《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》解析

謝文君，李家歡，李鑫雨，賀 挺，趙軒哲

（水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要提出了“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”的明確要求[1]。2021 年 6 月，水利部提出將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一[2]，并將智慧水利作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志；2021 年 12 月，水利部召開(kāi)推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會(huì)議，要求大力推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，各流域管理機(jī)構(gòu)、地方水行政主管部門(mén)和有關(guān)水利工程管理單位陸續(xù)開(kāi)展數(shù)字孿生流域先行先試項(xiàng)目建設(shè)，水利行業(yè)掀起了建設(shè)數(shù)字孿生流域的高潮。

數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心與關(guān)鍵，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須加強(qiáng)組織、頂層謀劃、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、協(xié)同推進(jìn)。為統(tǒng)一要求、明確標(biāo)準(zhǔn)，避免重復(fù)建設(shè)、信息孤島，水利部組織編制了《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》[3]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技術(shù)大綱》），重點(diǎn)回答數(shù)字孿生流域建什么、達(dá)到什么標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，細(xì)化建設(shè)任務(wù)和具體內(nèi)容。

1 建設(shè)內(nèi)涵

數(shù)字孿生流域技術(shù)性強(qiáng)、創(chuàng)新性高，各地各單位對(duì)一些概念的認(rèn)識(shí)和理解存在差異，并且對(duì)如何切實(shí)做好數(shù)字孿生流域建設(shè)存在困難。為加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)和進(jìn)一步規(guī)范數(shù)字孿生流域建設(shè)，以便工作上明確任務(wù)邊界、分工協(xié)作，避免重復(fù)建設(shè)、投資浪費(fèi)，技術(shù)上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，防止出現(xiàn)條塊分割、信息孤島現(xiàn)象，《技術(shù)大綱》明確了數(shù)字孿生流域的定義、建設(shè)范圍及目標(biāo)、建設(shè)原則等內(nèi)容。

1.1 定義

數(shù)字孿生流域是以物理流域?yàn)閱卧r(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、優(yōu)化調(diào)度的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

其中，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演是路徑，與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化是特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、優(yōu)化調(diào)度是目的，水利業(yè)務(wù)與信息技術(shù)融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施是定位。

1.2 建設(shè)范圍及目標(biāo)

考慮到當(dāng)前水利信息化建設(shè)基礎(chǔ)，以及“2 +N”業(yè)務(wù)應(yīng)用的重點(diǎn)范圍，“十四五”期間數(shù)字孿生流域建設(shè)范圍確定為大江大河大湖及主要支流、重點(diǎn)流域和重點(diǎn)區(qū)域。

總體建設(shè)目標(biāo)是：按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線(xiàn)，以數(shù)字化場(chǎng)景、智能化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑[5]，在水利一張圖[6]基礎(chǔ)上構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)底板，升級(jí)擴(kuò)展三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景等功能，建設(shè)完善數(shù)字孿生平臺(tái)、提升信息化基礎(chǔ)設(shè)施能力，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，支撐“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）功能實(shí)現(xiàn)和“2 +N”智能應(yīng)用運(yùn)行，提升水利決策與管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化能力和水平，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。

為充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)的支撐驅(qū)動(dòng)作用，針對(duì)算據(jù)要素和精度尚不滿(mǎn)足要求、模型算法距高保真目標(biāo)有差距、計(jì)算存儲(chǔ)算力不強(qiáng)等問(wèn)題[7]，實(shí)現(xiàn)以下具體目標(biāo)：

1）算據(jù)方面。算據(jù)是物理流域及其影響區(qū)域的數(shù)字化表達(dá)，是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等信息。構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)一、及時(shí)更新的數(shù)據(jù)底板，建成覆蓋全國(guó)的 L1 級(jí)數(shù)據(jù)底板，主要江河流域重點(diǎn)區(qū)域建成 L2 級(jí)數(shù)據(jù)底板，重點(diǎn)水利工程建成 L3 級(jí)數(shù)據(jù)底板，保持?jǐn)?shù)字孿生流域與物理流域的精準(zhǔn)性、同步性、及時(shí)性，為數(shù)字孿生流域提供全面及時(shí)算據(jù)支撐。

