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劉志雨：提升數(shù)字孿生流域建設(shè)“四預(yù)”能力

時(shí)間：2022-11-10 來(lái)源：水利部信息中心

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    對(duì)表對(duì)標(biāo)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)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(shí)黨中央國(guó)務(wù)院重大決策部署，水利部黨組將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑和最顯著標(biāo)志之一，數(shù)字孿生流域建設(shè)已成為推進(jìn)智慧水利建設(shè)的核心與關(guān)鍵。水利部部長(zhǎng)李國(guó)英布局智慧水利頂層設(shè)計(jì)，多次專(zhuān)題研究部署數(shù)字孿生流域建設(shè)工作，要求按照“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(xiàn)，以算據(jù)、算法、算力建設(shè)為支撐，以數(shù)字化場(chǎng)景、智能化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，大力建設(shè)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程，全面構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的智慧水利體系，為全面提升國(guó)家水安全保障能力提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。當(dāng)前，全國(guó)各級(jí)水利部門(mén)已將建設(shè)數(shù)字孿生流域列入重要工作議程。伴隨著數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字孿生流域建設(shè)將為新階段智慧水利的發(fā)展注入新動(dòng)能。

　　一、推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)的背景與意義

　　1.世界進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代

　　當(dāng)前，5G、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)著全球進(jìn)入數(shù)字科技時(shí)代，水利發(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。

　　2.推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力

　　數(shù)字孿生有系統(tǒng)性、復(fù)雜性、全生命周期、實(shí)時(shí)雙向、可調(diào)控性等典型特征。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力、醫(yī)療、物流、交通、城市管理、建筑等領(lǐng)域，其不僅是推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的戰(zhàn)略性技術(shù)，也是發(fā)展新模式、轉(zhuǎn)型新路徑和推動(dòng)行業(yè)深刻變革的強(qiáng)大動(dòng)力。我國(guó)《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》提出探索建設(shè)數(shù)字孿生城市，《“十四五”水安全保障規(guī)劃》提出要推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)。

　　3.流域具有數(shù)字孿生應(yīng)用基礎(chǔ)

　　流域是一個(gè)龐大復(fù)雜的復(fù)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(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)承載區(qū)域，流域內(nèi)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化多要素緊密關(guān)聯(lián)。

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

　　流域具有可決策、可調(diào)控特性。統(tǒng)籌考慮上下游、左右岸、干支流水量變化，對(duì)河道堤防、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等水工程進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，作出系統(tǒng)性精細(xì)安排與科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

　　4.新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志

　　高質(zhì)量發(fā)展以科技創(chuàng)新和數(shù)字化變革催生新發(fā)展動(dòng)能。數(shù)字賦能是新階段水利高質(zhì)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(shè)數(shù)字孿生流域，原則是堅(jiān)持需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策，核心任務(wù)是加強(qiáng)算據(jù)、算法、算力“三算”建設(shè)。

　　5.智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵

　　建設(shè)數(shù)字孿生流域，即以物理流域?yàn)閱卧r(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)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(guò)程進(jìn)行數(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。數(shù)字孿生流域建設(shè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域?qū)崟r(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、優(yōu)化調(diào)度，最終達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實(shí)施，確保水利決策精準(zhǔn)安全有效。

　　6.強(qiáng)化時(shí)代責(zé)任的要求

　　智慧水利建設(shè)已列入多項(xiàng)國(guó)家規(guī)劃，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)是落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)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?yàn)閱卧瑢?shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理“四統(tǒng)一”，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)是強(qiáng)化流域“四統(tǒng)一”治理管理的迫切要求。大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，可充分發(fā)揮信息技術(shù)支撐驅(qū)動(dòng)作用，大力提升水利決策與管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)是水利行業(yè)適應(yīng)新一代信息技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。

　　二、數(shù)字孿生流域賦能業(yè)務(wù)“四預(yù)”的思考與實(shí)踐

　　1.組成

　　數(shù)字孿生流域建設(shè)框架由信息化基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生平臺(tái)組成。信息化基礎(chǔ)設(shè)施由水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云等構(gòu)成。數(shù)字孿生平臺(tái)由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等構(gòu)成。數(shù)據(jù)底板是基礎(chǔ)，模型是關(guān)鍵。

　　2.主要技術(shù)

　　主要有遙感、定位等感知技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)、5G等信息傳輸技術(shù)，云計(jì)算、邊緣計(jì)算、GIS（地理信息系統(tǒng)）、BIM（建筑信息模型）等數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)技術(shù)，數(shù)字化映射、可視化、智能識(shí)別、精細(xì)化/智能預(yù)報(bào)等模型相關(guān)技術(shù)，知識(shí)圖譜、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等知識(shí)相關(guān)技術(shù)。

