數字經濟背景下的江蘇省數字孿生流域建設實踐

魯 揚,趙杏杏

(1.河海大學水文化研究所,江蘇 南京 210098; 2.南京中禹智慧水利研究院有限公司,江蘇 南京 210011)

隨著數字經濟的飛速發展,數字化轉型為高質量發展注入新動力?！吨泄仓醒腙P于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》提出:“發展數字經濟,推進數字產業化和產業數字化,推動數字經濟和實體經濟深度融合”,《“十四五”數字經濟發展規劃》提出:“充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢,促進數字技術與實體經濟深度融合,賦能傳統產業轉型升級,催生新產業新業態新模式,壯大經濟發展新引擎”,2022年《政府工作報告》指出要“促進數字經濟發展,建設數字信息基礎設施,完善數字經濟治理,培育數據要素市場,釋放數據要素潛力”。水利部將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展的六條實施路徑之一,并明確提出智慧水利是新階段水利高質量發展的顯著標志[1]。如何在數字經濟蓬勃發展背景下解決數字孿生水利建設所面臨的難題與挑戰,成為當前水利數字化、信息化、智能化建設工作的重點和難點。

數字經濟是以數據資源為核心要素,以現代通信網絡為主要載體,以信息通信融合應用、全要素數字化轉型為推動力[2],利用數字技術對數字化的知識、信息進行識別、選擇、存儲、使用,引導數據資源快速優化配置,實現實體增值和經濟高質量發展的經濟形態[3]。國內國外經濟的雙循環發展,數字的經濟的持續滲透,帶來了供應鏈物流服務[4]、智能制造[6]的增速發展。數字孿生作為新一代信息技術,是數字經濟的高階段形式[6],在助力數字經濟與實體經濟深度融合過程中扮演著重要角色,逐步成為數據經濟的基礎支撐[7],數字經濟背景下的“孿生海洋”信息模型的構建為我國海洋經濟數字化、信息化轉型發展提供了參考[8],數字經濟的網絡外部效應、交易成本節約效應以及包容性增長推進數字孿生長江建設,助推長江全流域高質量發展[10]。根據中華人民共和國水利部(以下簡稱水利部)推進的智慧水利建設部署,建設數字孿生流域已經成為當前智慧水利建設的核心任務與目標。數字孿生流域建設作為未來流域治理管理的新基建新范式[9],以流域為建設單元,以時空數據為底板,以江河水系為經絡走向,以水利工程為區間節點[10],以水利模型為核心,以水利知識為驅動,對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字化映射、智慧化模擬,實現與物理流域的同步仿真運行、虛實交互、迭代優化,支撐精準化決策,通過在虛擬世界中模擬和再現流域涉水對象的關聯關系,解析涉水對象時空動態演變規律,實現流域水模擬、水工程調度及其影響快速響應與精準分析,滿足流域管理“全視角、多維度、全過程”的綜合管理需求,為新階段水利高質量發展提供有力支撐[11]和強力驅動,推動水利高質量發展。目前,長江流域[12]、黃河流域[13]、珠江流域[14]、海河流域[10]等已建立相關數字孿生流域平臺,江蘇省正在加快推進數字孿生建設實踐步伐,建成數字孿生秦淮河[15]示范工程。當前數字孿生流域的研究多從技術研發與業務應用角度出發,尚沒有研究從數據經濟發展的角度,探討數字孿生流域建設促進水利數字化轉型及水利數據經濟化、資產化對數字孿生流域建設的影響?；诖?本研究提出了數字孿生水利建設數據要素化整體架構,從水利數據產業轉型升級角度出發,探索水利數字經濟發展新舉措,并從江蘇省數字孿生流域建設角度進行實踐論證。