2）算法方面。算法是物理流域自然規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)，是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的關(guān)鍵，包括模型和知識(shí)等平臺(tái)內(nèi)容。建成模型和知識(shí)平臺(tái)，提升模型的標(biāo)準(zhǔn)化和集約化水平，進(jìn)一步加強(qiáng)與業(yè)務(wù)的深度融合，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行模擬仿真和前瞻預(yù)演，確保數(shù)字孿生流域的模擬和物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)高保真，為數(shù)字孿生流域提供智能實(shí)用算法服務(wù)。

3）算力方面。算力是數(shù)字孿生流域高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐，包括計(jì)算、通信、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)設(shè)施資源。按照“集約高效、共享開(kāi)放、按需服務(wù)”的原則，實(shí)現(xiàn)縣級(jí)及以上水利單位水利業(yè)務(wù)網(wǎng)全覆蓋并有效服務(wù)各類(lèi)信息及時(shí)高效傳輸應(yīng)用需要，IPv6在水利業(yè)務(wù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；渴鸷蛻?yīng)用，建成省級(jí)及以上水行政主管部門(mén)水利云，支撐計(jì)算存儲(chǔ)資源按需分配、彈性伸縮，為數(shù)字孿生流域提供安全可靠算力保障。

1.3 建設(shè)原則

1）需求牽引，應(yīng)用至上。這是數(shù)字孿生流域建設(shè)的總要求，建設(shè)應(yīng)服務(wù)于“2 +N”水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，以需求為牽引，強(qiáng)化“四預(yù)”功能，支撐強(qiáng)化流域治理管理，做到建設(shè)成果實(shí)用管用。圍繞水利業(yè)務(wù)工作實(shí)際需求，將數(shù)字孿生流域建設(shè)與流域治理管理“四個(gè)統(tǒng)一”（統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理）相結(jié)合，強(qiáng)化業(yè)務(wù)薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化重塑業(yè)務(wù)流程，并注重用戶(hù)體驗(yàn)，推進(jìn)信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，有力支撐精準(zhǔn)化決策。

2）系統(tǒng)謀劃，分步實(shí)施。應(yīng)做好總體安排與近期工作的銜接，確保數(shù)字孿生流域建設(shè)過(guò)程中分步發(fā)揮實(shí)效，把握好不同建設(shè)節(jié)點(diǎn)的具體任務(wù)要求，有序推進(jìn)各項(xiàng)任務(wù)實(shí)施。按照《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》要求，根據(jù)需求迫切性、技術(shù)可行性、條件成熟性，先期開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)和試點(diǎn)示范，形成一批可復(fù)制可推廣的成果，在此基礎(chǔ)上，有步驟、分階段推進(jìn)。

3）統(tǒng)籌推進(jìn)，協(xié)同建設(shè)。高度重視數(shù)字孿生流域標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和已有成果利舊，重點(diǎn)解決好信息孤島問(wèn)題，確保網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。按照“全國(guó)一盤(pán)棋”思路，建立健全各參建單位協(xié)作推進(jìn)和共建共享體制機(jī)制，強(qiáng)化全流程各環(huán)節(jié)管理，加強(qiáng)各方面的技術(shù)銜接，保障數(shù)字孿生流域建設(shè)不漏不重。

4）整合資源，集約共享。以整合為手段，通過(guò)機(jī)制體制創(chuàng)新和信息技術(shù)深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，促進(jìn)“2 +N”業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同。按照“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建”要求，充分利用現(xiàn)有的信息化及國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施，有針對(duì)性補(bǔ)充完善升級(jí)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)資源集約節(jié)約利用和互通共享，避免重復(fù)建設(shè)。

5）更新迭代，安全可控。按照國(guó)家關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全等方面的要求，統(tǒng)籌發(fā)展和安全，守住安全底線(xiàn)，做到風(fēng)險(xiǎn)可控、確保安全。不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和功能迭代，保持與物理流域的同步性和孿生性。推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化軟硬件應(yīng)用，不斷提升網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)感知、預(yù)判、處置與數(shù)據(jù)安全防護(hù)能力。

