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數字孿生流域研究及建設進展

時間：2023-01-17 來源：中國水利

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前言

數字孿生流域與數字孿生水網、數字孿生水利工程互聯互通、信息共享、各有側重，共同構成數字孿生水利系統核心，是推動新時代水利高質量發展的重要實施路徑之一。當前水利部已編制完成《數字孿生流域建設技術大綱(試行)》《數字孿生水利工程建設技術導則(試行)》《水利業務“四預”功能基本技術要求（試行）》《數字孿生水網建設技術導則（試行）》等一系列文件，為數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生水利工程建設提供了技術指南。在水利部統一部署下，長江水利委員會、黃河水利委員會等7大流域管理機構和三峽、小浪底等11家水利工程管理單位均完成了數字孿生流域或數字孿生水利工程建設先行先試實施方案編制工作，為流域防洪和水資源管理調配等業務系統建設提供了指南。本文調研梳理了數字孿生流域緣起、主要進展和未來研究方向，以期為數字孿生流域建設提供借鑒參考。

一、緣起與發展

數字孿生流域構想可追溯到21世紀初提出的“數字黃河”，隨著數字孿生技術發展，數字流域和數字孿生逐步融合嬗變，誕生“數字孿生流域”。

（一）數字黃河

數字黃河的基礎是數據，核心是模型，目標是應用。圍繞模型這個核心，清華大學王光謙等主持研發了數字流域模型，數字流域理論和技術在水利信息化的推動下逐步深化拓展，為流域水循環及其伴生過程耦合模擬提供了關鍵支撐。

（二）數字孿生技術

2002年美國密歇根大學MichaelGrieves教授首次明確提出“物理產品的數字等同體或數字孿生體”概念,2017年我國提出“數字中國”概念，數字孿生技術與流域及城市管理等行業逐步融合，形成了數字孿生技術下的數字孿生城市等一系列新概念。

（三）數字孿生流域

2021年，水利部正式啟動數字孿生流域建設工作，指出要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”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，以算據、算法、算力建設為支撐，加快推進數字孿生流域建設，實現預報、預警、預演、預案功能。在現代人類活動影響下，流域物理空間實體既包括自然地貌、植被和水系，也包括水庫、堤防、閘壩、泵站等水利工程體系，還包括流域和水利工程監測、管理及服務機構等，對象種類繁多、關系復雜、系統耦聯，亟待研發一套技術實現上述實體與自然水系數字體、水利工程智能體和水利管理智慧體的全要素映射、多過程模擬和復雜場景推演。

二、主要進展

數字孿生流域建設及應用主要包括信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用系統三大部分。在以往信息化建設基礎上通過理念更新、數字賦能、奮發建設，數字孿生流域已經取得一系列重要進展和成果。

（一）信息化基礎設施

基于全國水文水資源監測站網，構建了天—空—地一體化水利監測感知網，實現了重要水信息及時掌握。全國各類水情站點達到12萬處，5186條有防洪任務的中小河流實現水文監測全覆蓋，11萬座國家報汛站雨量水情監測信息收集傳輸時間由過去的小時級縮短到分鐘級，在有防治任務的2076個縣建設了山洪災害監測預警平臺，監測預報預警能力顯著提升。水利信息網傳輸能力、安全性、可靠性大幅度提升。綜合應用低功耗物聯網、北斗衛星通信技術等實現了偏遠、無公共網絡覆蓋地區的水文要素監測與數據傳輸。水利云服務設施隨著業務系統的建設和升級穩步拓展，業務覆蓋范圍越來越廣，智慧水利管理類App等“微應用”在水利業務管理中的應用日益廣泛。

（二）數字孿生平臺

2022年4月水利部啟動數字孿生流域建設先行先試項目，黃河、長江、淮河等主要江河流域的數字孿生平臺建設陸續規劃實施，在數據底板、模型和知識平臺方面進展顯著。全國規劃在建主要流域L1級數據底板，蓄滯洪區等重點區域L2級數據底板，以及重點水利工程L3級工程模型，部分接入水文水資源監測基礎設施獲取的多要素實時監測數據，構建了流域及工程動態數據資源庫。水利部匯聚完成全國水利一張圖，覆蓋55類1600萬個水利對象，全國范圍內規模以上江河湖泊、水利設施、水行政主管單位都實現了空間化管理，為水利高質量發展提供了堅實數據支撐。在模型和知識平臺方面，基本建成洪水調度和水資源配置專業化模型和知識庫等，水利部正在組織專業機構研發完善具有自主知識產權的流域產匯流及洪水預報模型、全國地下水通用模型和水土保持預報預警模型等。北京市、深圳市等依托市域智慧水務工程建設開展了數字孿生流域和數字孿生水利工程實踐探索，流域、省級、市域的數字孿生平臺建設穩步推進。