1 數字孿生水利數據要素化整體架構

數字經濟時代,數據成為土地、資本、技術之外的又一重要生產要素[16]。水利數據建設部門分散、孤島現象嚴重、產權界定難、交織作用因素眾多、數據安全要求高,導致水利數據難獲取、難應用、難公開,影響水利數據的使用及數字孿生流域的建設。因此,水利數據產業轉型升級是關鍵。水利數據產業轉型升級,是解決現有水利數據在數據統一、易于獲取、便于使用等方面存在的問題的重要途徑,通過打造水利數據資產市場,促進水利數據在水利行業乃至涉水行業可靠、安全、有效的應用,最大化發揮水利數據的社會價值、經濟價值。轉型的關鍵在于確保水利數據的準確性、一致性、時效性、完整性,保證水利數據的統一規范管理、多維關聯組織、精準需求匹配、高效安全應用。為此,需要探索水利數據的資源化、資產化、資本化的新形態(圖1),加快釋放水利數據價值,催生水利數字經濟新產業、新業態和新模式。

1.1 數據資源化

數據資源化是以實現水利數據的跨系統、跨部門、跨層級、跨地區的匯聚、治理、組織與管控為目標,實現對高維水利數據的一體化組織,實現多維數據資源的精準匹配和靈活應用,為水利數據資產化提供技術支撐。水利數據包括基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據等多類、多源、異構、海量、動態、復雜的數據,通過構建空間特征、業務特征和關系特征一體化組織的水利數據模型(圖2),實現水利數據的“規范-匯集-治理存儲-挖掘-服務”,確保多源異構水利數據的準確性、一致性、時效性和完整性,形成統一、權威、實時的數據服務,實現水利數據跨層級、跨地域、跨業務的協同管理和服務,保障數據安全,為水利數據資產化服務、資本化交易提供多維度關聯的數據資源,是數字孿生流域建設的基礎。

圖2 數據一體化組織框架

1.2 數據資產化

數據資產化以數據資源化為基礎,對水利數據進行挖掘和價值提煉,使其具有經濟效益,并形成精準化與個性化的水利數據產品,是水利數據轉型的高級形態,是推進水利數據資本化的核心。針對水利數據量大、維多的特征,數據資產化以知識引擎為工具,對數據資源進一步分析、挖掘,獲取深層次的潛在數據關系,通過知識的表示、抽取、融合、推理等技術手段,挖掘流域水利對象和業務應用間相互關系,形成水利知識圖譜,通過對用戶和業務需求的精細化分析,從功能、關系、屬性3個維度打造多維度的數據標簽,精準匹配目標數據資源和對應的數據標簽集,形成多維度滿足水利業務場景中的強關聯數據需求。

1.3 數據資本化

數據資本化提供精準化、個性化水利數據資產,以實現水利數據在水利行業及涉水行業的資源共享,推進水利數據價值最大化為目標,探索水利數據產品的交易形態,實現水利數據由資產化向資本化的轉變。針對復雜、多變的水利行業需求,以“2+N”業務需求為導向,以涉水行業水利數據應用為驅動,推動水利數據標簽化配置,精準匹配多個數據服務能力,量身定制安全保障能力,實現數據“供需兩端”真正貫通,并建立資本化窗口,依托大數據分析、數據底板生成、二維底板映射和三維底板映射等能力,實現數據多維角度、高低層次、實時動態、虛實融合的分析與表達,進一步釋放水利數據資源的知識發現和輔助決策水平,實現水利數據的價值流轉與市場交易。

2 江蘇省數字孿生流域實踐路徑

以數字經濟為背景,圍繞“水利數據”這一關鍵生產要素,以水利數字化轉型全面驅動數字孿生流域建設的生產方式、生活方式和治理方式變革,借力“四個協同”打造數字經濟在水利行業新業態、新形勢、新優勢。為此,江蘇省進行了多角度探索,多領域實踐,多范圍應用。

2.1 數字基礎布局

萬物感知、萬物智聯的水利基礎設施是提升數字孿生流域建設“算力”的基礎,是實現數據資源化的關鍵。江蘇省按照“整合已建、統籌在建、規范新建”的原則統籌規劃,布設三級網絡節點促進數字孿生流域的互聯互通,提升對物理流域狀態監測能力和智能感知能力,加強存儲和計算資源的優化整合和集約化利用,優化云資源配置,為水利業務應用提供基礎支撐環境。

