以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究.pdf
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1、第 44 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition)Vol.44 No.4Jul.2023收稿日期:2022-12-23基金项目:国家自然科学基金项目(52279031);中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项(WR110145B0022021)。第一作者:冶运涛(1982),男,正高级工程师,硕导,博士,从事数字孪生流域、水文水资源模型方面的研究。E-
2、mail:。引用:冶运涛,蒋云钟,曹引,等.以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2023,44(4):1-16.YE Yuntao,JIANG Yunzhong,CAO Yin,et al.Research on standard system of smart water conservancy with digital twin water conservancy as the coreJ.Journal of North China university of water resources and electric power(natura
3、l science edition),2023,44(4):1-16.DOI:10.19760/j.ncwu.zk.2023040以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究冶运涛1,2,蒋云钟1,2,曹引1,2,黄建雄1,2,关昊哲1,2,顾晶晶1,2,董甲平1,2(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.水利部数字孪生流域重点实验室,北京 100038)摘要:标准是引领和支撑智慧水利规划设计、建设运行、迭代升级的重要抓手。在分析智慧水利概念达成共识、数字孪生水利研究与实施、智慧水利业务应用保障等智慧水利标准需求的基础上,设计了智慧水利标准体系形成的基本原则,分析了水利部提出智慧水
4、利框架的演变过程,提出了一套由基础共性标准、信息化基础设施标准、数字孪生平台标准、业务应用标准、网络安全标准、建设与运行标准等构成的以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系,最后展望了智慧水利标准发展路径。期望本文建立的标准体系能够为我国智慧水利标准的系统研究、全面推进和科学制定提供参考,同时为智慧水利科学规范建设和健康有序发展提供支撑。关键词:标准体系;智慧水利;智慧流域;数字孪生流域;数字孪生水网;数字孪生水利工程;数字孪生灌区中图分类号:TV21;TP399文献标识码:A文章编号:2096-6792(2023)04-0001-16Research on Standard System of
5、 Smart Water Conservancy with Digital Twin Water Conservancy as the Core YE Yuntao1,2,JIANG Yunzhong1,2,CAO Yin1,2,HUANG Jianxiong1,2,GUAN Haozhe1,2,GU Jingjing1,2,DONG Jiaping1,2(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Key Laboratory of River Basin Digita
6、l Twinning of Ministry of Water Resources,Beijing 100038,China)Abstract:Standards are an important focus to guide and support the planning,design,construction,operation,and itera-tive upgrading of smart water conservancy.Based on the analysis of the consensus on the concept of smart water conservanc
7、y,the research and implementation of digital twin water conservancy,and the application guarantee of smart water conservancy business,this paper designs the basic principles for the formation of the smart water conservancy standard system and analy-zes the evolution process of the smart water conser
8、vancy framework proposed by the Ministry of Water Resources.A smart water conservancy standard system with digital twin water conservancy as the core,consisting of basic common standards,information infrastructure standards,digital twin platform standards,business application standards,network secur
