數(shù)字孿生黃河建設(shè)挑戰(zhàn)與推進(jìn)舉措

李亮亮，黃志

（黃河水利委員會(huì)信息中心，450003，鄭州）

黃河是中華民族的母親河，保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計(jì)。中華人民共和國成立后，在黨中央堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，沿黃軍民和黃河建設(shè)者開展了大規(guī)模的黃河治理保護(hù)工作，取得了舉世矚目的成就，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和百姓生活發(fā)生了很大變化。水沙治理取得顯著成效，防洪減災(zāi)體系基本建成，保障了伏秋大汛歲歲安瀾。生態(tài)環(huán)境持續(xù)明顯向好，水土流失綜合防治成效顯著，生態(tài)環(huán)境明顯改善。水利部黃河水利委員會(huì)（以下簡稱“黃委”）通過“數(shù)字黃河”工程建設(shè)初步形成治黃信息化采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、資源整合共享、業(yè)務(wù)應(yīng)用體系?！笆濉逼陂g，黃委緊密圍繞黃河治理保護(hù)工作，不斷推進(jìn)信息技術(shù)與治黃業(yè)務(wù)融合，取得了明顯成效，初步構(gòu)建起“數(shù)字黃河”應(yīng)用框架。

一、短板與不足

黨中央將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略。面對黃河保護(hù)治理更高要求和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展要求，流域水治理體系和治理能力存在短板，治黃信息化支撐能力存在諸多不足：一是監(jiān)測感知能力明顯不足，現(xiàn)有站網(wǎng)布局、監(jiān)測要素和監(jiān)測手段與數(shù)字孿生黃河透徹感知的要求存在明顯差距。二是數(shù)據(jù)底板不完善，流域一張圖僅整合了水利對象基礎(chǔ)信息，缺少重點(diǎn)水利工程實(shí)體模型和場景。三是流域數(shù)學(xué)模型與智能算法仍有不足，洪水、泥沙預(yù)報(bào)及演進(jìn)模型研發(fā)還不能完全滿足要求，模型核心和關(guān)鍵作用體現(xiàn)不夠。四是服務(wù)于數(shù)字孿生流域的算力支撐能力亟須加強(qiáng)，已有黃河云計(jì)算存儲(chǔ)承載能力基本飽和，在線存儲(chǔ)使用率超80%，難以支撐精細(xì)化空間分析和場景構(gòu)建。四是業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化水平不高，大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)在治黃業(yè)務(wù)中應(yīng)用不足，現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)“四預(yù)”能力明顯不足。

二、面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

1.黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略對數(shù)字孿生黃河提出新要求

《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》指出要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)等技術(shù)手段，強(qiáng)化對水文、氣象、地災(zāi)、雨情、凌情、旱情等狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和科學(xué)分析，搭建綜合數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源跨地區(qū)跨部門互通共享，建設(shè)“智慧黃河”。數(shù)字孿生黃河是構(gòu)建“智慧黃河”的具體舉措，首先要理清數(shù)字孿生黃河總體框架，將數(shù)字孿生黃河建設(shè)劃分為數(shù)字孿生平臺(tái)、信息基礎(chǔ)設(shè)施、“2+N”智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全和保障體系，明確各層級(jí)建設(shè)任務(wù)，充分論證技術(shù)路線，扎實(shí)做好頂層設(shè)計(jì)。其次要明確數(shù)字孿生黃河建設(shè)布局，在充分共享水利部本級(jí)資源基礎(chǔ)上統(tǒng)籌黃河流域數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)及知識(shí)平臺(tái)、信息基礎(chǔ)設(shè)施、業(yè)務(wù)應(yīng)用等重點(diǎn)工程建設(shè)。

2.水利高質(zhì)量發(fā)展對數(shù)字孿生黃河提出新需求

水利部黨組全面落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，指出智慧水利是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志，黃委黨組提出提升流域水安全保障能力要實(shí)施“八大行動(dòng)”，其中要求加強(qiáng)數(shù)字孿生黃河建設(shè)，提升科學(xué)精準(zhǔn)決策支撐能力。需要從構(gòu)建數(shù)字孿生流域的角度按照“需求牽引、應(yīng)用至上”原則，分析應(yīng)用場景，提煉業(yè)務(wù)需求。一是要支撐流域全面、快速比對不同規(guī)劃方案目標(biāo)、效果和影響，確定最優(yōu)規(guī)劃方案，提高規(guī)劃科學(xué)性、合理性、可行性。二是要支撐預(yù)演工程項(xiàng)目建設(shè)方案，評(píng)估工程與規(guī)劃方案符合性，分析工程對周邊環(huán)境和流域整體影響，統(tǒng)籌工程布局。三是要支撐預(yù)演洪水行跡路徑，洪峰、洪量、過程動(dòng)態(tài)調(diào)整防洪調(diào)度方案，確保工程體系多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，做到整體最優(yōu)。四是通過數(shù)字孿生流域，動(dòng)態(tài)掌握水資源利用、河湖“四亂”、生態(tài)環(huán)境、水土流失、水利設(shè)施毀壞等情況加強(qiáng)信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，為依法實(shí)施流域統(tǒng)一管理提供技術(shù)支持。