2 技術(shù)框架

智慧水利由數(shù)字孿生流域、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系、保障體系等組成。其中，數(shù)字孿生流域是智慧水利建設(shè)的核心與關(guān)鍵，包括數(shù)字孿生平臺(tái)和信息化基礎(chǔ)設(shè)施；流域防洪、水資源管理與調(diào)配及N項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用調(diào)用數(shù)字孿生流域提供的算據(jù)，算法，算力等資源。總體框架如圖1 所示。

圖1 智慧水利總體框架

圖1顯示，從技術(shù)構(gòu)成上看，業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系不屬于數(shù)字孿生流域的組成部分。但從任務(wù)實(shí)施來(lái)看，為確保建設(shè)內(nèi)容完整和體現(xiàn)建設(shè)成果成效，通常在開(kāi)展數(shù)字孿生流域相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，都會(huì)涵蓋主要業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全和保障體系等內(nèi)容，各單位還可根據(jù)水利業(yè)務(wù)實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)具體內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展補(bǔ)充。

數(shù)字孿生平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等構(gòu)成。數(shù)據(jù)底板匯聚水利信息網(wǎng)傳輸?shù)母黝?lèi)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后為模型和知識(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)服務(wù)；模型平臺(tái)利用數(shù)據(jù)底板成果，以水利專(zhuān)業(yè)模型分析物理流域的要素變化、活動(dòng)規(guī)律和相互關(guān)系，通過(guò)智能識(shí)別模型提升水利感知能力，利用模擬仿真引擎模擬物理流域的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，并將以上結(jié)果通過(guò)可視化模型動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)；知識(shí)平臺(tái)匯集數(shù)據(jù)底板產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)、模型平臺(tái)的分析計(jì)算結(jié)果，并融合業(yè)務(wù)規(guī)則與專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)水利知識(shí)引擎處理形成知識(shí)圖譜和知識(shí)庫(kù)服務(wù)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用。

信息化基礎(chǔ)設(shè)施主要由水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云等構(gòu)成。水利感知網(wǎng)負(fù)責(zé)采集數(shù)字孿生流域所需各類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)水利信息網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)底板，水利云負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)資源。

數(shù)字孿生流域建設(shè)框架如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生流域建設(shè)框架

3 主要任務(wù)

《技術(shù)大綱》以規(guī)范性附表的方式列出了數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)、水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云等各部分的建設(shè)主體，建設(shè)內(nèi)容與范圍，指標(biāo)參數(shù)或技術(shù)要求，更新頻率等主要技術(shù)指標(biāo)要求，其中更新頻率設(shè)計(jì)了基本版和提高版 2 種要求，為各單位開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)提供了根本遵循和業(yè)務(wù)指導(dǎo)。

3.1 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板是在水利一張圖基礎(chǔ)上升級(jí)擴(kuò)展，完善數(shù)據(jù)類(lèi)型、范圍、質(zhì)量，優(yōu)化數(shù)據(jù)融合、分析計(jì)算等功能。主要包括數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)引擎等內(nèi)容。

