蔡陽：以數字孿生流域建設為核心構建具有“四預”功能智慧水利體系
2021年推進數字孿生流域建設工作會議和2022年全國水利工作會議明確提出，數字孿生流域建設是推進智慧水利建設的關鍵和核心，必須加快推進。
2022年以來，水利部先后出臺《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數字孿生水網建設技術導則（試行）》《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》《水利業務“四預”基本技術要求（試行）》《數字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》等系列文件，細化明確了數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生水利工程、水利業務預報—預警—預演—預案（以下簡稱“四預”）等建什么、誰來建、怎么建以及如何共享等要求，為各級水利部門智慧水利建設提供了基本技術遵循。
一、數字孿生流域的提出
推進數字孿生流域建設是水利部黨組貫徹落實習近平總書記關于網絡強國的重要思想、針對水利業務工作特點，綜合分析水的自然屬性、中國特色社會主義制度以及現代信息技術發展現狀而提出的。
1.數字孿生流域的提出背景
“孿生”概念起源于20世紀60年代美國航天“阿波羅計劃”，主要是在太空和地面同步運行兩個幾乎完全相同的航天器，從而通過檢查地面航天器的狀態輔助處理太空航天器遇到的緊急事件。2003年前后，邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授在美國密歇根大學的課堂上提出數字孿生的設想并隨后將其應用于制造業。2010年，美國國家航空航天局（NASA）的技術報告中正式使用了“數字孿生”一詞。隨著研究的不斷深入和新一代信息技術的發展，城市管理、交通、建筑、制造等越來越多的領域開始應用數字孿生。例如，工業制造領域，通過數字建模對產品的設計、生產、維護等環節進行實時動態仿真，繼而反映機器設備的全生命周期過程。航空航天領域也從傳統物理制造升級為智能制造，如航空發動機先進企業可以不生產原型和樣機，也不進行風洞實驗，首先構建數字孿生體，嵌入溫度、轉速等物理參數，并在數字空間反復進行虛擬仿真實驗，得到最優的幾何形狀、材料配比以及推力、燃油消耗率等各類參數，最后才在生產線上制造物理發動機。
隨著新一代信息技術飛速發展和廣泛應用，物理世界和數字世界界限逐漸模糊，數字孿生城市等應運而生。顯然，“數字孿生”不再僅僅是一種技術，而是一種發展模式、一種轉型路徑、一股推動行業變革的動力。
數字孿生運用于自然界的案例相對較少，2021年10月21日歐空局理事會提出了“目的地地球”計劃。計劃在未來5到6年內分兩批逐步實施，首批開發的兩個數字孿生是關于天氣誘發的地球物理極端現象的數字孿生和氣候變化適應的數字孿生。天氣誘發的地球物理極端現象的數字孿生，將為評估和預測極端環境提供能力和服務，決策者將能夠更精確地預測極端自然事件的發生和影響，如洪水和森林火災；氣候變化適應的數字孿生將支持在區域和國家層面分析性見解的產生和情景預測，以在區域和國家層面支持氣候適應和緩解政策。作為一個里程碑，這兩個“數字孿生”預計將在2030年12月推出。
2021年4月，水利部部長李國英高位推動智慧水利建設總體設計，明確提出了數字化、網絡化、智能化建設目標，闡釋了智慧水利建設中數字孿生流域的定位和作用，構建了“2+N”智慧水利業務體系，提出了智慧水利業務的“四預”功能，并對任務分工和保障措施提出了具體要求。2021年6月28日，水利部黨組召開“三對標、一規劃”專項行動總結大會提出，要推進智慧水利建設，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，構建數字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準化決策，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，至此“數字孿生流域”首次正式提出。數字孿生流域是以物理流域為單元、時空數據為底座、水利模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，實現對物理流域的實時監控、發現問題、優化調度的新型基礎設施。