2.1.1信息網絡基礎設施

信息網絡基礎設施是數字孿生流域建設的“通道”,為各類感知信息提供可靠的傳輸途徑。信息網絡基礎設施主要包括水利物聯網、水利業務網、水利工控網和應急通訊。為保證全省數字孿生流域建設的運行,形成結構優化、靈活流轉、安全可靠的網絡體系,按照江蘇省數字資產共建共享共用的原則,在江蘇水利云已有資源的技術上,分級部署全省數字孿生流域運行網絡體系,以江蘇省水利廳(以下簡稱水利廳)為一級節點,作為江蘇省水利數據資產匯聚、分發和共享的中心;以江蘇省水利科學研究院、南京市水利科學研究院、各地市水利局(水務局)(目前在南通市部署)為二級節點,作為江蘇省水利數據資產對上與水利廳,對下與各水利工程、各區縣的數據流轉、上架的樞紐;以各水利工程、各區縣作為三級節點,作為數據上架、共享的終端。目前,江蘇省已在趙村水庫、武定門泵站、中報和、吳淞江、淀山湖圩區等地部署約10處三級節點。

2.1.2智能物聯設施

智能物聯設施網絡布局是數字孿生流域建設的“抓手”。江蘇省創新實現基礎常規站點監測、體檢掃描式面狀監測和重點業務核查式監測的融合模式,在“十四五”期間規劃新建、改建各類水文站點共1180處,配置28臺套水雨情測驗一體機、64套走航式ADCP、26艘遙控船、23套無人機測流系統、50套在線單兵巡測系統,完善以水源、輸水、取水、用水、節水等水資源開發利用為目的的監測網絡,加強水生態環境采集站網建設升級,對全省水土保持監測點進行優化調整,多手段全范圍加強數字孿生流域態勢感知能力。

2.1.3計算資源和存儲資源

水利云平臺是數字孿生流域的“算力”支撐,能夠整合水利行業內外部資源,為水利行業的數字化轉型升級提供支持和保障,推動水利行業向數字化管理模式轉型,提高水利行業的現代化水平。為保證全省數字孿生流域的計算運行,滿足水利數據資產存儲管理、分析挖掘、業務應用等環節的資源需求,實現數據資源、智能中樞和業務運行的高效協同,水利廳在一級節點部署算力及存儲服務器19臺,CPU資源668物理核,內存資源7168GB,存儲資源776TB,高性能存儲140TB;在二級節點部署算力及存儲服務器34臺,CPU資源964物理核,內存資源5120GB,存儲資源403TB,高性能存儲空間45TB(圖3)。

2.2 平臺能力支撐

江蘇省打造數字孿生水利智能中樞,作為實現數據、模型、知識等數據資產匯聚、治理、服務和管理的共建共享中心,在數字孿生流域中主導進出、控制捭闔、描繪時空。水利數據與中樞的交融,一方面,培育了水利數字資產“沃土”,實現涉水大數據、水模型、水知識的全面匯聚發酵,孕育水旱防御、水資源配置等各類業務應用系統,激發行業的數字化轉型;另一方面,打通了數字資產的產業鏈,實現了核心技術與產品在廣度和深度上的融會貫通,形成百花齊放的新業態。

2.2.1數據平臺

數據平臺是數字孿生流域的“基石”,為水利專業模型及水利知識提供數據服務,支撐上層智能應用。為打破水利數據利用率低、定價難、共享壁壘高、安全風險大等問題,江蘇省自主研發,匯聚江蘇省全流域水利基礎、監測、業務、地理空間及跨行業共享等多源多類型時空數據[17],根據標準統一的水利對象分類體系,點、線、面水利對象的空間、屬性、關系、時態等信息,構建水利數據資產“匯聚-治理-萃取-流轉-應用”的數據生態服務平臺,接入水文化遺產、遙測應用庫、地下水等在內的1582張表(表1),打造全新的水利數據要素化方式,為實現水利數據的資源化、資產化、資本化的“蝶變過程”提供有效路徑,為全省數字孿生流域的建設提供有效支撐。

