以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究.pdf

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-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(natural 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 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 Digital 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 conservancy,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 conservancy 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 security 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 scientific 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;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、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”。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-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或管理指令(控制反馈)。但由于在整个信息传递流程及反馈过程中缺乏标准指导,对不同的物理对象如何布设监测站点、感知哪些要素、传递哪些信息、映射哪些属性等不甚了解,对于决策指令制定以后如何下达、接收和执行缺乏完整链条的规范,这不仅会导致对江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动等对象的监测感知没有统一的接口兼容形式,而且还会带来技术层级不明确和功能边界不清晰等问题。在信息化基础设施中,水利信息网是实现虚实交互的关键,是承载水利感知网(监测感知)、水利数据底板、水利模型平台、水利知识平台和业务应用之间互联互通的通道。因此,对上述组件之间的连接方式、通信协议和交互方式应该加以规范,以解决各组件接口适配性、功能协调性的问题。在信息化基础设施中,水利云负责提供数据存储管理、数据分析计算、专业模型计算和应用系统部署。应制定水利云的云资源管理、水利数据存储管理、水利数据分析和模型计算支撑、水利应用和数据迁移等标准规范,以实现水利云资源的高效利用。1.2.2数字孪生平台 数字孪生水利数据底板为物理水利和数字孪生水利深度融合提供准确全面的信息源。目前各业务已有数据存储的标准,但是该标准只是针对结构化4华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月数据,缺乏兼顾结构化、非结构化、半结构化多类型水利数据统一存储的标准。除存储标准外,水利数据底板还缺乏数据分类与表示、数据组织、数据融合、数据服务等标准的指导。数字孪生水利模型平台属于智慧水利的核心引擎,目前缺乏对模型分类与表示、模型封装、模型存储、模型组装等标准,导致虽有很多模型,却出现了模型无用的局面。数字孪生水利知识平台由于缺乏有关水利知识分类与表示、水利知识存储、水利知识融合等标准的指导,导致水利领域尚缺乏可用的业务知识库。1.3智慧水利业务应用实施保障需标准指导在智慧水利业务应用实施保障方面,需要考虑以下两点:业务应用既是数字孪生水利“需求牵引”的出发点,又是“应用至上”的落脚点,应用效果是检验建设成效的主要标准。但是在水利业务应用系统开发上,由于没有标准来规范业务应用分析以及系统开发的整个过程,各业务应用系统就会出现兼容性弱、互操作困难和扩展性不强的问题。智慧水利系统建设完后,如何评价以数字孪生水利为核心构建的智慧水利所发挥的社会、经济、生态效益以及所具有的准确性、稳定性、安全性、易用性等性能,服务于智慧水利的升级迭代和优化提升。因此,需要智慧水利的评价、网络安全、建设与运行管理等相关标准来规范运行管理工作。针对上述智慧水利实施前“如何认识智慧水利”,实施中“如何建设智慧水利”、实施后“如何评价智慧水利应用成效”等阶段的不同需求,迫切需要建立智慧水利标准体系。2智慧水利标准体系形成的基本原则 智慧水利标准体系建设应遵循以下原则36:1)标准体系表要全面成套。构建全面成套的智慧水利标准体系表能够充分体现智慧水利的整体性和系统性,抓住智慧水利建设的主要环节以及制约建设成效的主要矛盾,明确标准体系建设的主攻方向。智慧水利标准体系是系列标准制定的依据和基础,它将具体标准作为实施手段和措施来完成标准体系的构建。智慧水利标准体系表制定既要包括现有高新技术和未来发展高新技术的新标准,又要包含已有标准的高新技术的应用和发展部分。2)标准体系层次结构恰当。