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观点关于建设数字孪生黄河的思考

发布于：2022-03-29 14:13:29 来自：水利工程/水利工程论文 0 14

来源：南水北调与水利科技

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文 | 李文学寇怀忠

《中华人民共和国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出，要加快数字化发展，建设数字中国，并且特别提出要“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。水利部将智慧水利建设作为新阶段水利高质量发展的显著标志之一，正在大力推进，同时明确要求建设数字孪生黄河，并把数字孪生黄河建设列为“十四五”智慧水利发展建设重点工程。

黄委深入贯彻落实习近平总书记关于黄河流域生态保护和高质量发展的重要指示批示精神，按照水利部统一部署，将数字孪生黄河建设作为推动新阶段黄河流域水利高质量发展的八大行动之一，全力推进各项工作，力争尽快见到实效。

“数字黄河”亟待向数字孪生黄河升级

黄河保护治理正向高质量发展阶段升级，要达到高质量发展的既定目标，必须贯彻新发展理念，以创新为动力，综合统筹政策制度、法律、经济、工程、技术等手段，充分利用新一代信息技术，加快建设数字孪生流域，数字赋能黄河流域河湖生态复苏、防洪保安全、水资源集约节约等各项工作，大力推进黄河保护治理的数字化转型。

进入新发展阶段，数字黄河工程建设发展必然要呈现新形态。2001年7月，黄委党组将“维持黄河健康生命”确定为治黄终极目标，要求树立现代水利理念，借助现代科技手段，建立“原型黄河”“数字黄河”和“模型黄河”的“三条黄河”科学决策场。“数字黄河”工程已形成“天空地网人”融合的黄河保护治理数据监测采集框架，研发了水文预报、河道洪水演进、多水库联合调度、水资源管理与调度、水土侵蚀及冰凌预报等众多业务数学模型，建成了“黄河一张图”，黄河视联网搭建贯通，黄河数据中心云计算服务和大数据治理能力有效增强。黄河保护治理的移动化、智能化业务应用与信息服务渐成常态，“端—边—云”部署体系正在形成，“数字黄河”工程建设成果在防汛抗旱减灾、调水调沙、水资源管理调度等方面发挥了重要作用。但随着新阶段黄河保护治理业务覆盖要求更全、治理工作要求更高效、问题发现更快速以及会商决策更科学的新要求，“数字黄河”工程已无法满足需求，亟待创新升级。

新技术新业态发展与应用为治黄信息化发展提供了示范驱动。如：新一代采集监测技术为流域监管提供了先进的感知手段；网络计算存储等基础设施高速发展提供了高效的计算服务能力；云计算、大数据与人工智能的发展为流域综合管理智慧化提供了技术手段。另外，源于产品全生命周期管理的数字孪生理念和相关技术被越来越多人接受，正扩展应用于包括航天飞行、工业制造、城市规划管理等领域。

数字孪生理念的本质是实现“虚实融合，以虚控实，双向映射，实时同步”，通过构建物理空间相关对象在数字空间的虚拟孪生体，基于大数据和数学模拟仿真对现实世界进行描述、监测、分析、模拟、预测及验证，并形成能够影响和控制现实世界的决策和方案。其最显著的特点表现在互操作、保真性、实时性、闭环性、可扩展等5个方面。将数字孪生理念融入数字黄河工程，推动新阶段“数字黄河”工程向一个更新形态——数字孪生黄河升级，各方面基础和条件已初步具备。

数字孪生黄河建设目标与实现路径清晰

数字孪生黄河与数字黄河工程本质要求、理念及涉及的物理对象均相同，只是在性能方面有更高要求。

（1）数字孪生黄河建设原则

需求牵引，应用至上。结合黄河流域生态保护和高质量发展要求，紧贴黄河流域保护治理工作，全面分析防洪保安全、优质水资源、健康水生态和宜居水环境等方面治黄业务需求，以问题和目标为导向，统筹谋划推进。

大系统设计，分系统建设。统揽黄河保护治理业务全局，立足近期发展重点，做好顶层设计，明确实施路线和要求。通盘考虑黄河保护治理业务应用，优先完善流域水旱灾害防御系统、水资源管理调度系统，优先构建重点河段、重点区域数字孪生示范应用，逐步覆盖水土保持、河湖管理等，扎实推进分系统建设。

统一标准，智能协同。统一业务网络、数据管理存储计算设施、一张图以及算据、算法、算力等；统一数据采集、设备互联、网络安全、模型开发、智能算法等标准；采用微服务等技术，实现系统间的模块化链接，提升应用系统的智能协同和决策水平。