（三）業務應用系統

按照需求牽引、應用至上原則，數字孿生流域和數字孿生水利工程建設特別強調業務化應用，尤其是預報、預警、預演、預案“四預”功能。水利業務應用主要包括流域防洪、水資源管理調配以及水利工程建設和運行管理等“N”項業務，目前已經探索建立水利業務數字孿生建模平臺，強化大數據、人工智能等新一代信息技術與水利業務的深度融合，水旱災害監測預報預警、水資源管理調配、水利工程建設和運行管理能力顯著提升。

三、未來研究方向

數字孿生流域要通過全面感知、動態模擬、虛擬現實、增強現實等技術融合，建立流域物理空間實體在虛擬數字空間動態映射，未來需重點研究解決“感、存、仿、知、行”五方面技術難題，以獲得科學認知、開展快速推演、實施精準操控。

（一）、“感”——流域透徹感知

研發“天—空—地—水”“車—船—站—網”全方位立體監測技術體系，突破關鍵設備技術瓶頸，開發數據采集端邊緣計算和智能感知技術，支撐流域透徹感知，實現流域水循環物質—能量全要素、多過程、跨尺度實時動態監測。

（二）、“存”——數據融合存儲

研究匯聚多來源涉水數據，突破數據噪聲去除、多源數據融合協同等關鍵技術，構建水利數據模型和網絡模型，創新發展流域大數據分析算法與應用體系，打通水利多領域知識關聯，提升數據價值和信息、知識服務能力，為流域數字孿生平臺建設提供數據處理技術支撐。

（三）、“仿”——過程數字仿真

通過仿真技術與水利專業模型相結合，研發流域洪水快速演進模型、城市洪澇精細化模擬及風險評估模型、水工結構運行安全監控及風險預警模型、水電站智能運維關鍵技術模型等，采用GPU、CPU并行計算加速技術及分布式并行調度算法，實現流域自然—社會二元水循環流場實時、動態、精細化模擬，綜合構建流域、區域/城市、工程不同尺度的智慧模擬平臺，為數字孿生流域和數字孿生水利工程建設提供科技支撐。

（四）、“知”——業務智能決策

面向“2+N”典型業務應用需求，深入研究流域自然規律，創新升級現有水動力學、水資源配置、防洪決策、灌區需耗水預測和用水多過程調控等模型；研究典型水利應用場景“預報、預警、預演、預案”決策智慧推演技術；開發水旱災害防御、水資源管理調配、城市水系統智慧調度、灌區高效用水調控等業務方面具有四預功能智慧決策系統。

（五）、“行”——工程安全運行

基于芯片級國產硬件設備、國產操作系統、國產數據庫系統環境，開展安全可控的水利工程智能測控一體化平臺研發，重點突破水工程堤—庫—渠—閘—泵—閥等運行智能診斷、智能控制、智能處置等技術，同時強化水利控制網絡安全防護能力，支撐水利工程智能體建設和業務智能管理能力升級。

四、結語與展望

數字孿生流域建設是強化水旱災害防治、優化水資源配置、改善水生態環境、促進區域協調發展的重要手段，是流域管理治理現代化的必由之路。通過數字孿生流域建設先行先試項目引領推動，提升水利行業在信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用系統等方面的水平。數字孿生流域研究的重要方向包括流域透徹感知、數據融合存儲、過程數字仿真、業務智能決策、工程安全運行等基礎理論與關鍵技術。通過以上關鍵技術突破，未來數字孿生流域、數字孿生水利工程和數字孿生水網建設可為水利管理提供透徹感知的數據底板、高保真高效力的模型及算法、強大的數據融合能力和智慧化的決策推演和平臺，總體提升國家水安全保障能力。

作者：劉家宏（中國水利水電科學研究院），蔣云鐘，梅超