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加快建设数字孪生灌区——访中国水利水电科学研究院水利研究所所长李益农
来源:中国水利报社网站
  刘帅冶 陈思杰  
    编辑:管理员 归档时间:2023/1/13    

问:数字孪生灌区建设有何重要意义?

李益农:水利对于我国农业生产举足轻重。在全国农业用水总量零增长约束下,提升灌区现代管理能力、实现灌区高效用水,对保障国家粮食、用水安全和生态安全具有重大战略意义。

近年来,国家持续推进大中型灌区续建配套与节水改造,灌区严重病险、“卡脖子”工程基本得到有效解决,骨干工程配套率和设施完好率明显提高,灌区灌排基础设施薄弱、灌溉效益衰减的状况得到有效改善。然而,随着社会主义现代化国家建设的全面推进,新的社会经济形势下灌区服务功能不断拓展,在水资源紧缺、极端降雨与干旱频繁出现的大背景下,粮食稳产高产、城乡供水、生态安全等用水需求日益迫切,仅对灌区灌排工程等老基建进行升级改造已难以满足各行业对灌区高质量服务的需求。

因此,灌区的管理思路亟待转变,未来需采用现代技术和手段提升管理水平。数字孪生灌区建设作为新阶段水利高质量发展的重要内容,是深化智慧水利建设的重要一环,将通过数字化场景、智慧化模拟、精准化决策,实现灌区“供水可靠、调度灵活、用水精准、防灾有力、管理智能”,对我国农业现代化、农业强国建设具有重要战略意义。

问:推动数字孪生灌区先行先试,应在哪些方面着重发力?

李益农:从发展阶段来看,灌区信息化方面的建设大体分为3个阶段:一是信息化阶段,通过数据入库上图,重点实现查询、浏览和监视等功能;二是数字孪生阶段,通过数字赋能,实现灌区水资源优化配置、需水实时感知、供水精准调度和应急处置等功能,强化“四预”(预报、预警、预演、预案)能力;三是智能智慧化阶段,实现自我判断、自我决策和自我执行,实现无人值班、少人值守。

数字孪生灌区是以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动,对物理灌区全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演,与物理灌区同步仿真运行、虚实交互、迭代优化,实现对物理灌区的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等方面。从数字孪生灌区的定位看,重点是提升灌区用水管理的精准决策能力,建设重点是算据、算法和算力方面的协同提升。

在算据方面,灌区应基于地形条件和管理需求,利用3S、物联网、人工智能、5G等现代信息技术,汇集多种类型的传感终端,构建灌区涉水信息的透彻感知体系。同时,灌区应按照基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据的分类方式,依据统一数据标准对多源异构数据进行调整,全面建设灌区数据底板。在算法方面,灌区用水的供、输、配、灌、耗、排全过程是一个整体联动的水循环过程,涉及来水预报、需水预测、水资源配置、输配水调度、田间灌排及水旱灾害防御等众多专题模型。从以往灌区信息化建设情况看,专题模型开发是明显短板。然而,专题模型建设是数字孪生灌区的核心,是支撑灌区“四预”功能的关键。在算力方面,计算、通信、会商等资源是数字孪生灌区高效稳定运行的重要支撑。根据数据处理、模型计算的需要,充分考虑自建云、共享行业云和政务云等方式,建设高效快速、安全可靠的算力支撑。

问:数字孪生灌区建设同高标准农田建设之间是否有联系,具体体现在哪些方面?

李益农:灌区建设和高标准农田建设都是巩固提高我国粮食生产能力和保障国家粮食安全的关键举措。灌区建设侧重骨干灌排工程体系,高标准农田建设侧重田间工程体系,二者是有效衔接的有机整体。目前,水利部、农业农村部正在指导各地统筹大中型灌区和高标准农田建设,推动优先将大中型灌区建成高标准农田,形成从水源到田间的灌排工程体系。此外,在数字孪生灌区建设过程中,水利部门会与农业农村部门形成合力,加强骨干工程与田间工程的衔接,从立体感知、自动控制、支撑保障、数字孪生、业务应用、网络安全、运行维护等方面同步推进,相互促进和有效共享,共同巩固和保障我国粮食生产能力。

问:数字孪生灌区建设目前面临哪些困难?如何有效应对?

李益农:近年来,随着大型灌区续建配套与现代化改造项目、灌区信息化建设试点及农业水价综合改革项目实施推进,大多数灌区在量测水设施配备、闸门或泵站控制系统提升改造、业务应用平台开发等方面有了一定基础,但与数字孪生灌区的建设要求相比还有很大差距。同时,数字孪生灌区建设是一个新鲜事物,还没有成功模式可以进行复制。因此,数字孪生灌区建设过程中面临不少困难:

一是灌区管理涉及多部门数据共享、多层级管理机构协同,灌区的数字孪生是一个连续和不断更新迭代的过程,不可能一次完成,为避免数据孤岛、工程碎片化,从国家到地方管理部门都面临顶层设计的困难。国家层面需要对灌区数字孪生的目标、内涵、建设架构、评估体系、关键工程建设模式和标准规范等进行顶层设计,以更好地指导工作的开展。地方灌区管理部门需要对灌区的数字化发展做好规划布局,对于感知体系和控制体系等硬件设施,要整体布局;对于孪生平台等软件系统,要设计好整体框架,重点考虑后续功能扩充、存储与算力提升、接口统一等可持续更新需要,按照轻重缓急的思路分步推进实施。

二是数字孪生灌区建设是涉及水利专业、信息专业的交叉工程,既要有水利专业人员开发专题模型,满足灌区管理业务要求,又要有信息专业人员,满足系统有效集成运行要求,这两方面的专业人员如何通力协作和优势互补,是面临的又一困难。如,以往灌区量测水设施安装单纯由设备公司来承接,其优势是硬件安装能力,但常常因为水利专业知识不足,在设施安装规范性方面存在较多问题,导致感知设备的观测数据存在较大误差。以往灌区信息化平台主要由信息化公司独立承接,其优势是系统集成,但常常因为对灌区业务逻辑理解不到位,表单设计不合理,导致开发的信息化平台利用率很低,不能满足灌区业务所需。因此,数字孪生灌区建设过程中,应要求灌区管理人员、水利专业人员、信息化公司人员之间的深度融合和协作模式。

三是与传统基建工程相比,数字孪生工程运维的专业性强,技术更新快,如何探索建立新的运维模式,成为又一个困难。数字孪生工程系统中的一个节点出现故障,可能影响整个系统工程的运行。要确保数字孪生工程可持续良性运转,应创新现有工程的运维管理方式,探索第三方物业化托管或专业模型长期迭代更新服务等运维模式。

来源:中国水利报 2023年1月12日

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