（2）数字孪生黄河建设目标

总体目标：充分运用云计算、大数据、人工智能、物联网、数字孪生等新一代信息技术，建成具备预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生黄河，赋能黄河保护治理各项业务，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，为新阶段黄河流域生态保护和高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

2025年目标：初步建成覆盖黄河保护治理全要素的天空地一体化监测感知网，建成治黄高速信息网，全面形成主动感知、自动防御网络安全防护体系；建成支撑流域高质量发展的大数据中心，全面融合共享流域省（区）数据，初步构建数字孪生黄河平台；水旱灾害防御和水资源管理调度等重点业务基本实现“四预”，治黄业务数字化、网络化、智能化水平明显提升。

2030年目标：全面建成天空地一体化监测感知网。网络通信实现监测站点、水利工程、水利单位全覆盖，网络安全防护能力得到根本提升；建成适应流域水安全保障要求的黄河云基础设施和智能中枢，建成数字孪生黄河流域，黄河保护治理各项业务应用数字化、网络化、智能化水平显著提升，全面支撑“四预”。

（3）实施路径

数字孪生黄河建设，要以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，突出黄河特色，急用先行，分步实施。

数字化场景。获取流域自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息，对物理流域进行全要素数字化映射，并实现即时更新和动态交互。优先开展下游小浪底至花园口及花园口至艾山河段数字孪生示范建设；构建流域中下游重点区域及重点工程数字化映射。

智慧化模拟。在数字化场景的基础上，集成耦合多维、多时空尺度、多种类水利模型，通过对各类模型进行模块化、标准化和云服务升级，对一维和二维水力学模型、泥沙动力学模型等进行模块化、标准化封装改造，形成黄河数学模拟仿真模型库，支撑业务“四预”模拟分析。高效集成黄河中下游降水预报、洪水预报、防洪调度和洪水演进等成果，初步构建黄河中下游洪水预演系统。建设以水利对象和空间关系、水流关系、管理关系为主要内容的黄河知识图谱，完善历史大洪水、旱灾、防洪专家经验等数据库，构建治黄知识平台，支撑流域精准化决策。

精准化决策。以防洪调度预演为基础优化决策方案，为水工程调度管理提供智慧化、科学化支持。动态掌握并实时更新流域水资源总量、实际用水量等信息，实现生态流量预测预报，用水限额、地下水等红线指标实时预警。通过遥感卫星、GIS（地理信息系统）等技术，监测河湖水域岸线，搭建时空数据分析模型，对河湖空间管理保护进行预测预警。结合水行政管理制度、规则以及基础、历史等数据，建设水政执法规则模型和数据驱动模型，提升水政预报预警能力。建立水土保持业务的数字映射，提升水土流失监测数据采集、传输、处理、分析、应用与管理能力，实现黄河流域中游地区水土流失安全预警、水土流失过程模拟与预报。构建水利综合监管平台，研发水利监督风险评估预测模型，实现“查、认、改、罚”等环节全过程数字化、网络化。运用物联网、北斗卫星、建筑信息模型等技术手段，对工程运行安全状态进行监测，实现工程安全状态预警。

数字孪生黄河建设任务明确

（1）服务治黄主业

水旱灾害防御。在流域已建水旱灾害防御应用基础上，扩展已有基础设施及支撑平台，形成数字流场，构建黄河数字孪生流域，提升水情、沙情、雨情、凌情、工情、墒情、灾情等信息采集能力，实现及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案，为流域水旱灾害防御工作提供智能化、科学化技术支持，形成黄河流域智慧防洪体系，提升水旱灾害防御智能化决策支撑能力。

水资源管理与调度。强化云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等新一代信息技术与水资源管理与调度业务深度融合，充分整合现有各系统的系统资源和数据资源，在黄河水资源管理与调度系统基础上，扩展完善各业务功能，满足取水许可监管、水调方案编制、取用水动态管控、水权转让管理、生态调度等业务“四预”应用。

水资源节约与保护。充分整合现有资源，集成共享信息，在黄河水资源管理与调度系统基础上，建立黄河流域地下水监管平台、黄河流域饮用水水源地信息管理、黄河流域重要河湖水生态信息系统监管平台等，构建多源遥感土壤墒情遥感监测模型，实现墒情遥感监测、灌区需水估算、灌区水量配置与决策等，满足节约用水管理和水资源保护监管“四预”业务应用需要。