2.2.2模型平臺

模型平臺是數字孿生流域的“算法”核心,向下調用數據底板價值數據,實現數字孿生流域的精準映射和虛實互動。江蘇省基于“模型構建靈活化、模型業務應用標準化、平臺服務個性化”原則打造數字孿生流域模型平臺(圖4),匯聚新安江模型、一維水動力模型、二維水動力模型、一二維水動力耦合模型、水工調度模型等35個集總式預報模型和分布式模型,漂浮物識別、水尺識別、積水識別、遙感影像判別等10個AI模型。為提高模型的重用率及靈活性,根據水文模型的組件化思想和領域驅動設計思想,對模型進行特征化提取,根據流域特征要素、氣候條件等對模型進行標簽化分類,從空間尺度實現模型多維度嵌套,并結合水災害防御、水生態環境保護等業務場景的氣候和下墊面特性,自動匹配可適用模型,實現模型服務的自主推薦、自有適配和靈活組合,并提供模型組件的開發、調用和共享標準,服務于全省各級水利業務應用的模型組件調用和模型搭建,實現跨區域、跨單位、跨級別的共享,提高數字孿生流域的建設效率,保證功能的正確有效快速實現,支撐業務場景的“四預”應用。

圖4 模型平臺架構

2.2.3知識平臺

知識平臺是數字孿生流域的“智慧”。知識平臺的構建聚焦流域精細管理和精準調度的需求,通過深度學習和知識圖譜等技術,耦合水利對象關聯關系、調度方案、業務規則和專家經驗等知識,挖掘水利業務關鍵影響要素,結合物理過程構建單主題知識圖譜以及多主題耦合知識圖譜,針對不同水、雨、工、險情特征,驅動風險預警、調度方案的智能生成與自適應優化,形成對水利知識的統一管理,并建立自學習進化機制,實現決策的精準響應與快速迭代,為數據和模型調用提供智能內核(圖5)。江蘇省以水利部開展的全國數字孿生流域先行先試工作為契機,分流域分區域逐步構建知識圖譜,目前,已面向水利“四預”業務應用提供預報方案、預警規則、相似場景推演、處置預案等場景,在秦淮河流域、南通城區、太湖流域、沂沭泗流域形成41個知識圖譜,圖譜平均日訪問量可達300余次。

圖5 知識平臺框架

2.2.4安全能力

安全能力是數字孿生流域建設的“屏障”,重點在于以數字資產的全過程可信服務為目標,以安全伴生為理念,形成數據安全“識別、防護、檢測和響應”為一體的智能化、主動化、持續化的數據安全防護體系。為保障數字孿生流域系統安全、網絡安全及水利數據資產安全,全省結合當前網絡安全建設現狀,對全省網絡安全防護體系升級增強,從物理和環境安全、網絡和通信安全、設備和計算安全、應用和數據安全四個層面進行技術保障體系建設。構建網絡安全態勢感知平臺、應急處置平臺及安全伴生系統,通過全過程感知、全流程處置、全周期監管,實現水利數據資產的全盤可控,提升水利數據從采集、存儲、處理、交換的安全能力,保障防汛、水資源配置、水利工程管理等水利業務開展全過程的智能防護保障。

2.3 數據場景應用

數據供給和業務應用需求的均衡協同,是水利數據資本化的關鍵。一方面,需要充分利用現有水利數據基礎,面向水利業務應用的需求,提供更為豐富的數字化新產品與服務陽臺,滿足數字化發展中業務需求的結構性升級需要;另一方面,需要把握數字技術的強大賦能力量,加快水利行業數字技術與業務應用的深度融合,豐富水利產業數字化的智能場景應用。