《技術(shù)大綱》明確數(shù)據(jù)資源的時(shí)間基準(zhǔn)采用北京時(shí)間，空間基準(zhǔn)采用 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），高程基準(zhǔn)采用 1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，主要包括基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)管理、跨行業(yè)共享、地理空間等數(shù)據(jù)內(nèi)容。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括流域、河流、湖泊、水利工程等水利對(duì)象的主要屬性和空間數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括水文、水資源、水生態(tài)環(huán)境、水災(zāi)害、水利工程、水土保持等水利業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)包括流域防洪、水資源管理與調(diào)配等“2 +N”業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)；跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)包括需從其他行業(yè)部門(mén)共享的經(jīng)濟(jì)社會(huì)、土地利用、生態(tài)環(huán)境、氣象、遙感等相關(guān)數(shù)據(jù)；地理空間數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）/數(shù)字表面模型（DSM）、傾斜攝影影像/激光點(diǎn)云、水下地形、建筑信息模型（BIM）等數(shù)據(jù)。地理空間數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)精度和建設(shè)范圍分為 L1，L2，L3 三級(jí)：L1 級(jí)是進(jìn)行數(shù)字孿生流域中低精度面上建模，主要包括全國(guó)范圍的 DOM 和 DEM/DSM 等數(shù)據(jù)；L2 級(jí)是進(jìn)行數(shù)字孿生流域重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)建模，主要包括重點(diǎn)區(qū)域的高分辨率 DOM、高精度 DEM/DSM、傾斜攝影影像/激光點(diǎn)云、水下地形等數(shù)據(jù)；L3 級(jí)是進(jìn)行數(shù)字孿生流域重要實(shí)體場(chǎng)景建模，主要包括重要水利工程相關(guān)范圍的高分辨率 DOM、高精度 DEM、傾斜攝影影像/激光點(diǎn)云、水下地形、BIM 等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)模型包括水利數(shù)據(jù)和網(wǎng)格模型。水利數(shù)據(jù)模型[8]是面向水利業(yè)務(wù)應(yīng)用多目標(biāo)、多層次復(fù)雜需求，構(gòu)建的完整描述水利對(duì)象的空間、業(yè)務(wù)、關(guān)系和時(shí)間特征一體化組織的數(shù)據(jù)模型，在技術(shù)上破解了傳統(tǒng) GIS 數(shù)據(jù)組織僅顧及空間關(guān)系的限制，業(yè)務(wù)上突破了信息組織受業(yè)務(wù)片面性影響的局限性，具有松耦合組織和可擴(kuò)展性特點(diǎn)。水利網(wǎng)格模型是根據(jù)行政區(qū)劃、自然流域、水資源功能區(qū)和數(shù)值計(jì)算等需求構(gòu)建的網(wǎng)格化管理模型，實(shí)現(xiàn)流域防洪、水資源管理與調(diào)配等水利業(yè)務(wù)的網(wǎng)格化聯(lián)動(dòng)。

數(shù)據(jù)引擎主要包括數(shù)據(jù)匯聚、治理、挖掘、服務(wù)等內(nèi)容。數(shù)據(jù)匯聚通過(guò)構(gòu)建涵蓋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯集、視頻級(jí)聯(lián)集控、遙感接收處理等數(shù)據(jù)管理的平臺(tái)化能力，為模型和知識(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐；數(shù)據(jù)治理對(duì)匯集后的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一清洗和管理，提升數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性、可用性，避免數(shù)據(jù)冗余和沖突，包括數(shù)據(jù)的模型管理、血緣關(guān)系建立、清洗融合、質(zhì)量管理、開(kāi)發(fā)管理及元數(shù)據(jù)管理等；數(shù)據(jù)挖掘運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等方法從數(shù)據(jù)資源中發(fā)現(xiàn)物理流域全要素之間存在的關(guān)系和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程的規(guī)律，通過(guò)圖形、圖像、地圖、動(dòng)畫(huà)等方式展現(xiàn)，包括描述性、診斷性、預(yù)測(cè)性和因果性分析等；數(shù)據(jù)服務(wù)依托已有國(guó)家和水利行業(yè)的數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)在各級(jí)水行政主管部門(mén)之間的上報(bào)、下發(fā)與同步，以及與其他行業(yè)之間的共享，包括數(shù)據(jù)地圖服務(wù)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)資源目錄、問(wèn)題反饋、服務(wù)共享和管控等。

3.2 模型平臺(tái)

《技術(shù)大綱》提出了按照“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、云服務(wù)”的要求，制定模型平臺(tái)開(kāi)發(fā)、模型調(diào)用、共享和接口等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保障各類(lèi)模型的通用化封裝及模型接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以微服務(wù)方式提供統(tǒng)一調(diào)用服務(wù)，供各級(jí)單位進(jìn)行調(diào)用。主要包括水利專(zhuān)業(yè)、智能識(shí)別、可視化模型和模擬仿真引擎。

水利專(zhuān)業(yè)模型包括以下 3 類(lèi)模型：1）機(jī)理分析模型是基于水循環(huán)自然規(guī)律，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和方法描述物理流域的要素變化、活動(dòng)規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)是水利專(zhuān)業(yè)模型建設(shè)的重點(diǎn)；2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)物理流域要素之間的關(guān)系并進(jìn)行分析預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型；3）混合模型是將機(jī)理分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行相互嵌入、系統(tǒng)融合的數(shù)學(xué)模型。按照具體的應(yīng)用場(chǎng)景，水利專(zhuān)業(yè)模型主要有水文、水資源、水生態(tài)環(huán)境、水力學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)、水土保持、水利工程安全等模型。

