數(shù)字孿生流域建設(shè)的思路探討

蘇文松，姜歆，馬放

（1.淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.水利部淮河水利委員會(huì)，安徽 蚌埠 233001）

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生已成為各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并以實(shí)時(shí)同步、虛實(shí)映射、高保真度等特性為強(qiáng)化流域治理管理提供了一種新的思路。

1 關(guān)于數(shù)字孿生流域

數(shù)字孿生核心是通過信息空間和物理空間的無縫集成與實(shí)時(shí)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間對(duì)象的全生命周期管控。數(shù)字孿生與流域治理管理的結(jié)合推動(dòng)了數(shù)字孿生流域的誕生。

2021 年我國(guó)公布國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，明確提出要加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國(guó)，“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”。在水利部“三對(duì)標(biāo)、一規(guī)劃”專項(xiàng)行動(dòng)總結(jié)大會(huì)和推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會(huì)議上，李國(guó)英部長(zhǎng)指出，數(shù)字孿生流域是以物理流域?yàn)閱卧?、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)字模型為核心、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全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，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。2022 年以來，水利部先后出臺(tái)《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》等系列文件，為各級(jí)水利部門智慧水利建設(shè)提供了基本技術(shù)遵循。

2 數(shù)字孿生流域建設(shè)

2.1 建設(shè)數(shù)字化場(chǎng)景

數(shù)字化場(chǎng)景的建設(shè)是以時(shí)空數(shù)據(jù)為底座，能夠反映物理流域、流域治理管理業(yè)務(wù)工作中各種要素，以物理流域要素演變過程、流域治理管理過程的數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生流域資源、方法重塑的業(yè)務(wù)流程，最終實(shí)現(xiàn)“全要素”“全過程”的映射目標(biāo)。

數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)要反映全要素。數(shù)據(jù)要素是數(shù)字化場(chǎng)景的基礎(chǔ)，也是數(shù)字孿生流域建設(shè)的重要前提，從二十世紀(jì)七八十年代起，我國(guó)水利信息化建設(shè)不斷發(fā)展，工程監(jiān)測(cè)、水文站網(wǎng)等不斷完善和發(fā)展，為數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)數(shù)據(jù)要素采集奠定了基礎(chǔ)，但仍存在感知體系不全、站網(wǎng)密度不足、信息化程度不高等問題，難以滿足全要素映射需求。同時(shí)，現(xiàn)有數(shù)字孿生技術(shù)大綱對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等5 類數(shù)據(jù)的界定還不夠清晰，數(shù)據(jù)類型、標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，一致性和準(zhǔn)確性難以保證，數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制還不健全，影響數(shù)字孿生流域底板建設(shè)和維護(hù)。對(duì)此，需要從流域?qū)用嫔辖y(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，完善地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、布局、密度，強(qiáng)化衛(wèi)星遙感解譯等新型監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用，健全數(shù)據(jù)共建共享機(jī)制，避免信息孤島，做到一數(shù)一源、一數(shù)多用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有條件下滿足數(shù)字孿生流域建設(shè)要求的全要素映射。

數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)要體現(xiàn)全過程。數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建需要體現(xiàn)現(xiàn)有工作流程，更應(yīng)體現(xiàn)基于孿生流域平臺(tái)再造的工作流程。水利信息化建設(shè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了一套適合我國(guó)水利實(shí)際的治理管理業(yè)務(wù)流程，這是一筆寶貴的經(jīng)驗(yàn)財(cái)富，在數(shù)字孿生流域建設(shè)中也應(yīng)予以繼承和發(fā)展。同時(shí)，水利業(yè)務(wù)流程也不僅僅是簡(jiǎn)單的還原重現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智慧化水平的不斷提高，當(dāng)前業(yè)務(wù)流程亟需以數(shù)字孿生流域建設(shè)為依托，用數(shù)字孿生的思維和方法對(duì)流程進(jìn)行再造，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化升級(jí)，通過數(shù)字孿生與業(yè)務(wù)應(yīng)用的虛實(shí)交互，不斷提高流域治理管理水平，更好適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要。

2.2 進(jìn)行智慧化模擬

智慧化模擬是在已建數(shù)字化場(chǎng)景中，以模型、知識(shí)為核心和驅(qū)動(dòng)力，將流域現(xiàn)狀、治理管理可視化呈現(xiàn)，并以此對(duì)未來進(jìn)行仿真、預(yù)演，最終實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互。

模型平臺(tái)基于數(shù)據(jù)底板，借助水利專業(yè)模型分析流域物理要素演變，利用智能識(shí)別模型增強(qiáng)流域感知能力，以模擬仿真引擎模擬水情發(fā)展，最終通過可視化模型動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，為數(shù)字孿生流域提供“算法”。構(gòu)建模型平臺(tái)中水利專業(yè)模型建設(shè)，一方面要對(duì)流域內(nèi)適用性好的傳統(tǒng)模型予以保留繼承，按照數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)要求，進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、云服務(wù)”升級(jí)改造。另一方面要大力推進(jìn)水利專業(yè)模型技術(shù)攻關(guān)，深化對(duì)于產(chǎn)匯流機(jī)理、洪水形成演進(jìn)規(guī)律、水庫群優(yōu)化調(diào)度等流域規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)，創(chuàng)新研發(fā)信息化、數(shù)字化、智能化水利專業(yè)模型，同時(shí)要注重模型“共建共享”，提高模型的通用性和國(guó)產(chǎn)化程度，避免重復(fù)建設(shè)。另外對(duì)于可視化模型建設(shè)，其目的應(yīng)是使人們能夠更加直觀、準(zhǔn)確地理解和掌握決策模擬結(jié)果，避免為了可視化而可視化、三維化。