　　3.“四預(yù)”是“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要功能

　　精準(zhǔn)超前預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，建立以流域?yàn)閱卧亩嗑S多時(shí)空全要素預(yù)報(bào)體系，為預(yù)警工作贏得先機(jī)。

　　快速直達(dá)預(yù)警。預(yù)警是前哨，建立多種類(lèi)、多渠道水旱災(zāi)害預(yù)警體系，將預(yù)警信息直達(dá)水利工作一線(xiàn)和受影響區(qū)域社會(huì)公眾，為啟動(dòng)預(yù)演提供指引。

　　前瞻科學(xué)預(yù)演。預(yù)演是關(guān)鍵，構(gòu)建全過(guò)程、多情景模擬仿真防災(zāi)預(yù)演體系，通過(guò)預(yù)演為預(yù)案制定提供支撐。

　　細(xì)化實(shí)化預(yù)案。預(yù)案是目的，在預(yù)演結(jié)果基礎(chǔ)上分析評(píng)估，滾動(dòng)調(diào)整水工程運(yùn)行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險(xiǎn)等應(yīng)對(duì)措施，迭代優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度方案。

　　4.數(shù)字孿生賦能業(yè)務(wù)“四預(yù)”

　　以流域防洪為例，探索數(shù)字孿生技術(shù)賦能“四預(yù)”實(shí)現(xiàn)途徑，主要按照“需求牽引，應(yīng)用至上”思考流域防汛“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)感知體系、數(shù)據(jù)底板、模型和知識(shí)等需求。

　　在感知方面，要構(gòu)建天、空、地一體化水利感知網(wǎng)，通過(guò)優(yōu)化提檔水文、水資源、河床演變、水利工程等地面監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步完善地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，加強(qiáng)衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等載體遙感監(jiān)測(cè)，提升應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力，推進(jìn)物理流域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)建設(shè)和高頻乃至在線(xiàn)運(yùn)行，為數(shù)字孿生流域提供精準(zhǔn)物理參數(shù)和現(xiàn)實(shí)約束條件，保持?jǐn)?shù)字孿生流域與物理流域精準(zhǔn)性、同步性、及時(shí)性。在數(shù)據(jù)方面，要夯實(shí)算據(jù)基礎(chǔ)，按照全國(guó)、流域、重要水利工程，分級(jí)構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)一、及時(shí)更新的數(shù)據(jù)底板（地理空間數(shù)據(jù)、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)），為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供詳實(shí)基礎(chǔ)底圖。數(shù)據(jù)底板提供防汛“四預(yù)”需要的各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括水雨工情數(shù)據(jù)、下墊面資料、DEM（數(shù)字高程模型）等。

　　在模型方面，要優(yōu)化算法模型，建設(shè)包括水利專(zhuān)業(yè)模型、智能分析模型、仿真可視化模型等內(nèi)容的模型平臺(tái)，為“智能化模擬”提供關(guān)鍵性技術(shù)支撐。在支撐防汛“四預(yù)”方面，模型平臺(tái)可提供分布式水文模型，變參數(shù)模型和實(shí)時(shí)反饋校正模型等。

　　在知識(shí)方面，要豐富知識(shí)平臺(tái)，建設(shè)包括知識(shí)圖譜、歷史場(chǎng)景模式、業(yè)務(wù)規(guī)則、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、智能引擎等內(nèi)容的知識(shí)平臺(tái)，為“精準(zhǔn)化決策”提供技術(shù)支撐。在支撐防汛“四預(yù)”方面，知識(shí)平臺(tái)可提供預(yù)報(bào)方案庫(kù)、歷史場(chǎng)景庫(kù)等。

　　5.典型案例分析

　　①2020年7月淮河超標(biāo)準(zhǔn)洪水“預(yù)報(bào)”。受強(qiáng)降雨影響，2020年7月淮河發(fā)生流域性較大洪水，正陽(yáng)關(guān)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29.75m（濛洼蓄滯洪區(qū)分洪運(yùn)用后），超保0.45m。水文部門(mén)依據(jù)7月19日20時(shí)雨水情，預(yù)報(bào)王家壩最高水位不超過(guò)29.60m（不分洪時(shí)）。隨后依據(jù)7月20日5時(shí)雨水情，預(yù)報(bào)王家壩最高水位將達(dá)到29.90m（不分洪時(shí)）。復(fù)盤(pán)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，存在的主要問(wèn)題是洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期短，究其原因是未掌握洪家灣圩潰決信息，水位流量關(guān)系曲線(xiàn)變化、歷史洪災(zāi)知識(shí)未有效利用。為此在感知方面，加強(qiáng)視頻監(jiān)視監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)洪家灣圩潰口風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)感知；在數(shù)據(jù)方面，加強(qiáng)遙感監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)流域下墊面條件及時(shí)更新；在模型方面，構(gòu)建考慮頂托影響的水動(dòng)力學(xué)模型，提高水位預(yù)報(bào)精度；在知識(shí)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(kù)等。