9、ity stand-ards,construction and operation standards,etc.,was proposed.Finally,the development path of smart water conservancy standards is envisioned.It is expected that the standard system established in this paper can provide reference for the sys-tematic research,comprehensive promotion and scien
10、tific formulation of smart water conservancy standards in China,and at the same time provide support for the scientific and standardized construction and healthy and orderly development of smart water conservancy.Keywords:standard system;smart water conservancy;smart watershed;digital twin watershed
11、;digital twin water net-work;digital twin water conservancy engineering;digital twin irrigation area智慧水利建设对贯彻落实国家网络强国战略、推动水利高质量发展、强化流域治理管理、应对气候变化挑战等具有重要意义1-3,是新阶段我国数字治水的重要手段和数智化时代的必然选择4-5。标准对我国智慧水利(包括数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等)的建设实施与可持续发展不仅具有重要的战略性、基础性作用,而且具有重要的支撑保障作用6-8,是保证智慧水利的规划导向性、设计操作性、建设实用性和互操作性、
12、运行可持续性、迭代升级扩展性的重要抓手。智慧水利标准体系是引领我国流域机构、省级、地市级和县级不同层级智慧水利健康发展的重要手段,是打破信息孤岛、盘活僵尸系统、提高数据利用率、增加应用系统使用频次、增强用户体验等的重要支撑,是推进新一代信息技术与水利领域融合创新进行规模化推广、实战化应用的必要条件,也是我国数字孪生水利的先行先试工作的科学实施、真实达效和持续优化的重点内容和充分保障。水利技术标准体系表自 2001 年由水利部发布,已历经 2008 年、2014 年、2021 年 3 次修订。这 4个版本的水利技术标准体系表 根据当时水利工作的需要和技术发展条件均指出水利信息化标准体系是由已编制
13、标准、计划修订标准、拟编制标准组成。其中,2021 年修订的水利技术标准体系表规划了 34 项有关分类编码、数据存储、传输交换、图示表达、产品服务、信息系统建设管理、水利网络安全等的水利信息化标准体系。水利信息化标准体系为规范我国不同 阶段信息 化建设 发 挥 了 指 导 性 作用9,同时为智慧水利标准体系研究提供了工作基础和积累了经验。2021 年,水利部在推进数字孪生流域建设工作会议上提出要“完善标准规范”和“全面梳理检视现有水利技术标准和技术规范,特别是监测感知、数据资源、模型计算、业务流程等方面的标准规范,找出缺失以及不满足、不适应、不衔接数字孪生流域建设的标准规范,加以制定或修订”。
14、水利部共印发了 5类(行政类、规划类、工作类、技术类、标准规范类)21 个文件,其中与本文研究内容相关的技术类文件4 个和标准规范类文件 7 个(见表 1),这些文件尚未达到正式发布标准的要求。同时,中国水利水电科学研究院立项智慧水利标准体系设计与评价指标研究,全面、系统地开展以数字孪生水利(流域、水网、水利工程等)为核心的智慧水利标准体系研究工作。表 1数字孪生水利相关文件10-20类别文件名称技术类文件数字孪生流域建设技术大纲(试行)数字孪生水网建设技术导则(试行)数字孪生水利工程建设技术导则(试行)水利业务“四预”基本技术要求(试行)标准规范类文件水利业务网建设技术指南水利数据分类分级指
15、南(试行)数字孪生流域数据底板地理空间数据规范(试行)水利测雨雷达系统建设与应用技术要求(试行)数字孪生流域资源共享平台资源注册与服务基本技术要求(试行)数字孪生流域可视化模型规范(试行)河湖管理范围内地物遥感解译技术规范(试行)数字孪生水利是数字孪生理论技术在水利行业的应用4,数字孪生技术相关标准对智慧水利中数字孪生水利标准体系制定具有借鉴意义。当前,国际国内数字孪生标准的制定刚刚起步,相关国际国内数字 孪 生 标 准 见 表 2 和 表 321-22。国 际 组 织ISO/TC 184、ISO/IEC JTC1、ITU-T SG20 等启动了数字孪生标准制定工作。与其同步,我国也开展了数字
16、孪生标准的制定工作,但数字孪生水利方面的标准还比较欠缺21。综合分析水利信息化标准和数字孪生标准现状,以下问题有待解决:目前智慧水利的术语标准和评价导则缺乏,智慧水利系统架构标准尚未出台,这导致智慧水利建设和实施过程难以对基本概念和系统架构达成共识,造成系统间不能有效地实现动态集成、联动协作;对智慧水利系统的建设成效缺乏2华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月定量评价,对建设方向不清晰23。缺乏智慧水利的信息基础设施、数据底板、模型平台、知识平台、业务应用等标准的参考,就会导致水利模型间、水利数据间、水利模型与水利数据间、水利知识与水利模型间、水利知识
17、与水利数据间、系统间等集成难、相互兼容性低、互操作性不强等问题,从而又形成新的数据孤岛、知识孤岛、模型孤岛和系统烟囱23。缺乏网络安全保障、建设与运行管理标准,会导致系统存在安全隐患和系统的不可持续性发展。表 2数字孪生国际标准相关组织标准项目状态ISO/TC184自动化系统与集成数字孪生制造框架系列标准发布自动化系统和集成工业数据数字孪生的可视化元素发布ISO/IEC JTC1数字孪生概念与术语在研数字孪生应用案例在研IEC/ISO/JWG21用于 智 能 制 造 的 统 一 参 考 模型在研IEEE工厂环境中物理对象数字表示的系统架构在研工厂环境中物理对象的数字表示的连接要求标准在研ITU