2.3.1水利數據應用基礎

水利數據涉及基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據等多源異構數據,具有數據質量參差不齊、高維數據挖掘與應用不足、數據資源發現能力欠缺、數據要素缺少合適流通形態等問題,實現數字經濟與水利產業的融合,實現全省水利數據的匯聚整合是基礎。為此,江蘇省打造數據一體化平臺,匯聚各區域各流域3093個水文監測站點,產生水情監測數據622519902條,雨情監測數據697123960條,預報降雨數據519453條,工情數據8368713條,為水利數據資產化、資本化提供良好的基礎支撐。

2.3.2數字孿生底板

數字孿生底板是智慧水利的“算據”,是水利數據產業化的直觀可視化表達。江蘇省數字孿生流域底板的構建,以全國水利一張圖為基礎,以江蘇省水利一張圖為底圖(圖6),以統一、權威、實時的數據資產化服務為基礎,完善數據類型、數據范圍、數據質量,優化數據融合、分析計算,以分區、分級、分時建設為原則,以建成含水利部共享的DOM、江蘇省水利0.3m衛星影像圖、30mDEM、全省建筑白模數據的L1級數據底板,匯聚水情、雨情、視頻、網格化氣象降雨數據、部分區域的防汛物資、倉庫、河長、斷面、防洪工程基礎信息數據的L2級數據底板,形成約3萬km2的江蘇省水利三維底板,共匯聚27類10TB余涉水基礎數據,160GB余活態數據,內置共計約100億條數據,日平均增長約30萬條,數據集成及治理作業運行共計約59.7萬次。

圖6 江蘇省數字底版框架

2.3.3智能場景應用

以加快推動數字經濟與水利行業融合發展為目標,以水利需求為導向,緊密圍繞江蘇省數字孿生流域建設“2+8”業務應用需求,升級水旱災害防御系統,實現預報調度一體化、調度決策智能化、調度過程可視化;完善水資源調度系統,構建水資源調度模型,實現江蘇南水北調、江水北調、引江濟太工程全流程智能化、精細化調配與管理;同時推進河湖管理、農村水利、水利工程建設、水利工程運行、水政執法、水資源管理、水文系統管理、政府管理與服務等八大應用,實現水利多場景的數據融合與應用,提升水利全業務領域智能決策輔助能力,實現各種資源、能力與服務的標準化和產品化,能夠實現復雜水利業務應用的敏捷搭建、快速發布和全面推廣,為數字孿生流域的全面建設提供產品化服務。

2.4 數字孿生流域建設

數字孿生流域通過數據平臺、模型平臺、知識平臺的打造,實現了物理流域和數字虛擬流域之間的數字映射,兩者相互融合、相互交互、相互增強。數字孿生流域的建設任重道遠,需要強化自主可控核心技術的創新與改革,提高基于大數據和人工智能的數據分析及智能決策能力,加強頂層設計與試點先行,逐步推進數字孿生流域工作的建設和推廣。

2.4.1國產化應用

深度踐行安全自主可控,依據《信創工程實施方案》,打造軟件自主研發新環境,打通數據資源和公共服務資源鏈路,建設江蘇水利數據治理管理平臺。同步在線安全伴生系統,實現數據資產分類分級保護、數據流轉監測與安全事件快速溯源等能力。比如:創建工控管理提升新計劃,實現關鍵水利工控核心設備和軟件的國產化替代;引進視頻集成融合新技術,建設符合《公共安全視頻監控聯網信息安全技術要求GB 35114—2017》等相關規范要求的信創視頻監控平臺等。