　　②四川省北川縣2022年“7·16”山洪災(zāi)害“預(yù)警”。2022年7月16日0—8時(shí)，四川省綿陽(yáng)市北川縣青片鄉(xiāng)和白什鄉(xiāng)區(qū)域（面積695km2）遭遇極端強(qiáng)降雨，最大降雨量達(dá)110mm，白什場(chǎng)鎮(zhèn)白水溝（涪江三級(jí)支流）發(fā)生山洪泥石流災(zāi)害，造成人員傷亡。初步分析災(zāi)害原因是泥石流攜帶物嚴(yán)重淤塞河道導(dǎo)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(qiáng)高時(shí)空分辨率遙感監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)橋梁淤塞及時(shí)感知；知識(shí)方面，建立雨量預(yù)警指標(biāo)、動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值；模型方面，構(gòu)建山洪泥石流模型；預(yù)案方面，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)人值班值守、及時(shí)風(fēng)險(xiǎn)警示措施。

　　③黃河2021年嚴(yán)重秋汛防洪調(diào)度“預(yù)演預(yù)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(hào)洪水，渭河、伊洛河、沁河發(fā)生有實(shí)測(cè)資料以來(lái)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(lái)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(kù)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，為制定防洪調(diào)度預(yù)案提供了有力支撐，但也存在一些問(wèn)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(diào)度模型；在知識(shí)方面，要集成水工程調(diào)度業(yè)務(wù)規(guī)則；在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，要研發(fā)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化系統(tǒng)，即水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。

　　三、關(guān)于數(shù)字孿生流域的認(rèn)識(shí)與體會(huì)

　　1.數(shù)字孿生不僅是技術(shù)，更是數(shù)字化管理理念

　　在技術(shù)上，數(shù)字孿生具有非常龐大的技術(shù)體系；在工作上，數(shù)字孿生是推進(jìn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化再造、模式重構(gòu)、制度重塑的驅(qū)動(dòng)引擎，是推進(jìn)政府治理體系和治理能力現(xiàn)代化客觀要求。

　　2.數(shù)字孿生是新型基礎(chǔ)設(shè)施

　　水利感知網(wǎng)是重要基礎(chǔ)，推進(jìn)水利現(xiàn)代化從水文現(xiàn)代化開(kāi)始。數(shù)據(jù)底板不僅僅是地理空間數(shù)據(jù)，也是數(shù)字孿生流域的重要組成部分。模型、知識(shí)是核心和關(guān)鍵，智能模擬靠模型，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全是行業(yè)“底線(xiàn)”。

　　3.數(shù)字孿生是智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵

　　數(shù)字孿生流域邏輯上不包括業(yè)務(wù)應(yīng)用，但與業(yè)務(wù)應(yīng)用形成互饋?zhàn)饔谩＝ㄔO(shè)數(shù)字孿生流域目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、優(yōu)化調(diào)度，最終達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)提前發(fā)現(xiàn)、預(yù)警提前發(fā)布、方案提前制定、措施提前實(shí)施，確保水利決策精準(zhǔn)安全有效。

　　4.建設(shè)數(shù)字孿生流域要堅(jiān)持“需求牽引、應(yīng)用至上”

　　要把牢“需求牽引、應(yīng)用至上，數(shù)字賦能、提升能力”要求，采取頂層謀劃、分步實(shí)施、先行先試，小步快跑、邊建邊用策略，堅(jiān)持“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互聯(lián)共享，風(fēng)險(xiǎn)可控、安全可靠”原則，加快建設(shè)數(shù)字孿生流域。

　　5.“四預(yù)”是水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要功能

　　要強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案能力。“預(yù)報(bào)”是基礎(chǔ)，“預(yù)警”是前哨，“預(yù)演”是關(guān)鍵，“預(yù)案”是目的。

　　6.數(shù)字孿生流域建設(shè)面臨難得歷史機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　水利行業(yè)要自覺(jué)把數(shù)字孿生流域建設(shè)工作放在行業(yè)全局、國(guó)家大局中考量，不斷加強(qiáng)行業(yè)指導(dǎo)和自身建設(shè)；整合資源，強(qiáng)化運(yùn)維，積極籌措資金；加強(qiáng)復(fù)合型人才隊(duì)伍建設(shè)。設(shè)計(jì)、科研院所要做好規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)施，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能等前沿技術(shù)科研攻關(guān)，開(kāi)展關(guān)鍵急用標(biāo)準(zhǔn)研究。高新企業(yè)要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新，打造數(shù)字孿生核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)產(chǎn)品。其他部門(mén)之間要推進(jìn)行業(yè)間戰(zhàn)略合作，做好溝通交流與數(shù)據(jù)資源共享。