智能識(shí)別模型將人工智能與水利特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象特征的自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)一步提升水利感知能力，包括遙感、視頻、語(yǔ)音等識(shí)別。

可視化模型包括自然背景、流場(chǎng)動(dòng)態(tài)、水利工程、水利機(jī)電設(shè)備等，通過(guò)對(duì)各類(lèi)模型進(jìn)行可視化構(gòu)建，面向具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用真實(shí)展現(xiàn)物理流域中各種水利業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

模擬仿真引擎是以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，具有數(shù)據(jù)底板加載、場(chǎng)景管理、模擬仿真、空間分析、三維渲染等服務(wù)能力，結(jié)合水利專(zhuān)業(yè)模型計(jì)算過(guò)程及結(jié)果，進(jìn)行仿真模擬，包括物理工程的同步直觀表達(dá)、工程建設(shè)運(yùn)行全過(guò)程高保真模擬、支撐數(shù)字孿生體與物理體的交互分析、支持工程安全前瞻預(yù)演、工程安全應(yīng)急預(yù)案動(dòng)態(tài)模擬等典型功能。以流域防洪為例，可實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供三維展示、三維計(jì)算、洪水淹沒(méi)分析、預(yù)報(bào)結(jié)果模擬仿真等服務(wù)。當(dāng)前，以 GIS 平臺(tái)、游戲引擎為代表的兩大模擬仿真技術(shù)路線(xiàn)各有所長(zhǎng)，現(xiàn)有各類(lèi)產(chǎn)品的功能模塊、程序架構(gòu)、擴(kuò)展接口、模型格式、底層實(shí)現(xiàn)等的理解和定義各不相同，造成通用化程度低，相互移植困難，水利部正在開(kāi)展相關(guān)研究以確定統(tǒng)一的技術(shù)要求。

3.3 知識(shí)平臺(tái)

知識(shí)平臺(tái)利用知識(shí)圖譜和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水利對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系和水利規(guī)律等知識(shí)的抽取、管理和組合應(yīng)用，為數(shù)字孿生流域提供智能內(nèi)核，支撐正向智能推理和反向溯因分析，主要包括水利知識(shí)和水利知識(shí)引擎。其中，水利知識(shí)提供描述原理、規(guī)律、規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)、技能、方法等的信息，水利知識(shí)引擎是組織知識(shí)、進(jìn)行推理的技術(shù)工具，水利知識(shí)經(jīng)知識(shí)引擎組織、推理后形成支撐研判和決策的知識(shí)圖譜或知識(shí)庫(kù)。知識(shí)平臺(tái)應(yīng)關(guān)聯(lián)到可視化模型和模擬仿真引擎，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)知識(shí)和推理結(jié)果的可視化。水利知識(shí)為決策分析提供支撐信息，包括水利對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系、業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史場(chǎng)景、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和預(yù)報(bào)調(diào)度方案等。水利知識(shí)引擎主要實(shí)現(xiàn)水利知識(shí)表示、抽取、融合、推理和存儲(chǔ)等功能。

3.4 水利感知網(wǎng)

《技術(shù)大綱》提出了水利感知網(wǎng)應(yīng)圍繞數(shù)字孿生流域和“2 +N”水利業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，利用傳感、定位、視頻、遙感等監(jiān)測(cè)技術(shù)，擴(kuò)大對(duì)物理流域的監(jiān)測(cè)范圍，補(bǔ)充完善監(jiān)測(cè)要素類(lèi)型和數(shù)據(jù)內(nèi)容。主要包括傳統(tǒng)和新型水利監(jiān)測(cè)網(wǎng)，宜采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)等網(wǎng)絡(luò)為主，北斗短報(bào)文、5G、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）、紫蜂協(xié)議（ZigBee）、遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)電（LoRa）等為輔的通信方式，與水利信息網(wǎng)建立安全連接。在時(shí)間、數(shù)據(jù)敏感或帶寬資源占用巨大的監(jiān)測(cè)告警，智能圖像，AR 等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中構(gòu)建邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，與水利云等計(jì)算資源互聯(lián)互通，有機(jī)結(jié)合。

傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)站網(wǎng)應(yīng)以數(shù)字孿生流域建設(shè)為目標(biāo)，牽引物理流域的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行，通過(guò)優(yōu)化站點(diǎn)布局、升級(jí)改造傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍、增設(shè)監(jiān)測(cè)要素、增加數(shù)據(jù)傳輸頻次，推進(jìn)自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信息采集提檔升級(jí)，促進(jìn)物理流域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)建設(shè)和高頻乃至在線(xiàn)運(yùn)行，為數(shù)字孿生流域的高保真建設(shè)運(yùn)行提供基礎(chǔ)算據(jù)。另外，需進(jìn)一步完善現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)雨情、水情、工情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，合理新建站點(diǎn)，考慮模型和參數(shù)率定等因素，還可設(shè)立試驗(yàn)站點(diǎn)，明確各類(lèi)數(shù)據(jù)采集方式、范圍、頻次。

針對(duì)新型水利監(jiān)測(cè)網(wǎng)，提出了要加強(qiáng)衛(wèi)星遙感、航空遙感、高清視頻、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、地面和水下機(jī)器人等新型監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用，提升水利管理活動(dòng)的動(dòng)態(tài)感知能力，滿(mǎn)足水利業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)和信息在空間尺度、時(shí)間頻次等方面的需求。除日常業(yè)務(wù)外，還應(yīng)具備快速掌握潰壩、決堤、滑坡、堰塞湖及超標(biāo)洪水等各類(lèi)涉水險(xiǎn)情現(xiàn)場(chǎng)情況的能力。

3.5 水利信息網(wǎng)

水利信息網(wǎng)主要包括水利業(yè)務(wù)網(wǎng)和工控網(wǎng)。水利業(yè)務(wù)網(wǎng)包括廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、部門(mén)網(wǎng)，其中廣域網(wǎng)包括骨干網(wǎng)、流域省區(qū)網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)等。水利工控網(wǎng)應(yīng)與水利業(yè)務(wù)網(wǎng)物理隔離，宜分為實(shí)時(shí)控制區(qū)和過(guò)程監(jiān)控區(qū)。《技術(shù)大綱》提出了要開(kāi)展水利信息網(wǎng)通信能力提升建設(shè)，優(yōu)化調(diào)整骨干網(wǎng)和流域省區(qū)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行 IPv6 適配改造。擴(kuò)大互聯(lián)網(wǎng)連接帶寬，支撐與社會(huì)公眾、企業(yè)的信息交互與服務(wù)。整合共享互聯(lián)網(wǎng)接入，縮減互聯(lián)網(wǎng)接入端口數(shù)量。充分考慮面向下一代網(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)容需求，積極利用網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配能力。在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，按照業(yè)務(wù)應(yīng)用需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行自適應(yīng)引導(dǎo)和質(zhì)量保證，提高業(yè)務(wù)靈活調(diào)度能力。

3.6 水利云

對(duì)于水利云的建設(shè)，《技術(shù)大綱》提出了水利云可采用自建云、共享行業(yè)云和政務(wù)云等方式，主要包括一級(jí)、二級(jí)水利云及水利工程管理單位計(jì)算存儲(chǔ)資源。其中一級(jí)水利云應(yīng)包括基礎(chǔ)計(jì)算與存儲(chǔ)、高性能計(jì)算、人工智能計(jì)算、災(zāi)備中心、視頻會(huì)議和會(huì)商調(diào)度等內(nèi)容。明確提出了二級(jí)水利云應(yīng)整合利用已有基礎(chǔ)設(shè)施資源，適當(dāng)擴(kuò)充計(jì)算存儲(chǔ)能力，充分依托地方政務(wù)云、行業(yè)云，實(shí)現(xiàn)同城或異地災(zāi)備，進(jìn)一步擴(kuò)展優(yōu)化機(jī)房環(huán)境、提檔升級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備，建設(shè)完善視頻會(huì)議系統(tǒng)和會(huì)商調(diào)度中心。針對(duì)水利過(guò)程管理單位計(jì)算存儲(chǔ)，《技術(shù)大綱》提出應(yīng)根據(jù)數(shù)字孿生水利工程的需要，充分整合利用已有基礎(chǔ)設(shè)施資源，提檔升級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)能力，進(jìn)一步擴(kuò)展優(yōu)化機(jī)房環(huán)境，建設(shè)完善會(huì)商調(diào)度中心。

