數(shù)字孿生流域研究及建設(shè)進展

劉家宏，蔣云鐘，梅超，王佳

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,中國水利水電科學研究院,100038，北京；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室（籌）,100038，北京）

數(shù)字孿生流域與數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程互聯(lián)互通、信息共享、各有側(cè)重，共同構(gòu)成數(shù)字孿生水利系統(tǒng)核心，是推動新時代水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實施路徑之一。當前水利部已編制完成《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱(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)”功能基本技術(shù)要求（試行）》《數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》等一系列文件，為數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生水利工程建設(shè)提供了技術(shù)指南。在水利部統(tǒng)一部署下，長江水利委員會、黃河水利委員會等7大流域管理機構(gòu)和三峽、小浪底等11家水利工程管理單位均完成了數(shù)字孿生流域或數(shù)字孿生水利工程建設(shè)先行先試實施方案編制工作，為流域防洪和水資源管理調(diào)配等業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供了指南。本文調(diào)研梳理了數(shù)字孿生流域緣起、主要進展和未來研究方向，以期為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供借鑒參考。

一、緣起與發(fā)展

數(shù)字孿生流域構(gòu)想可追溯到21世紀初提出的“數(shù)字黃河”，隨著數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展，數(shù)字流域和數(shù)字孿生逐步融合嬗變，誕生“數(shù)字孿生流域”。

1.數(shù)字黃河

數(shù)字黃河的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，核心是模型，目標是應(yīng)用。圍繞模型這個核心，清華大學王光謙等主持研發(fā)了數(shù)字流域模型，數(shù)字流域理論和技術(shù)在水利信息化的推動下逐步深化拓展，為流域水循環(huán)及其伴生過程耦合模擬提供了關(guān)鍵支撐。

2.數(shù)字孿生技術(shù)

2002年美國密歇根大學Michael Grieves教授首次明確提出“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體”概念,2017年我國提出“數(shù)字中國”概念，數(shù)字孿生技術(shù)與流域及城市管理等行業(yè)逐步融合，形成了數(shù)字孿生技術(shù)下的數(shù)字孿生城市等一系列新概念。

3.數(shù)字孿生流域

2021年，水利部正式啟動數(shù)字孿生流域建設(shè)工作，指出要按照“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，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以算據(jù)、算法、算力建設(shè)為支撐，加快推進數(shù)字孿生流域建設(shè)，實現(xiàn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能。在現(xiàn)代人類活動影響下，流域物理空間實體既包括自然地貌、植被和水系，也包括水庫、堤防、閘壩、泵站等水利工程體系，還包括流域和水利工程監(jiān)測、管理及服務(wù)機構(gòu)等，對象種類繁多、關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)耦聯(lián)，亟待研發(fā)一套技術(shù)實現(xiàn)上述實體與自然水系數(shù)字體、水利工程智能體和水利管理智慧體的全要素映射、多過程模擬和復(fù)雜場景推演。

二、主要進展

數(shù)字孿生流域建設(shè)及應(yīng)用主要包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)三大部分。在以往信息化建設(shè)基礎(chǔ)上通過理念更新、數(shù)字賦能、奮發(fā)建設(shè)，數(shù)字孿生流域已經(jīng)取得一系列重要進展和成果。

1.信息化基礎(chǔ)設(shè)施

基于全國水文水資源監(jiān)測站網(wǎng)，構(gòu)建了天—空—地一體化水利監(jiān)測感知網(wǎng)，實現(xiàn)了重要水信息及時掌握。全國各類水情站點達到12萬處，5 186條有防洪任務(wù)的中小河流實現(xiàn)水文監(jiān)測全覆蓋，11萬座國家報汛站雨量水情監(jiān)測信息收集傳輸時間由過去的小時級縮短到分鐘級，在有防治任務(wù)的2 076個縣建設(shè)了山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力顯著提升。水利信息網(wǎng)傳輸能力、安全性、可靠性大幅度提升。綜合應(yīng)用低功耗物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星通信技術(shù)等實現(xiàn)了偏遠、無公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的水文要素監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。水利云服務(wù)設(shè)施隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)和升級穩(wěn)步拓展，業(yè)務(wù)覆蓋范圍越來越廣，智慧水利管理類App等“微應(yīng)用”在水利業(yè)務(wù)管理中的應(yīng)用日益廣泛。

2.數(shù)字孿生平臺

2022年4月水利部啟動數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試項目，黃河、長江、淮河等主要江河流域的數(shù)字孿生平臺建設(shè)陸續(xù)規(guī)劃實施，在數(shù)據(jù)底板、模型和知識平臺方面進展顯著。全國規(guī)劃在建主要流域L1級數(shù)據(jù)底板，蓄滯洪區(qū)等重點區(qū)域L2級數(shù)據(jù)底板，以及重點水利工程L3級工程模型，部分接入水文水資源監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施獲取的多要素實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了流域及工程動態(tài)數(shù)據(jù)資源庫。水利部匯聚完成全國水利一張圖，覆蓋55類1 600萬個水利對象，全國范圍內(nèi)規(guī)模以上江河湖泊、水利設(shè)施、水行政主管單位都實現(xiàn)了空間化管理，為水利高質(zhì)量發(fā)展提供了堅實數(shù)據(jù)支撐。