流域知識(shí)平臺(tái)建設(shè)通過對(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。知識(shí)是決策的基石，新中國(guó)成立以來，在黨中央、國(guó)務(wù)院的支持和領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)水利建設(shè)積累了大量經(jīng)驗(yàn)。以淮河流域?yàn)槔?，治?0 多年積累了大量洪澇災(zāi)害防御、水資源保障、水污染治理、水生態(tài)建設(shè)等方面的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，在抵御2003 年、2007 年、2020 年淮河大水以及2009 年、2019 年嚴(yán)重旱災(zāi)中發(fā)揮了巨大的作用。目前亟需通過構(gòu)建水利知識(shí)圖譜庫，在充分總結(jié)流域水文預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度、水資源管理、流域治理和管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于專家經(jīng)驗(yàn)決策的歷史過程，采取多種方式開展專家經(jīng)驗(yàn)挖掘、決策過程再現(xiàn)、經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證、經(jīng)驗(yàn)修正等工作，以文字、圖像等形式固化專家經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)的有效復(fù)用和持續(xù)積累，促進(jìn)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)普及化、隱性經(jīng)驗(yàn)顯性化，達(dá)到應(yīng)用專家經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的模式學(xué)習(xí)與探索，為復(fù)雜情境下的決策提供專家經(jīng)驗(yàn)與支撐。

2.3 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化決策

精準(zhǔn)化決策是在數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬的支撐下，使決策者擁有了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的思維、戰(zhàn)略、資源、方法，從而使水利決策與管理更加科學(xué)、精準(zhǔn)、高效，最終實(shí)現(xiàn)水利決策與管理能力水平的提升。精準(zhǔn)化決策需要全面數(shù)據(jù)支撐、專家經(jīng)驗(yàn)輔助和基于“四預(yù)”精準(zhǔn)化仿真模擬。

信息是決策判斷的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生流域構(gòu)建天空地一體化的水利感知體系，為決策提供海量數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)建設(shè)過程中要保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和時(shí)效性，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤導(dǎo)；同時(shí)要通過對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘和展示，使決策者透徹感知數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)迷失。

決策需要以知識(shí)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行“專家級(jí)”定性分析、推斷，也需要基于數(shù)據(jù)、模型為核心的“專業(yè)級(jí)”定量分析、仿真。做好定性分析和定量計(jì)算的有機(jī)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)科學(xué)、精準(zhǔn)決策必然路徑。在實(shí)際工作中，對(duì)于防洪、水資源管理等相較成熟的業(yè)務(wù)，可以充分發(fā)揮數(shù)字場(chǎng)景、模型平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過“四預(yù)”定量分析，實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化、預(yù)警超前化、預(yù)演數(shù)字化、預(yù)案科學(xué)化”；河湖管理、水利工程建設(shè)與運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)現(xiàn)階段難以進(jìn)行定量計(jì)算，更依賴于專家知識(shí)定性分析，可以在數(shù)字場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，利用專家經(jīng)驗(yàn)輔助決策，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、科學(xué)化管理?？傮w而言，數(shù)字孿生流域涉及“2+N”項(xiàng)水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，在建設(shè)過程中要根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、智慧應(yīng)用發(fā)展程度，有側(cè)重地通過定性、定量有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化工作流程、提升業(yè)務(wù)協(xié)同能力，有效支撐流域保護(hù)治理、管理調(diào)度和決策的智慧化、精準(zhǔn)化。

3 數(shù)字孿生流域后續(xù)發(fā)展

數(shù)字孿生流域作為強(qiáng)化流域治理管理的一種手段，最終還是要服務(wù)于業(yè)務(wù)需求，并落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用中。目前，我國(guó)的數(shù)字孿生流域建設(shè)仍處在起步階段，由于認(rèn)識(shí)的局限性，對(duì)需求的了解還不深入和細(xì)致，這就要求數(shù)字孿生流域建設(shè)過程中充分考慮物理流域全要素和水利治理管理全過程，全面開展需求調(diào)研，將需求作為數(shù)字孿生流域規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理的根本依據(jù)。在實(shí)際建設(shè)和應(yīng)用的過程中，隨著環(huán)境的不斷變化和科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)流域治理管理需求的認(rèn)識(shí)逐漸加深，數(shù)字孿生建設(shè)也需要不斷完善。在這種動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程中，必須牢牢堅(jiān)持“需求牽引、應(yīng)用至上”要求，以需求和應(yīng)用引領(lǐng)數(shù)字孿生流域建設(shè)，推動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)不斷更新迭代，更好地為流域治理管理和決策提供支撐，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展助力賦能■