提升數字孿生流域建設“四預”能力

劉志雨

（水利部信息中心，100053，北京）

對表對標習近平總書記關于網絡強國的重要思想和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，貫徹落實黨中央國務院重大決策部署，水利部黨組將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發(fā)展的六條實施路徑和最顯著標志之一，數字孿生流域建設已成為推進智慧水利建設的核心與關鍵。水利部部長李國英布局智慧水利頂層設計，多次專題研究部署數字孿生流域建設工作，要求按照“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，以算據、算法、算力建設為支撐，以數字化場景、智能化模擬、精準化決策為路徑，大力建設數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程，全面構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水利體系，為全面提升國家水安全保障能力提供強有力技術支撐。當前，全國各級水利部門已將建設數字孿生流域列入重要工作議程。伴隨著數字孿生技術快速發(fā)展，數字孿生流域建設將為新階段智慧水利的發(fā)展注入新動能。

一、推進數字孿生流域建設的背景與意義

1.世界進入數字化時代

當前，5G、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能、數字孿生等新一代信息技術快速發(fā)展，推動著全球進入數字科技時代，水利發(fā)展向數字化、網絡化、智能化轉變的技術條件已經具備。

2.推動社會發(fā)展的強大動力

數字孿生有系統(tǒng)性、復雜性、全生命周期、實時雙向、可調控性等典型特征。近年來，數字孿生技術已廣泛應用于電力、醫(yī)療、物流、交通、城市管理、建筑等領域，其不僅是推動數字化轉型和智能化升級的戰(zhàn)略性技術，也是發(fā)展新模式、轉型新路徑和推動行業(yè)深刻變革的強大動力。我國《“十四五”國家信息化規(guī)劃》提出探索建設數字孿生城市，《“十四五”水安全保障規(guī)劃》提出要推進數字孿生流域建設。

3.流域具有數字孿生應用基礎

流域是一個龐大復雜的復合系統(tǒng)，其既是氣候、土壤、水、生物等自然生態(tài)因子分布區(qū)域，也是人類經濟社會活動承載區(qū)域，流域內自然、經濟、社會、文化多要素緊密關聯(lián)。

流域具有多目標要求。流域中防洪、供水、灌溉、發(fā)電、航運、生態(tài)環(huán)境等多目標相互交織，組成了利益相關體，需要確保工程體系多目標聯(lián)合調度做到整體最優(yōu)。

流域具有可決策、可調控特性。統(tǒng)籌考慮上下游、左右岸、干支流水量變化，對河道堤防、水庫、蓄滯洪區(qū)等水工程進行聯(lián)合調度，作出系統(tǒng)性精細安排與科學決策，實現(xiàn)精準調控。

4.新階段水利高質量發(fā)展的顯著標志

高質量發(fā)展以科技創(chuàng)新和數字化變革催生新發(fā)展動能。數字賦能是新階段水利高質量發(fā)展的必然要求，為水治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供新路徑。建設數字孿生流域，原則是堅持需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力，目標是實現(xiàn)數字化場景、智慧化模擬、精準化決策，核心任務是加強算據、算法、算力“三算”建設。

5.智慧水利建設的核心和關鍵

建設數字孿生流域，即以物理流域為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理全過程進行數字化映射、智能化模擬，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。數字孿生流域建設可實現(xiàn)對物理流域實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調度，最終達到風險提前發(fā)現(xiàn)、預警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施，確保水利決策精準安全有效。

6.強化時代責任的要求

智慧水利建設已列入多項國家規(guī)劃，推進數字孿生流域建設是落實黨中央、國務院決策部署的必然要求。流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性，治水管水必須以流域為單元，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理“四統(tǒng)一”，推進數字孿生流域建設是強化流域“四統(tǒng)一”治理管理的迫切要求。大數據、人工智能、數字孿生等新一代信息技術與水利業(yè)務深度融合，可充分發(fā)揮信息技術支撐驅動作用，大力提升水利決策與管理數字化、網絡化、智能化水平，推進數字孿生流域建設是水利行業(yè)適應新一代信息技術發(fā)展的現(xiàn)實需要。