18、-T SG17数字孪生技术安全框架在研ITU-T SG20智慧城市数字孪生系统的要求和能力在研智慧城市和社区数字孪生系统互操作性框架在研智慧消防数字孪生需求及能力框架在研表 3数字孪生国内标准类别标准项目状态国家标准智能制造虚拟工厂参考架构发布智能制造虚拟工厂信息模型发布自动化系统与集成复杂产品数字孪生体系架构发布信息技术数字孪生第 1 部分:通用要求在研智慧城市 城市 数字 孪 生 第 1 部分:技术参考架构在研自动化系统与集成工业数据数字孪生的可视化元素在研信息技术装备数字孪生通用要求立项团体标准数字孪生仿真数据管理系统(SDM)数据模型规范发布数字孪生智能制造系统平台组织结构及权限管理规
19、范发布续表类别标准项目状态团体标准数字孪生定制移动 APP 通用安全技术规范发布数字孪生移 动应 用程 序 通用 测试 规范发布数字孪生生产线系列标准第 13 部分发布智能制造数字孪生车间技术要求发布数据中心数字孪生技术规范发布混凝土预制构件智能建造数字孪生规范系列标准第 15 部分发布数字孪生智 能制 造平 台 通用 技术 规范发布基于信息物理系统(CPS)的产线设备数字孪生数据模型通用规范发布基于数字孪生的新型智慧城镇建设技术规范系列标准第 12 部分发布基于智慧水务的数字孪生物联网关技术规范发布钢铁行业长材车间数字孪生系统技术要求发布数字孪生城市软件人机交互技术总体要求发布基于数字孪生技
20、术的离散行业数字车间参考架构发布智慧城市数 字孪 生城 市 技术 参考 架构发布数字孪生展厅云平台通用技术要求发布数字孪生展厅建设要求发布基于数值仿真与数字孪生的大坝健康管理技术导则发布数字孪生城 市仿 真推 演 系统 功能 要求发布机房数字孪生系统基本术语发布机房数字孪生系统通用技术规范发布数字孪生城市平台技术要求发布数字孪生车间系列标准第 13 部分发布数字孪生车间系列标准第 46 部分在研数字孪生公共信息模型(CIM)平台在研数字孪生模型评估规范在研数字孪生系统成熟度评估在研针对上述问题,基于水利部提出的智慧水利框架以及数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等相关指导
21、文件,结合水利信息化标准、数字孪生标准的制定现状,分析智慧水利标准体系的建设需求,提出一套以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系,以期为智慧水利标准研究人员提供参考,并为智慧水利规范化建设提供指导。3第 44 卷第 4 期冶运涛,等:以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究 1智慧水利标准需求分析1.1智慧水利概念达成共识需标准指导目前已有成果对智慧水利有不同的理解和认识。在概念认知方面,蒋云钟等5认为智慧水利是运用大数据、人工智能、物联网、云计算、移动互联等新一代信息通信技术,基于自然水系、水利工程体系和水利管理体系,智慧地将适量适质的水适时送到适地,为实现长久水安澜、优质水资源、宜居水环
22、境、健康水生态提供支撑;王忠静等24在物联网概念基础上提出了水联网概念,并认为智慧水利是水联网的另一种表达;赵然杭等25认为智慧水利是融合数据采集、分析、决策、控制、反馈等信息流程为一体,实现自主生存、自主自考、自主应对、自主学习的面向水利应用的规模信息生态系统;蔡阳26认为智慧水利是应用新一代信息技术,实现对水利对象及活动的透彻感知、全面互联、智能应用与泛在服务;蔡旭东27认为智慧水利是全方位解决水资源、水管理、水安全、水生态、水环境等涉水事务的智能化超大型系统;张建云等28认为智慧水利是运用新一代信息通信技术促进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化。在系统架构方面,蔡阳29认为智
23、慧水利总体框架应以水利信息基础设施为基础,以数字孪生水利和业务应用为重点,以网络安全体系和综合保障体系为保障;包志炎等30认为浙江智慧水利框架采用“四纵三横”总体架构,“四横”指业务应用、应用支撑、数据资源和基础设施等体系,“三纵”指政策制度、标准规范和组织保障体系;叶健31认为江苏智慧水利总体框架为 1 个统一门户、4 个基础服务平台、1 个水利云服务中心、N 个业务应用和 1 套安全保障机制;王晓辉等32认为深圳智慧水务总体框架由标准规范和信息安全两大体系组成,包含智能感知、基础设施、水务大数据、智慧应用和门户 5 个层次;程海洲等33认为宁波市智慧水利总体框架由 1 张水利感知网、1 个
24、智慧能力中心、1套智慧应用、2 组环境保障体系构成。除了对智慧水利的概念定义和系统架构理解不同外,用户和企业对作为智慧水利核心的数字孪生水利的理解也有所不同34,仍未达到统一35。现阶段,对数字孪生水利的理解是否全面,需要深入思考和研究。上述对智慧水利相关概念和架构的不同理解与认识会带来科学研究时的交流困难、建设实施时的集成困难和业务应用时的协作困难。因此,需要建设智慧水利基础共性标准,加强规范智慧水利术语达成社会共识,规范系统架构使建设内容具有延续性,规范评价指标使建设稳步有序23。1.2数字孪生水利研究与实施需标准指导在以水利部提出的智慧水利框架10为指导的实施过程中,由于智慧水利相关信息
25、化基础设施、数据底板、知识平台、模型平台、业务应用等标准还不够完善,目前数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等试点项目由不同的单位承建,而这些单位选用的软硬件产品及开发的系统可能存在兼容性不好、互操作困难等问题,从而造成信息基础设施组件、数据底板组件、模型组件、知识组件等各组件内部之间以及两两组件外部之间很难集成,容易形成“僵尸系统”。具体包括以下两个方面。1.2.1信息化基础设施 在信息化基础设施中,水利感知网(监测感知)实现了江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动等物理水利对象向数字孪生水利空间的映射(信息上传),也实现了物理水利对象接收并执行来自数字孪生水利的反向控制
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