河湖管理。充分整合现有资源，为河湖管理预警提供基础数据；通过建立信息共享机制，集成共享信息，扩展和补充建设河湖管理相关业务功能。建设黄河流域河湖动态管控监测系统、流域河道岸线在线监管系统、涉河建设项目空间数据库等，建立河口水生态环境跟踪监测评估体系，满足河湖管理业务应用需要，为河湖管理提供决策支撑。

水行政管理。整合现有水政信息化系统，逐步建成“卫星遥感遥测+无人机航拍+视频监控”的天空地一体化监测、预警网络，满足水行政执法快速发现、动态跟踪和智能预警需求。建立建设项目与省际边界河道监管预警平台、完善建设项目动态监控预警系统，实现对浮桥、在建项目和对省际界河重要河段和敏感区域全覆盖监控，实现在线监管和事件预警。

水土保持。构建水土保持监督监测体系，优化水土流失预报数学模型和水土保持效益评价模型；建立黄土高原淤地坝安全度汛监管系统，为淤地坝安全度汛提供支撑；建设黄河流域水土保持监测与评价系统，实现典型监测点、国家级重点防治区、重点地区生态环境监测与评价。

水监督管理。利用遥感、云视讯和大数据等信息技术，建设黄河综合监管平台，以“水资源、水工程、河湖、水生态、政务和财务监管”为重点，融合专业监督管理系统，实现“查、认、改、罚”等环节全过程智能上线，提升监管工作信息化水平。

（2）建设数字孪生平台

建设流域大数据中心，为黄河保护治理需要的AI（人工智能）模型和水文预报、水沙运动、水库调度等专业模型需要的高强度计算仿真，提供高性能的弹性云计算能力；为高频在线可视化计算和人机交互提供大数据治理和系统运行平台；为各类模型管理和组合运行提供环境。

建设黄河保护治理重点对象的虚拟对象模型，主要包括河道、水库及蓄滞洪区等DEM（数字高程模型），建立泵站、涵闸等BIM（建筑信息模型），以及业务运行流程规则模型、专家知识模型等。

建设降雨预报、河道水沙运动、水库水沙运动、水资源调配、污染物输移扩散、冰凌演进、水土侵蚀、流域重点区域墒情、取用水等模型单元。建设相应的模型参数管理库，对不同模型的参数以及同一模型在不同应用场景的参数进行规范标准化管理。

同时，建立上述两类模型的管理与组合装配管理系统，确保能够以便捷可扩展的方式将相关模型进行灵活组合，形成不同的业务服务，向上提供“四预”功能，支撑业务应用。如将河道径流预报模型、墒情模型、水库调度模型等模型组合，就可以形成支撑水资源调度的服务。

（3）建设物联感知采集传输网络

建设高质量物联感知采集传输网，可将物理对象实时状态信息映射到数字空间，形成数字孪生黄河数据化场景。

黄河感知采集所涉及数据分为基础空间数据和专业数据。基础空间数据感知是利用全球定位系统技术、卫星遥感技术、航空摄影测量技术和地面综合遥感技术以及野外数字测图技术、地理空间信息数字化技术等组成的多平台、多尺度、多源信息采集监测处理系统，以满足对地理空间数据、正射影像数据、DEM数据的生产与更新和业务应用需求。专业数据感知主要由水文气象、工情险情、引退水、旱情、水质、水土保持、水利工程等采集或监测系统组成，以满足对水利专题信息的感知和处理需求。

黄河感知网必须满足以下要求：数据的全面性，应包括自然、经济、社会、人文等各个方面；数据采集的准确性，数据应真实反映业务特征及状况；数据感知的实时性，即在要求时间内，确保数据得到及时更新。黄河感知网根据采集方式的不同，分为传感系统、遥测遥感系统、手工采集系统和数据交换系统四大部分。每个部分可独立建设，所采集的信息互为补充，构成完整的信息感知系统。

围绕洪水、水工程安全运行、干旱等九大业务和水利监督工作，利用传感、卫星定位、视频监控、遥感等技术，基本构建针对黄河水资源、黄河工程设施、黄河管理活动三大类感知对象的感知体系，动态感知各个业务的特征、要素及工程运行状况、水利事件信息，为黄河治理提供基本完备、准确的基础数据和信息。充分发挥遥感大范围、大尺度、高分辨率的特点，扩展数据源、加强以高精度遥感为主体的天空地一体化立体监测，提升遥感监测能力、完善卫星遥感监测体系，形成水资源管理、防汛防凌、抗旱、节水、生态以及水利工程等遥感监测模式。