智慧水利是按照水利业务逻辑和信息理论指导构建,在架构上做到逻辑合理、层次结构清晰,因此每个标准按照信息功能安排在合理层次上,制定科学、合理和简化的标准体系,避免标准体系的重复、混乱甚至矛盾与不统一。标准体系明细表内不同领域或不同分系统间的划分不能按照行政系统进行划分,应按照水利业务活动和信息技术性质的同一性进行划分。3)适当保护先行者的利益。由于社会经济条件不同,发达地区的智慧水利项目实施通常超前标准制定若干年,这些先颁布标准难免会与既存事实相抵触,系统中的不兼容设备也不能立即替换掉,否则会影响已开展工作者的利益。因此,标准化体系研究和标准的制定工作应在条件允许的情况下尽可能将损失减到最小。4)兼顾水利信息化标准现状,尽量采用国家已制定的标准。智慧水利是信息通信技术(Informa-tion and Communication Technology,ICT)深入融合的领域,ICT 在很多领域已经标准化。传统水利领域也有许多已经或正在制定的相关标准,故制定智慧水利标准应尽可能兼顾水利信息化已有标准以及相关的国际标准和国家标准,同时,还应根据智慧水利建设的实际需求制定一些急需的关键标准。5)短时间难以制定出具体标准而又非常重要的领域可以制定指导性技术文件。智慧水利是一个复杂的大系统,服务领域多,功能要求多样,牵涉非常广泛的技术领域,尽管已有成熟的标准可供采用,但是如何达到数字孪生的严格水准,尚无规范可遵循。如果各地区智慧水利项目按需制定各自项目标准,就会导致系统可扩展性很差,难以保障全国范围内跨层级、跨部门、跨系统之间的兼容性,数据充分利用与共享也会成为“空中楼阁”。如果标准制定滞后很多年,那时各地智慧水利项目已形成规模化效应,标准的强制执行不仅不能改变既成事实,还将导致重复建设和无可挽回的损失。因此,对于短期内急需却很难较快地制定标准的关键领域,可以先根据体系结构制定出一些基本的原则或指导性技术文件供生产者、集成商参考。在实施过程中,通过积累经验和厘清技术细节,再以发布的基本原则或指导性文件为基础,制定详细且可操作的标准。3智慧水利标准体系框架3.1智慧水利总体框架的演变对智慧水利总体框架的认识也是逐步发展的。水利部印发的智慧水利顶层设计和“十四五”智慧水利建设规划数字孪生流域建设技术大纲(试行)所提出的智慧水利总体框架,均是以数字孪生流域为核心。随着实践工作的推进,已形成了数字5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、数字孪生灌区等组成的数字孪生水利体系。那么,以数字孪生流域为核心的智慧水利总体框架10就演变为以数字孪生水利(包括数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区37等)为核心的智慧水利总体框架,如图 1 所示。图 1智慧水利总体框架演变表 47 分别给出了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区的框架组成。从框架来看,四者均包括了信息化基础设施和数字孪生平台两部分内容,同时兼顾了业务应用系统的建设。但是在数字孪生平台、信息化基础设施一级分类下,二级分类存在差异。1)数字孪生平台辨析。四者的数字孪生平台均包括了数据、模型、知识三要素。关于数据要素的表达,四者均用词“数据底板”。关于模型和知识要素,数字孪生流域、数字孪生水网分别用词“模型平台”和“知识平台”,数字孪生水利工程、数字孪生灌区则分别用词“模型库”和“知识库”,虽然用词不同,但是表达的意思相似。表 4数字孪生流域框架内容框架数字孪生流域内容组成物理流域江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动及其影响区域水利感知网包括传统水利监测站网和新型水利监测网信息化基础设施水利信息网包括水利业务网和水利工控网水利云包括基础计算与存储、高性能计算、人工智能计算、灾备中心、视频会议、会商调度等内容数据孪生平台数据底板包括数据资源、数据模型、数据引擎模型平台包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型、模拟仿真引擎知识平台包括水利知识、水利知识引擎业务应用流域防洪、水资源管理与调配、N 项业务表 5数字孪生水网框架内容框架数字孪生水网内容组成物理水网自然河湖、水网工程、管理和影响范围信息化基础设施监测感知包括地面站网监测以及卫星遥感、无人机等新型监测感知通信网络包括业务网和工控网远程集控包括水网工程中闸泵阀等控制设备设施计算存储包括通用计算与存储、高性能计算、人工智能计算、灾备系统等应用支撑包括数据库管理系统、地理信息服务、BIM 轻量化服务、应用中间件、工作流引擎、门户、身份认证、报表管理等调度指挥实体环境包括融合通信系统、视频会议系统、集成显示系统、综合会商系统、联合值班环境等数据底板包括数据资源、数据模型、数据引擎数据孪生平台模型平台包括水网专业模型、智能识别模型、可视化模型、模拟仿真引擎知识平台包括水网知识、水网知识引擎业务应用安全运行监视、联合调度决策、日常业务管理、应急事件处置6华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月表 