指令和調度執行的傳遞鏈路，保障“四預”功能全流程的順利實施。綜上，“四預”能力建設對科技創新提出了很多新的需求，包括監測控制設備的研制、預報調度等水利模型的研發，以及不斷積累的面向各類事件的決策實踐，可以全面引領智慧水利產學研深度融合。

智慧水利建設是一項系統工程，要按照問題導向、需求牽引、適度前瞻的思路，堅持統籌謀劃、整合共享、協同推進、融合創新，既要急用先行，也要久久為功，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。