4 數(shù)據(jù)安全

《技術(shù)大綱》指出了數(shù)字孿生流域建設(shè)過(guò)程中，隨著海量數(shù)據(jù)的不斷匯聚，數(shù)據(jù)價(jià)值不斷提升，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，數(shù)據(jù)面臨新的安全風(fēng)險(xiǎn)。要高度關(guān)注數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)安全，確保數(shù)據(jù)處于有效保護(hù)和合法利用的狀態(tài)，具備保障持續(xù)安全狀態(tài)的能力。要圍繞數(shù)據(jù)活動(dòng)全流程構(gòu)建一套從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、使用、加工、傳輸、提供、銷(xiāo)毀的全生命周期數(shù)據(jù)安全防護(hù)體系，具備敏感數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)脫敏、權(quán)限管控、異常檢測(cè)、審計(jì)監(jiān)測(cè)預(yù)警等數(shù)據(jù)安全能力，確保數(shù)字孿生流域建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全。

依據(jù)《測(cè)繪地理信息管理工作國(guó)家秘密范圍的規(guī)定》（自然資發(fā)〔2020〕95號(hào)），數(shù)字孿生流域建設(shè)形成的部分高精度地理空間數(shù)據(jù)成果涉及國(guó)家秘密，應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定在涉密環(huán)境使用。確需在非涉密環(huán)境進(jìn)行應(yīng)用的部分?jǐn)?shù)據(jù)成果，應(yīng)按照《自然資源部辦公廳關(guān)于推進(jìn)地理信息保密技術(shù)研發(fā)和服務(wù)工作的通知》（自然資辦發(fā)〔2021〕22 號(hào)）要求，采取國(guó)家認(rèn)定的地理信息保密處理技術(shù)進(jìn)行處理并履行相應(yīng)審查程序，在使用過(guò)程中還應(yīng)采取密碼保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等多種技術(shù)手段，確保地理空間數(shù)據(jù)成果安全。上述地理空間數(shù)據(jù)需公開(kāi)使用的，還應(yīng)依據(jù)《地圖管理?xiàng)l例》第十五條規(guī)定要求，報(bào)送有審核權(quán)的測(cè)繪地理信息行政主管部門(mén)審核。

5 集成共享

針對(duì)數(shù)據(jù)孿生流域建設(shè)過(guò)程中的集成共享，《技術(shù)大綱》提出了數(shù)字孿生流域建設(shè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境可選擇分布式或集中式等開(kāi)發(fā)模式實(shí)現(xiàn)各功能模塊的集成；應(yīng)遵循《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》，按照分工進(jìn)行任務(wù)建設(shè)、成果共享、集成組裝；應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的基于云架構(gòu)、兼顧多源數(shù)據(jù)特征、分級(jí)運(yùn)行的數(shù)字孿生流域原型系統(tǒng)。其中信息化基礎(chǔ)設(shè)施宜參照基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）模式建設(shè)；數(shù)字孿生平臺(tái)宜參照平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）模式建設(shè)；“四預(yù)”功能實(shí)現(xiàn)和“2 +N”智能業(yè)務(wù)應(yīng)用宜參照軟件即服務(wù)（SaaS）模式建設(shè)，最終通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)、消息隊(duì)列、數(shù)據(jù)庫(kù)同步、文件交換等方式，實(shí)現(xiàn)流域、區(qū)域、工程之間集成共享。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)和實(shí)踐處于快速發(fā)展階段，《技術(shù)大綱》為試行版，在執(zhí)行過(guò)程中將根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行更新完善。為了確保形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、融合發(fā)展，避免各自為政、低水平重復(fù)建設(shè)，有力有序有效開(kāi)展建設(shè)工作，應(yīng)充分依托現(xiàn)有水利信息化資源，杜絕低水平重復(fù)建設(shè)。當(dāng)前，水利部正在組織開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作，將先行先試建設(shè)的良好經(jīng)驗(yàn)在全國(guó)廣泛推廣，為各省市地區(qū)、各重點(diǎn)水利工程的數(shù)字孿生建設(shè)提供借鑒，為持續(xù)完善《技術(shù)大綱》提供實(shí)踐指導(dǎo)，為下一步在全行業(yè)開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)提供技術(shù)參考。