2021年12月23日水利部召開推進數字孿生流域建設工作會議，李國英部長全面系統闡述了為什么要建設數字孿生流域、怎樣建設數字孿生流域、如何保障推進數字孿生流域建設等重大問題，指導當前和今后一個時期全國水利系統推進數字孿生流域建設。
進入2022年，根據水利業務特點，水利部又先后提出數字孿生水利工程、數字孿生水網并進行頂層設計，至此數字孿生流域、數字孿生水網和數字孿生水利工程共同形成水利數字孿生系列，三者分別是物理流域、物理水網、物理水利工程在數字空間的映射，三者的關系決定于三個物理實體的相互關系，它們互不替代、各有側重、相對獨立、互聯互通、信息共享。
考慮到數字孿生流域最能體現水利特點也是最早提出，因此下述以數字孿生流域來代表水利數字孿生系列。
2.為什么智慧水利建設要以數字孿生流域建設為核心
推進智慧水利建設要以數字孿生流域建設為核心，是順應以流域為單元、強化流域治理管理、適應信息技術發展的需要。
流域是降水自然形成的以分水嶺為邊界，以江河湖泊為紐帶的空間單元。水的自然屬性決定了由流域內上下游、左右岸、干支流和地表地下的自然聯系，形成了天然的水系整體，流域內山水林田湖草沙等各生態要素緊密聯系、相互影響、相互依存，構成了流域生命共同體。所以強調要以流域為單元，這是順應自然規律。
流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性。這種特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎單元，堅持系統觀念、堅持全流域“一盤棋”，實現流域統一規劃、統一調度、統一治理、統一管理。歷史上黃河三年兩決口、百年一改道就是最生動寫照。中華人民共和國成立后，我國水管理體制實行以流域為單元與區域管理相結合的管理體制，全國層面設置七大流域管理機構進行流域管理，各地方也在轄區內設置不同級別的管理機構管理重點河湖。所以強調整個流域統籌考慮，這是順應管理體制。
推進數字孿生流域建設是由水利工作的空間特點決定的，水利是一項大尺度、大范圍的工作，不可能在物理流域中試驗不同方案，只能在數字空間進行反復預演，經過綜合評估分析后選擇最優方案，運用到實際工作中，這是順應技術發展。
二、智慧水利組建思路
充分運用物聯網、大數據、云計算、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，建設數字孿生流域，實現數字化場景、智慧化模擬、精準化決策，建成具有“四預”功能的智慧水利體系，賦能水旱災害防御、水資源集約節約利用、水資源優化配置、大江大河大湖生態保護治理，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。
1.智慧水利組成
（1）智慧水利總體框架
智慧水利由數字孿生流域、業務應用、網絡安全體系、保障體系等組成。其中，數字孿生流域是智慧水利建設的核心與關鍵，包括數字孿生平臺和信息化基礎設施；流域防洪、水資源管理與調配以及N項業務應用調用數字孿生流域提供的算據、算法、算力等資源。
▲智慧水利總體框架
（2）數字孿生流域技術框架
數字孿生流域是智慧水利建設的核心與關鍵，以水利感知網、水利信息網、水利云等為基礎，運用大數據、人工智能、虛擬仿真等技術，以物理流域為單元、多維時空數據為底板、水利模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字化映射、智能化模擬，支撐實現流域防洪、水資源管理與調配“四預”以及N項水利智能業務應用。
▲數字孿生流域建設技術框架
（3）數字孿生流域組成
①數字孿生平臺。主要由數據底板、模型平臺、知識平臺等構成。各組成部分功能與關聯為：
數據底板匯聚水利信息網傳輸的各類數據，為智慧水利提供“算據”，包括基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據以及多維多時空尺度數據模型。主要是在全國水利一張圖基礎上擴展升級，為各級水利部門提供統一的時空數據基礎，細分為3級數據底板。
模型平臺利用數據底板成果，以水利專業模型分析物理流域要素變化、活動規律和相互關系，通過智能識別模型提升水利感知能力，利用模擬仿真引擎模擬物理流域的運行狀態和發展趨勢，并將以上結果通過可視化模型動態呈現，為智慧水利提供“算法”，包括水利專業模型、智能識別模型、可視化模型和模擬仿真引擎。