6数字孪生水利工程框架组成框架数字孪生水利工程内容组成物理水利工程枢纽工程、引水工程、河道工程等信息化基础设施监测感知包括传感器采集、视频监控、巡视巡查等方式,强调新型监测手段的应用通信网络包括业务网和工控网工程自动化控制对工程闸门、泵站、船闸、发电机组等建设自动化控制设备,可采用现地控制和远程控制信息基础环境包括机房环境、计算存储、会商调度中心等数据孪生平台数据底板包括地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据及外部共享数据模型库包括水利专业模型、智能识别模型及可视化模型知识库包括工程预报调度方案库、工程安全知识库、业务规则库等孪生引擎包括数据引擎、知识引擎、模拟仿真引擎等业务应用工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、生产运营管理、巡查管护、综合决策支持等表 7数字孪生灌区框架组成框架数字孪生灌区内容组成物理灌区水源工程、灌溉排水工程体系、灌溉区域、作物种植结构、主要用水户等立体感知包括水情、工情、农情、气象等信息化基础设施自动控制取引水、输配水、排退水、田间灌溉支撑保障包括应用支撑、通信网络、计算存储、调度中心数据底板包括地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据及外部共享数据数据孪生平台模型库包括灌区专题模型、智能识别模型及可视化模型知识库包括预报方案、业务规则、水利对象关联关系、历史场景、调度方案等业务应用供需水预报与决策、水资源配置与供用水(智能调度)、水旱灾害防御(智能)调度、工程管理、量水与水费征收、水公共服务、灌区一张图等 2)信息化基础设施辨析。在信息化基础设施内容方面,数字孪生流域用词“水利感知网”“水利信息网”和“水利云”;数字孪生水网用词“监测感知”“通信网络”“远程集控”“计算存储”“应用支撑”“调度指挥实体环境”;数字孪生水利工程用词“监测感知”“通信网络”“工程自动化控制”“信息基础环境”;数字孪生灌区用词“立体感知”“自动控制”“支撑保障”。上述用词虽然不同,包括的内容却非常相似。四者均包括“监测感知”“通信网络”“计算存储”“调度会商”等内容。关于“监测感知”内容,数字孪生流域用词“水利感知网”,数字孪生水网用词“监测感知”,数字孪生水利工程用词“监测感知”,数字孪生灌区用词“立体感知”。关于“通信网络”,数字孪生流域用词“水利信息网”,其他三者用词“通信网络”,其中数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。关于“计算存储”内容,数字孪生流域将其作为“水利云”的一部分,数字孪生水利工程将其作为“信息基础环境”的一部分,数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。关于“调度会商”内容,数字孪生流域将其作为“水利云”的一部分,数字孪生水网用词“调度指挥实体环境”,数字孪生水利工程将其作为“信息基础环境”的一部分,数字孪生灌区将其作为“支撑保障”的一部分。这些共性要素可以纳入数字孪生水利体系框架。“自动控制”为数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区的重要内容,同时为物理流域的对象组成,但其在数字孪生流域没有体现。鉴于工程自动控制是水流调控的重要内容,也是水利工作的重要组成部分,因此,有必要将“自动控制”纳入数字孪生水利体系框架。“应用支撑”为公共支撑的组件和工具,是数字孪生水网和数字孪生灌区的建设内容。虽然数字孪生流域和数字孪生水利工程没有提到它,但是鉴于“应用支撑”是传统水利信息化系统的重要组成部分,为了整合该项内容,将“应用支撑”纳入数字孪生水利体系框架。其他的内容,如数字孪生流域“水利云”的“视频会议”、数字孪生水网“调度指挥环境”的“融合通信系统”“视频会议系统”“集成显示系统”“联合值班环境”等均可纳入“调度会商”。数字孪生水利工程“信息基础环境”的“机房环境”可纳入“计算存储”,作为计算存储建设的环境要求。数字孪生流域“水利云”的“高性能计算”“人工智能计算”可以纳入“计算存储”。3)业务应用辨析。从表 47 可以看出,由于7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业务视角不同,数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、数字孪生灌区等具体的应用有所差异,但仍然在水利职责范围内。3.2以数字孪生水利为核心的标准框架通过总结水利信息化和数字孪生标准发展现状以及分析智慧水利建设的认知、研究、应用等方面的标准需求,坚持智慧水利标准体系形成基本原则,根据上述演变后的智慧水利框架,设计了由基础共性标准、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、建设与运行标准等各项子标准构成的以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系框架,如图 2 所示。图 2智慧水利标准体系框架 1)基础共性标准。