二、數字孿生流域賦能業(yè)務“四預”的思考與實踐

1.組成

數字孿生流域建設框架由信息化基礎設施和數字孿生平臺組成。信息化基礎設施由水利感知網、水利信息網、水利云等構成。數字孿生平臺由數據底板、模型平臺、知識平臺等構成。數據底板是基礎，模型是關鍵。

2.主要技術

主要有遙感、定位等感知技術，物聯(lián)網、5G等信息傳輸技術，云計算、邊緣計算、GIS（地理信息系統(tǒng)）、BIM（建筑信息模型）等數據計算存儲技術，數字化映射、可視化、智能識別、精細化/智能預報等模型相關技術，知識圖譜、機器學習、人工智能等知識相關技術。

3.“四預”是“2+N”水利智能業(yè)務應用的重要功能

精準超前預報。預報是基礎，建立以流域為單元的多維多時空全要素預報體系，為預警工作贏得先機。

快速直達預警。預警是前哨，建立多種類、多渠道水旱災害預警體系，將預警信息直達水利工作一線和受影響區(qū)域社會公眾，為啟動預演提供指引。

前瞻科學預演。預演是關鍵，構建全過程、多情景模擬仿真防災預演體系，通過預演為預案制定提供支撐。

細化實化預案。預案是目的，在預演結果基礎上分析評估，滾動調整水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，迭代優(yōu)化運行調度方案。

4.數字孿生賦能業(yè)務“四預”

以流域防洪為例，探索數字孿生技術賦能“四預”實現(xiàn)途徑，主要按照“需求牽引，應用至上”思考流域防汛“四預”業(yè)務應用對感知體系、數據底板、模型和知識等需求。

在感知方面，要構建天、空、地一體化水利感知網，通過優(yōu)化提檔水文、水資源、河床演變、水利工程等地面監(jiān)測，進一步完善地下水監(jiān)測站網，加強衛(wèi)星、無人機、無人船等載體遙感監(jiān)測，提升應急監(jiān)測能力，推進物理流域監(jiān)測系統(tǒng)的科學建設和高頻乃至在線運行，為數字孿生流域提供精準物理參數和現(xiàn)實約束條件，保持數字孿生流域與物理流域精準性、同步性、及時性。在數據方面，要夯實算據基礎，按照全國、流域、重要水利工程，分級構建全國統(tǒng)一、及時更新的數據底板（地理空間數據、基礎數據、監(jiān)測數據、業(yè)務管理數據、跨行業(yè)共享數據），為數字孿生流域建設提供詳實基礎底圖。數據底板提供防汛“四預”需要的各類數據，包括水雨工情數據、下墊面資料、DEM（數字高程模型）等。

在模型方面，要優(yōu)化算法模型，建設包括水利專業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型等內容的模型平臺，為“智能化模擬”提供關鍵性技術支撐。在支撐防汛“四預”方面，模型平臺可提供分布式水文模型，變參數模型和實時反饋校正模型等。

在知識方面，要豐富知識平臺，建設包括知識圖譜、歷史場景模式、業(yè)務規(guī)則、專家經驗、智能引擎等內容的知識平臺，為“精準化決策”提供技術支撐。在支撐防汛“四預”方面，知識平臺可提供預報方案庫、歷史場景庫等。

5.典型案例分析

①2020年7月淮河超標準洪水“預報”。受強降雨影響，2020年7月淮河發(fā)生流域性較大洪水，正陽關以上發(fā)生區(qū)域性大洪水，7月20日8:30王家壩站最高水位29.75 m（濛洼蓄滯洪區(qū)分洪運用后），超保0.45 m。水文部門依據7月19日20時雨水情，預報王家壩最高水位不超過29.60 m（不分洪時）。隨后依據7月20日5時雨水情，預報王家壩最高水位將達到29.90 m（不分洪時）。復盤總結發(fā)現(xiàn)，存在的主要問題是洪水預報預見期短，究其原因是未掌握洪家灣圩潰決信息，水位流量關系曲線變化、歷史洪災知識未有效利用。為此在感知方面，加強視頻監(jiān)視監(jiān)測，實現(xiàn)洪家灣圩潰口風險及時感知；在數據方面，加強遙感監(jiān)測，實現(xiàn)流域下墊面條件及時更新；在模型方面，構建考慮頂托影響的水動力學模型，提高水位預報精度；在知識方面，分析掌握2003年、2007年洪水先緩后陡漲率變化規(guī)律，建立暴雨洪水模式庫等。