知識平臺匯集數據底板產生的相關數據、模型平臺的分析計算結果，經水利知識引擎處理形成知識圖譜服務水利業務應用。主要包括對象關聯關系圖譜、預報方案庫、業務規則庫、調度方案庫、歷史場景庫和水利知識引擎。
②信息化基礎設施。主要由水利感知網、水利信息網、水利云等構成。各組成部分功能與關聯為：水利感知網負責采集數字孿生流域所需各類數據；通過水利信息網將數據傳輸至數字孿生平臺數據底板；水利云平臺負責提供數據計算和存儲資源。
2.智慧水利建設總體思路
（1）總體要求
需求牽引。從水利部門職責出發開展需求分析，掌握水利業務目標、流程、功能、數據等，以此作為智慧水利規劃設計、建設管理基本依據。
應用至上。業務部門要善于用數據說話、用數據管理、用數據決策，會用、善用智慧水利系統為水利治理管理和決策提供支撐；網信部門要確保建成的系統管用、實用、好用。
數字賦能。推動新一代信息技術與水利業務深度融合，推動水利業務智能化，發揮數字化、網絡化、智能化對水利現代化加速器、催化劑作用，推進水利決策科學化、水利治理管理精細化、水利公共服務高效化。
提升能力。在“四預”功能支撐下，實現水利工程的實時監控、優化調度，提升水旱災害防御、水資源集約節約利用、水資源優化配置和大江大河大湖生態治理保護等能力。
（2）建設主線
數字化是把物理世界在計算機系統中進行虛擬仿真，利用數字技術驅動模式創新、流程再造。
網絡化是利用通信技術和計算機技術，把分布在不同地點的計算機及各類電子終端設備互聯起來，按照一定網絡協議相互通信以達到所有用戶可以共享軟件、硬件和數據資源。
智能化是使對象具備靈敏準確的感知功能、正確的思維與判斷功能、自適應的學習功能以及行之有效的執行功能而進行的工作。智能化是從人工、自動到自主的過程。
數字化奠定基礎，實現數據資源的獲取和積累；網絡化構造平臺，促進數據資源的流通和匯聚；智能化展現能力，通過多源數據融合分析呈現信息應用的類人智能，幫助人類更好認知事物和解決問題。
（3）實施路徑
構建數字化場景。以自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會信息為主要內容，對物理流域進行全要素、水利治理管理活動全過程數字化映射，并實現物理流域與數字孿生流域之間動態、實時信息交互和深度融合，保持兩者同步性、孿生性。重點是構建數字流場，主要任務是建設數據底板，為智慧水利提供海量數據支撐。
開展智慧化模擬。在數據底板的基礎上，構建水利專業模型、智能識別模型、可視化模型和模擬仿真引擎等組成的模型平臺，以及水利對象關聯關系、預報調度方案、業務規則、歷史場景、專家經驗和知識引擎等組成的知識平臺，為智慧水利提供細化、量化、動態、直觀的計算分析等功能。重點是支撐模擬仿真，主要任務是建設模型平臺和知識平臺，為智慧水利提供算法驅動。
實現精準化決策。在防洪調度、水資源管理與調配、水生態過程調控等預演的基礎上，生成決策建議方案。重點是制定最優化方案，主要任務是科學制定預案，以便最大程度提前規避風險、提高效益、減少損失。
（4）建設重點
算據是物理流域及其影響區域的數字化表達，是構建數字孿生流域的基礎，包括自然地理、干支流水系、水利工程基礎數據，監測數據，業務管理數據，地理空間數據，經濟社會信息等各類數據。
算法是物理流域自然規律的數學表達，是構建數字孿生流域的關鍵，包括水利專業模型、智能識別模型、可視化模型以及水利對象關聯關系、預報調度方案、業務規則、歷史場景、專家經驗等內容。
算力是數字孿生流域高效穩定運行的重要支撐，包括計算資源、存儲資源、網絡通信資源、會商環境等。
（5）“四預”之間的關系
“四預”之間環環相扣、層層遞進，是數字孿生流域的出發點和落腳點。
“預報”是基礎，對各類水安全要素進行預測預報，為預警工作贏得先機。
“預警”是前哨，對各類危害及次生災害的預警信息指導水利工作一線，為啟動預演提供指引。
“預演”是關鍵，在數字孿生流域中對典型歷史事件場景下的水利工程調度進行精準復演，確保所構建的模型系統準確，對設計、規劃或未來預報場景下的水利工程運用進行模擬仿真，及時發現問題，科學制定和優化調度方案。
“預案”是目標，確定工程調度運用、非工程措施和組織實施方式，確保預案的可操作性。
三、建設具有“四預”功能的智慧水利體系目標和任務
智慧水利建設是一項創新性工作，需要統籌謀劃、分步實施。
1.建設目標