3.現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展為數(shù)字孿生黃河提供新機(jī)遇

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)治黃業(yè)務(wù)發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變的技術(shù)條件已經(jīng)具備。需要充分發(fā)揮新一代信息技術(shù)的支撐驅(qū)動(dòng)作用，扎實(shí)論證新一代信息技術(shù)與黃河保護(hù)治理業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用。一是要充分運(yùn)用衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機(jī)、傾斜攝影、智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)，全面感知流域各類涉水要素，充分獲取算據(jù)，建立干流中下游河段、伊洛河下游河段、沁河五龍口以下、渭河下游等重點(diǎn)河段及蓄滯洪區(qū)、水土流失防治區(qū)的數(shù)據(jù)底板。二是要及早制定數(shù)據(jù)匯集標(biāo)準(zhǔn)，采用物聯(lián)網(wǎng)、流計(jì)算、數(shù)據(jù)交換、人工填報(bào)、一點(diǎn)多發(fā)等多種手段，構(gòu)建數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)、視頻級(jí)聯(lián)集控平臺(tái)，匯聚融合流域省區(qū)自然資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、公安、交通等有關(guān)信息，形成數(shù)據(jù)資源體系。三是要深入研究流域自然規(guī)律，對黃河數(shù)學(xué)模型體系進(jìn)行摸底并根據(jù)數(shù)字孿生的要求進(jìn)行需求調(diào)研，優(yōu)化完善流域產(chǎn)匯流、水沙輸移等現(xiàn)有模型。四是要基于國產(chǎn)化環(huán)境，構(gòu)建適用于數(shù)字孿生流域的高效快速、安全可靠算力體系。

三、數(shù)字孿生流域建設(shè)思路

黃委黨組把數(shù)字孿生黃河建設(shè)作為今后一個(gè)時(shí)期黃河保護(hù)治理重點(diǎn)任務(wù)之一，以數(shù)字孿生黃河建設(shè)為牽引動(dòng)力，增強(qiáng)流域治理管理智慧化水平。聚焦全面提升流域水安全保障能力和強(qiáng)化流域統(tǒng)一治理管理，加快補(bǔ)好水安全預(yù)警監(jiān)測短板，把推進(jìn)數(shù)字孿生黃河建設(shè)當(dāng)作一場革命，集全河之力、全河之智推進(jìn)這項(xiàng)工作。

1.指導(dǎo)思想

堅(jiān)持“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的數(shù)字孿生黃河，全面提升黃河流域水安全保障能力現(xiàn)代化水平。

2.基本原則

①需求牽引，應(yīng)用至上。結(jié)合黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展要求，緊貼流域保護(hù)治理，全面分析防洪保安全、優(yōu)質(zhì)水資源、健康水生態(tài)和宜居水環(huán)境等方面治黃業(yè)務(wù)需求，以問題和目標(biāo)為導(dǎo)向，統(tǒng)籌謀劃推進(jìn)。

②頂層設(shè)計(jì)，分步實(shí)施。遵循“大系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)建設(shè)、模塊化鏈接”原則，從數(shù)字孿生流域的角度設(shè)計(jì)總體架構(gòu)，明確實(shí)施路線和要求。通盤考慮黃河保護(hù)治理業(yè)務(wù)應(yīng)用，優(yōu)先完善流域水旱災(zāi)害防御系統(tǒng)、水資源管理調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建重點(diǎn)區(qū)域數(shù)字孿生流域示范應(yīng)用，逐步覆蓋水土保持、河湖管理等。

③整合資源，智能決策。加強(qiáng)治黃信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)應(yīng)用整合與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)和充分共享；深度利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，有效提升綜合智能決策能力。

④實(shí)用先進(jìn)、安全高效。以實(shí)用為前提，充分運(yùn)用新一代信息通信技術(shù)和現(xiàn)代水科學(xué)技術(shù)，確保數(shù)字孿生黃河的前瞻性和先進(jìn)性。以安全為紅線，從物聯(lián)通信、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)應(yīng)用等全方位保障信息安全。

3.主要目標(biāo)

充分運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建成具備“四預(yù)”功能的智慧應(yīng)用體系，賦能黃河保護(hù)治理各項(xiàng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策，為新階段黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。

四、數(shù)字孿生黃河建設(shè)任務(wù)

以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑,突出黃河特色，急用先行、分步實(shí)施，建設(shè)數(shù)字孿生黃河。

1.數(shù)字化場景

積極推進(jìn)黃河流域全覆蓋水監(jiān)控系統(tǒng)立項(xiàng)并開展項(xiàng)目建設(shè)，獲取流域自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息，對物理流域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射，并實(shí)現(xiàn)即時(shí)更新和動(dòng)態(tài)交互；優(yōu)先開展下游“小浪底-艾山”河段數(shù)字孿生示范建設(shè)；構(gòu)建流域中下游重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)工程數(shù)字化映射。