在模型和知識平臺方面，基本建成洪水調(diào)度和水資源配置專業(yè)化模型和知識庫等，水利部正在組織專業(yè)機構(gòu)研發(fā)完善具有自主知識產(chǎn)權(quán)的流域產(chǎn)匯流及洪水預(yù)報模型、全國地下水通用模型和水土保持預(yù)報預(yù)警模型等。北京市、深圳市等依托市域智慧水務(wù)工程建設(shè)開展了數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程實踐探索，流域、省級、市域的數(shù)字孿生平臺建設(shè)穩(wěn)步推進。

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

按照需求牽引、應(yīng)用至上原則，數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程建設(shè)特別強調(diào)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，尤其是預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能。水利業(yè)務(wù)應(yīng)用主要包括流域防洪、水資源管理調(diào)配以及水利工程建設(shè)和運行管理等“N”項業(yè)務(wù)，目前已經(jīng)探索建立水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺，強化大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合，水旱災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、水資源管理調(diào)配、水利工程建設(shè)和運行管理能力顯著提升。

三、未來研究方向

數(shù)字孿生流域要通過全面感知、動態(tài)模擬、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)融合，建立流域物理空間實體在虛擬數(shù)字空間動態(tài)映射，未來需重點研究解決“感、存、仿、知、行”五方面技術(shù)難題，以獲得科學認知、開展快速推演、實施精準操控。

1.“感”——流域透徹感知

研發(fā)“天—空—地—水”“車—船—站—網(wǎng)”全方位立體監(jiān)測技術(shù)體系，突破關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)瓶頸，開發(fā)數(shù)據(jù)采集端邊緣計算和智能感知技術(shù)，支撐流域透徹感知，實現(xiàn)流域水循環(huán)物質(zhì)—能量全要素、多過程、跨尺度實時動態(tài)監(jiān)測。

2.“存”——數(shù)據(jù)融合存儲

研究匯聚多來源涉水數(shù)據(jù)，突破數(shù)據(jù)噪聲去除、多源數(shù)據(jù)融合協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建水利數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)模型，創(chuàng)新發(fā)展流域大數(shù)據(jù)分析算法與應(yīng)用體系，打通水利多領(lǐng)域知識關(guān)聯(lián)，提升數(shù)據(jù)價值和信息、知識服務(wù)能力，為流域數(shù)字孿生平臺建設(shè)提供數(shù)據(jù)處理技術(shù)支撐。

3.“仿”——過程數(shù)字仿真

通過仿真技術(shù)與水利專業(yè)模型相結(jié)合，研發(fā)流域洪水快速演進模型、城市洪澇精細化模擬及風險評估模型、水工結(jié)構(gòu)運行安全監(jiān)控及風險預(yù)警模型、水電站智能運維關(guān)鍵技術(shù)模型等，采用GPU、CPU并行計算加速技術(shù)及分布式并行調(diào)度算法，實現(xiàn)流域自然—社會二元水循環(huán)流場實時、動態(tài)、精細化模擬，綜合構(gòu)建流域、區(qū)域/城市、工程不同尺度的智慧模擬平臺，為數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程建設(shè)提供科技支撐。

4.“知”——業(yè)務(wù)智能決策

面向“2+N”典型業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，深入研究流域自然規(guī)律，創(chuàng)新升級現(xiàn)有水動力學、水資源配置、防洪決策、灌區(qū)需耗水預(yù)測和用水多過程調(diào)控等模型；研究典型水利應(yīng)用場景“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”決策智慧推演技術(shù)；開發(fā)水旱災(zāi)害防御、水資源管理調(diào)配、城市水系統(tǒng)智慧調(diào)度、灌區(qū)高效用水調(diào)控等業(yè)務(wù)方面具有四預(yù)功能智慧決策系統(tǒng)。

5.“行”——工程安全運行

基于芯片級國產(chǎn)硬件設(shè)備、國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)環(huán)境，開展安全可控的水利工程智能測控一體化平臺研發(fā)，重點突破水工程堤—庫—渠—閘—泵—閥等運行智能診斷、智能控制、智能處置等技術(shù)，同時強化水利控制網(wǎng)絡(luò)安全防護能力，支撐水利工程智能體建設(shè)和業(yè)務(wù)智能管理能力升級。

四、結(jié)語與展望

數(shù)字孿生流域建設(shè)是強化水旱災(zāi)害防治、優(yōu)化水資源配置、改善水生態(tài)環(huán)境、促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段，是流域管理治理現(xiàn)代化的必由之路。通過數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試項目引領(lǐng)推動，提升水利行業(yè)在信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等方面的水平。數(shù)字孿生流域研究的重要方向包括流域透徹感知、數(shù)據(jù)融合存儲、過程數(shù)字仿真、業(yè)務(wù)智能決策、工程安全運行等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。通過以上關(guān)鍵技術(shù)突破，未來數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程和數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)可為水利管理提供透徹感知的數(shù)據(jù)底板、高保真高效力的模型及算法、強大的數(shù)據(jù)融合能力和智慧化的決策推演和平臺，總體提升國家水安全保障能力?！?/p>