2.4.2水利智能中樞建設

水利部黨組先后召開系列會議,印發《大力推進智慧水利建設的指導意見》、智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》《數字孿生流域共建共享管理辦法(試行)的通知》《水利業務“四預”基本技術要求(試行)>的通知》《數字孿生流域建設技術大綱(試行)>的通知》《數字孿生水利工程建設技術導則(試行)>的通知》等系列文件,江蘇省深度響應部委要求,加快數字孿生流域建設共建共享步伐,打造“水利智能中樞”,托舉省、市、縣各類工程建設,建設具有自主產權的普適性水利數據治理管理、服務數字孿生建設的操作系統,高效融通數據資源,實現模型與知識體系相輔相成,為數字孿生流域提供基礎算據、算法和知識等能力支持。同時,推進全省水利數字資產跨部門、跨層級、跨地區的整合共享,安全防護、優化配置和賦能服務,提升水利精細化管理和精準化決策水平。

2.4.3數字孿生技術試點

重點加強新一代信息技術與水利業務深度融合。依托“AI+”技術打造數字底板,構建細節豐富、高度還原的大范圍三維數字孿生場景,滿足數字孿生流域對高質量三維地理鏡像空間的需求,同時具有效率高、成本低等優點。實現各類監測數據和業務數據的立體感知和全面互聯體系建設;強化規劃設計、建設過程、運行工況等全生命周期智能化管理體系建設;基于區塊鏈技術去中心化、不可篡改、可追溯的特性,在智能中樞實現高效率、無中心化代理、大規模、高度安全的水信息資產交互方式。

2.4.4數字孿生流域試點

根據《江蘇智慧水利指導意見》《加強水利工程建設數字化工作意見》,圍繞習近平總書記提出的“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時代水利工作思路,按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求,以“數字化場景、智慧化模擬、精準化決策”為目標,綜合考慮示范引領、地理區域、基礎條件、水管理水平等因素,依托江蘇省水利智能中樞算據、算法和工具引擎的能力支撐,開展部、省級數字孿生試點建設,賦能水災害防御、水生態環境保護工作等智能應用,構建形成“及時準確預報、全面精準預警、同步仿真預演、精細數字預案”的“四預”能力貫穿于流域管理的業務應用體系,試點建設方案需特色鮮明,具有丘陵山區流域和平原河網區等不同地形的數字孿生建設的典型性和代表性。以數字太湖湖體聯動建設“引江濟太”骨干河網、湖庫、城市包圍、重點樞紐工程等組成的水網“綱、目、結”數字孿生工程集群;推進建設長江江蘇段“一線多點”的孿生集合場景,以秦淮河流域為示范,研制全省統一的數字孿生智能中樞,對全流域進行全要素數字映射,動態交互預演洪水淹沒、水質演變、水利工程調度、應急搶險等場景,滿足多目標調度決策需求;建設駱馬湖、新沂河、?？陂l一線的數字孿生體,實現物理與數字流域之間動態實時信息交互融合。建立駱馬湖、沂河和中運河水動力模型,形成預報、預警、預演、預案“四預”功能的預報調度決策系統;打造南通主城區100平方千米的數字孿生水網,構建南通水利智能中樞服務,建設城區水災害防御四預決策應用系統,提供城區活水調度決策數據支撐,建設水利工程精細化管理助手。

3 結 論

水利是九大基礎設施建設之首[18],在數字經濟時代,發展水利數字經濟,推動水利業務數字產業化和產業數字化,促進數字技術與水利業務的深度融合,能有效促進水利產業轉型升級,帶動水利行業乃至涉水行業高質量發展。數字孿生技術成為數字經濟的基礎支撐,助力了數字經濟與水利業務的深入融合。本研究研究了多源異構海量分散水利數據的要素化轉型,從水利數據資源化、資產化、資本化角度構建了規范、統一、精準、完整、安全的水利數據要素化體系,加快釋放了水利數據的價值,有效推動了我國數字經濟在行業中的應用升級,充分釋放了數字經濟的外溢效應和倍增效應;并從萬物互聯與萬物智聯、數據與中樞、供給側與需求側、物理世界與虛擬世界“四個協同”維度,探討了水利數據要素化體系在江蘇省數字孿生流域建設中的實施路徑,借助數字經濟的發展,加速江蘇省數字孿生流域建設步伐,助力數字經濟與實體經濟的深度融合。