2.智慧化模擬

在數(shù)字化場景基礎(chǔ)上集成耦合多維、多時(shí)空尺度水利模型，通過對各類模型進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和云服務(wù)升級(jí)，對一維和二維水力學(xué)模型、泥沙動(dòng)力學(xué)模型等進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化改造，提升模型模擬精度、運(yùn)行效率及穩(wěn)定性，支撐業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案模擬分析。通過流域中下游洪水預(yù)演系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)降水預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度和洪水演進(jìn)等成果高效集成，初步構(gòu)建黃河中下游洪水預(yù)演系統(tǒng)，為智慧化模擬提供平臺(tái)，形成黃河模擬仿真模型庫，提升智慧化水平。建設(shè)以水利對象和空間關(guān)系、水流關(guān)系、管理關(guān)系為主要內(nèi)容的黃河知識(shí)圖譜，完善歷史大洪水、旱災(zāi)、防洪專家經(jīng)驗(yàn)等數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建治黃知識(shí)平臺(tái)，支撐流域精準(zhǔn)化決策。

3.精準(zhǔn)化決策

以防洪調(diào)度預(yù)演為基礎(chǔ)優(yōu)化決策方案，為水工程調(diào)度管理提供智慧化、科學(xué)化技術(shù)支持。動(dòng)態(tài)掌握并實(shí)時(shí)更新流域水資源總量、實(shí)際用水量等信息，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量預(yù)測預(yù)報(bào)，用水限額、地下水等紅線指標(biāo)實(shí)時(shí)預(yù)警。通過遙感衛(wèi)星、GIS等技術(shù)，監(jiān)測河湖水域岸線，搭建時(shí)空數(shù)據(jù)分析模型，對河湖空間管理保護(hù)進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。結(jié)合水行政管理制度、規(guī)則以及基礎(chǔ)、歷史等數(shù)據(jù)，建設(shè)水政執(zhí)法規(guī)則模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，提升水政預(yù)報(bào)預(yù)警能力。建立水土保持業(yè)務(wù)的數(shù)字映射，提升水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、應(yīng)用與管理能力，實(shí)現(xiàn)黃河流域中游地區(qū)水土流失安全預(yù)警、水土流失過程模擬與預(yù)報(bào)。構(gòu)建水利綜合監(jiān)管平臺(tái)，研發(fā)水利監(jiān)督風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)“查、認(rèn)、改、罰”等環(huán)節(jié)全過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。

五、推進(jìn)措施

1.組織保障

按照全河一盤棋思想，建立健全綜合協(xié)調(diào)、責(zé)任明確、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的推進(jìn)協(xié)調(diào)機(jī)制，并逐級(jí)監(jiān)督落實(shí)。

2.資金保障

統(tǒng)籌利用既有資金渠道，利用中央預(yù)算內(nèi)投資、中央財(cái)政及地方財(cái)政等資金推進(jìn)建設(shè)。探索吸引社會(huì)資本，以政府購買服務(wù)等模式參與數(shù)字孿生黃河建設(shè)和運(yùn)營。保障系統(tǒng)升級(jí)、改造和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用落實(shí)，確保各個(gè)信息化系統(tǒng)正常運(yùn)行。完善并嚴(yán)格實(shí)施招標(biāo)投標(biāo)、政府采購政策，加強(qiáng)項(xiàng)目建設(shè)資金管理，確保資金使用效益。

3.先行先試

強(qiáng)化輻射引領(lǐng)，在重點(diǎn)領(lǐng)域、區(qū)域和關(guān)鍵技術(shù)上率先突破，推進(jìn)試點(diǎn)示范工作，帶動(dòng)數(shù)字孿生黃河不斷取得新突破。力爭在重點(diǎn)河段和工程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化映射、水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”、黃河中下游洪水預(yù)演、流域水資源監(jiān)測能力提升等方面率先實(shí)現(xiàn)突破。積極開展云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、北斗衛(wèi)星等應(yīng)用試點(diǎn)。

4.健全制度

完善體制機(jī)制，加強(qiáng)規(guī)章制度約束和指導(dǎo)力。針對數(shù)字孿生黃河工作中的突出問題，研究提出信息化建設(shè)發(fā)展整體統(tǒng)籌的前置審核機(jī)制，建立項(xiàng)目審批、上報(bào)文件會(huì)簽制度；研究建立工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督和后評(píng)估等制度。研究確定智慧水利建設(shè)和運(yùn)維的推進(jìn)策略及保障機(jī)制，形成完備規(guī)范的工作體系和順暢合理的管理機(jī)制，提出科學(xué)的建設(shè)管理體制、長效的運(yùn)行保障機(jī)制、合理的考核監(jiān)督機(jī)制和技術(shù)合作與人才培養(yǎng)機(jī)制。

5.開放合作

充分利用“外腦”，集中各行各業(yè)人才智力等資源，聯(lián)合和引入有經(jīng)驗(yàn)、有實(shí)力的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)參與到數(shù)字孿生黃河規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施等階段，保證智慧水利的先進(jìn)性。發(fā)揮政府部門、學(xué)術(shù)團(tuán)體、科研院校及高新技術(shù)企業(yè)各方優(yōu)勢，推進(jìn)技術(shù)研究、成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用推廣?！?/p>