②四川省北川縣2022年“7·16”山洪災害“預警”。2022年7月16日0—8時，四川省綿陽市北川縣青片鄉(xiāng)和白什鄉(xiāng)區(qū)域（面積695 km2）遭遇極端強降雨，最大降雨量達110 mm，白什場鎮(zhèn)白水溝（涪江三級支流）發(fā)生山洪泥石流災害，造成人員傷亡。初步分析災害原因是泥石流攜帶物嚴重淤塞河道導致河道水位抬高以及因橋梁淤塞造成阻水。為此，在感知方面，加強高時空分辨率遙感監(jiān)測，實時橋梁淤塞及時感知；知識方面，建立雨量預警指標、動態(tài)調整閾值；模型方面，構建山洪泥石流模型；預案方面，實現(xiàn)專人值班值守、及時風險警示措施。

③黃河2021年嚴重秋汛防洪調度“預演預案”。受2021年8月下旬至10月上旬持續(xù)秋雨影響，黃河中下游連續(xù)發(fā)生3次編號洪水，渭河、伊洛河、沁河發(fā)生有實測資料以來秋季最大洪水，黃河中游花園口水文站還原洪峰流量為1949年以來秋季洪水第一位。水利部信息中心研發(fā)了黃河小浪底、沁河河口村、伊洛河陸渾、故縣四座水庫聯(lián)合調度系統(tǒng)，為制定防洪調度預案提供了有力支撐，但也存在一些問題與不足。為此，在模型方面，需研發(fā)并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)水工程群優(yōu)化調度模型；在知識方面，要集成水工程調度業(yè)務規(guī)則；在業(yè)務應用方面，要研發(fā)洪水預報調度一體化系統(tǒng)，即水工程防災聯(lián)合調度系統(tǒng)。

三、關于數字孿生流域的認識與體會

1.數字孿生不僅是技術，更是數字化管理理念

在技術上，數字孿生具有非常龐大的技術體系；在工作上，數字孿生是推進業(yè)務流程優(yōu)化再造、模式重構、制度重塑的驅動引擎，是推進政府治理體系和治理能力現(xiàn)代化客觀要求。

2.數字孿生是新型基礎設施

水利感知網是重要基礎，推進水利現(xiàn)代化從水文現(xiàn)代化開始。數據底板不僅僅是地理空間數據，也是數字孿生流域的重要組成部分。模型、知識是核心和關鍵，智能模擬靠模型，網絡安全和數據安全是行業(yè)“底線”。

3.數字孿生是智慧水利建設的核心和關鍵

數字孿生流域邏輯上不包括業(yè)務應用，但與業(yè)務應用形成互饋作用。建設數字孿生流域目的是實現(xiàn)對物理流域進行實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調度，最終達到風險提前發(fā)現(xiàn)、預警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實施，確保水利決策精準安全有效。

4.建設數字孿生流域要堅持“需求牽引、應用至上”

要把牢“需求牽引、應用至上，數字賦能、提升能力”要求，采取頂層謀劃、分步實施、先行先試，小步快跑、邊建邊用策略，堅持“統(tǒng)一標準、互聯(lián)共享，風險可控、安全可靠”原則，加快建設數字孿生流域。

5.“四預”是水利業(yè)務應用的重要功能

要強化預報、預警、預演、預案能力?！邦A報”是基礎，“預警”是前哨，“預演”是關鍵，“預案”是目的。

6.數字孿生流域建設面臨難得歷史機遇與挑戰(zhàn)

水利行業(yè)要自覺把數字孿生流域建設工作放在行業(yè)全局、國家大局中考量，不斷加強行業(yè)指導和自身建設；整合資源，強化運維，積極籌措資金；加強復合型人才隊伍建設。設計、科研院所要做好規(guī)劃設計與實施，加強大數據、數字孿生、人工智能等前沿技術科研攻關，開展關鍵急用標準研究。高新企業(yè)要加強產業(yè)技術自主創(chuàng)新，打造數字孿生核心競爭技術產品。其他部門之間要推進行業(yè)間戰(zhàn)略合作，做好溝通交流與數據資源共享?！?/p>