包括智慧水利术语、智慧水利参考架构、水利对象和信息分类与编码、水利对象标识、智慧水利评价导则、智慧水利标准应用指南 6部分,是用来规范智慧水利涉及的概念定义和符号、智慧水利总体框架、智慧水利业务框架、信息化基础设施框架、水利数据底板框架、水利模型框架、水利知识框架、智慧水利业务应用框架、网络安全框架、保障体系框架、水利对象分类、水利信息分类、水利对象数字化标识、评价指标、评价标准、评价方法等的基础性、通用性标准。2)信息化基础设施标准。包括数字孪生水利的水利监测感知标准、水利工程控制标准、水利信息网标准、水利云标准、水利调度会商标准 5 部分,用于规范智慧水利的感知站点布设、感知设备接入、感知设备管理、业务网、政务网、计算、存储等信息化基础设施建设。3)数字孪生平台标准。包括数字孪生水利的数据底板标准、水利模型平台标准、水利知识平台标准、映射与交互、孪生资源服务 5 部分,用于规范智慧水利的数据共享、模型协同以及知识交互。4)业务应用标准。包括智慧水利应用系统开发涉及的业务流程标准、业务“四预”标准、系统开8华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月发标准、系统部署和迁移标准、人机交互标准 5 部分,用于规范流域防洪系统、水资源管理与调配系统等“2+N”业务应用系统的开发、迭代及优化。5)网络安全标准。包括智慧水利的水利数据安全、水利信息系统安全、水利信息安全管理、水利信息基础设施防护 4 部分,用于规范信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用各层级及相互之间的安全保障以及人员安全操作。6)建设与运行标准。包括智慧水利的规划设计、建设实施、运行管理、评估改进 4 部分,用于规范智慧水利建设和运行过程中技术、方法、流程、创新等方面要求。4智慧水利标准体系4.1标准体系结构智慧水利标准体系由基础共性标准、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、建设与运行标准等智慧水利的各项子标准体系组成,其体系结构如图 3 所示。图 3智慧水利标准体系结构4.2基础共性标准1)术语与定义标准。主要用于规范智慧水利的信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全、保障体系各部分内容涉及的标准化的术语及相应缩略语与定义,为准确理解智慧水利概念以及制定其他各部分标准提供支撑。2)水利对象和信息分类与编码标准。主要用于规范对象的分类及其代码的编制,以及每类对象特征信息的分类及其代码的编制。规范对象和信息的分类与代码,主要解决信息语义的一致性问题。9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水利部已颁布了分类与编码的系列标准38。在此基础上,分析系列标准并对不适合数字孪生水利建设的内容进行修订,对没有的标准进行新编。3)水利对象标识标准。主要用于规范江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动对象的数字标识编码、标识采集、标识识读、标识解析、标识注册、标识管理等的相关要求。该类标准以水利对象分类与编码总则(SL/T 2132020)为基础进行制定38。4)参考架构标准。主要用于规范智慧水利总体框架、技术架构、业务架构、信息化基础设施架构、数据底板架构、模型平台架构、知识平台架构、业务应用架构、网络安全架构等,为智慧水利可持续建设提供基础。5)评价导则。主要用于规范智慧水利评价指标(以评价孪生度为核心)的基本构成、指标说明、评价标准、计算方法和权重设定,为揭示水利建设中的短板弱项、树立智慧水利建设标杆发挥引领作用,引导智慧水利始终向着正确、健康方向发展。6)标准应用指南。主要用于对智慧水利基础共性标准、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、建设与运行标准等的编制背景与意义、编制过程及标准使用应注意的问题进行说明,以切实发挥好标准对智慧水利发展的支撑和引领作用。4.3信息化基础设施标准4.3.1水利监测感知标准 主要对智慧水利的传统水利监测站网、新型水利监测网、感知设备接入、感知边缘端协作等方面进行规范。相关标准及主要内容如下。1)传统水利监测站网标准。主要用于规范利用传统水利监测方式对江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动对象进行监测的监测感知站点布设布局、监测设备性能、监测要素、监测频次、通信接口和协议、传输方式、数据存储、质量控制等的相关技术要求。2)新型水利监测网标准。主要用于规范雨量雷达监测、卫星遥感观测(如可业务化应用的地表水体卫星遥感监测)、无人机遥感观测、高清视频监测监控、无人船使用、地面机器人使用、水下机器人使用、卫星导航系统应用等新型水利监测网的相关技术要求。3)感知设备接入标准。主要用于规范江河湖泊、水利工程和水利活动对象的感知设备的感知位置、感知对象、感知要素、接入方式、接入通信协议、协议适配等的相关要求。4)感知端边缘计算标准。主要用于规范水利感知端边缘计算的系统与功能架构、边缘计算节点设备、边缘计算节点接入接口、边缘计算数据管理、边缘计算服务接口等的相关要求。5)感知设备管理标准。主要用于规范智慧水利感知设