“十四五”期間建成全國統一、及時更新的數據底板以及多級協同的模型平臺和知識平臺，迭代提升信息化基礎設施，建成七大江河數字孿生流域并在重點防洪地區實現“四預”，在跨流域重大引調水工程、跨省重點河湖基本實現水資源管理與調配“四預”，N項業務智能應用水平大幅度提升，數據共享和網絡安全防護能力明顯增強，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。
到2023年年底完成數字孿生流域建設94項先行先試任務并取得預期成果。到2025年年底基本建成具有“四預”功能七大江河數字孿生流域。
2.主要建設任務
主要包括建設數字孿生平臺、信息化基礎設施、水利智能業務應用以及網絡安全體系等四部分內容。
（1）數字孿生平臺
數據底板。水利部本級建設覆蓋全國的L1級數據底板，主要包括全國陸域范圍的30m空間分辨率的數字高程模型（DEM）、2m空間分辨率的數字正射影像圖（DOM）、30m空間分辨率的流域下墊面地表覆蓋數據以及局部重點區域數字表面模型（DSM）。流域管理機構和省級水行政主管部門建設覆蓋大江大河大湖及其主要支流江河流域重點區域的L2級數據底板，長度約5萬km，面積約18萬km2。此外，水利部本級制定統一的水利數據模型和水利網格模型，并與各流域管理機構和省級水行政主管部門協同建設數據引擎。
模型平臺。水利部本級組織各流域管理機構共同建設水文、水力學、泥沙動力學、水資源、水土保持、水生態、水利工程安全等7大類水利專業通用模型，各流域管理機構和省級水行政主管部門根據具體需要建設流域特色模型；水利部本級建設遙感識別、視頻識別、語音識別等3類智能識別模型，以及自然背景、流場動態、水利工程、機電設備等4類可視化模型。水利部本級與各流域管理機構和省級水行政主管部門協同建設模擬仿真引擎。
知識平臺。水利部本級建設通用知識庫和水利知識引擎，各流域管理機構和省級水行政主管部門根據需要定制擴展具有流域特色的水利知識庫和水利知識引擎，并實現服務調用和共享交換。水利部本級編制水利知識庫建設標準規范以及全國65條主要河流323個重要斷面的預報方案庫、水利對象關聯關系圖譜等知識庫。流域管理機構建設約40場次歷史大洪水場景庫以及預警規則庫、調度預案庫等知識庫。
（2）信息化基礎設施
水利感知網。水利部本級建設感知數據匯集平臺、視頻級聯集控平臺和水利遙感服務平臺，并牽頭開展陸地水資源衛星工程項目建設。各流域管理機構和省級水行政主管部門建設流域、區域感知數據匯集平臺，擴展定制視頻級聯集控平臺流域節點、區域節點和水利遙感服務平臺流域節點、區域節點，升級改造各類監測站，并裝備無人機、無人船等。
水利信息網。水利部本級、各流域管理機構和省級水行政主管部門優化調整網絡結構，推進IPv6規模部署和應用，擴大互聯網帶寬。此外，水利部本級建設北斗水利短報文服務平臺，升級水利衛星通信網。各流域管理機構和省級水行政主管部門組織有關單位建設水利工程工控網等。
水利云。建設一級水利云水利部本級節點和7個流域管理機構節點，其中水利部本級節點包括500臺基礎計算服務器資源、100PB存儲資源、300臺高性能計算服務器資源、30臺人工智能并行計算服務器資源；各流域管理機構節點共包括540臺基礎計算服務器資源、32PB存儲資源、70臺高性能計算服務器資源、45臺人工智能并行計算服務器資源；省級水行政主管部門依托政務云、自建云等建設二級水利云。
（3）水利智能業務應用
流域防洪。水利部本級、各流域管理機構和省級水行政主管部門在國家防汛抗旱指揮系統工程、中小河流水文監測預警系統、山洪災害防治等項目建設成果基礎上，基于數字孿生平臺，搭建“1+7+32”的流域防洪“四預”業務平臺。
水資源管理與調配。水利部本級基于數字孿生平臺，整合國家水資源信息管理系統、國家地下水監測工程建設成果等，對接省級水資源管理與調配系統，擴展水資源調配“四預”等功能，搭建國家水資源管理與調配系統。各流域管理機構和省級水行政主管部門在此基礎上結合流域特點整合相關系統、擴展功能、接入數據，搭建流域和區域水資源管理與調配系統。
N項業務。水利部本級在已有信息系統基礎上，結合國家水利綜合監管平臺，整合升級改造水利工程建設與運行管理、河湖管理、水土保持、農村水利水電、節水管理與服務、南水北調工程管理、水行政執法、水利監督、水文管理、水利行政、水利公共服務等業務應用。各流域管理機構和省級水行政主管部門在國家水利綜合監管平臺基礎上，結合流域和區域業務特點整合相關系統、擴展功能、接入數據，搭建流域、區域N項業務系統。
（4）網絡安全體系
水利部本級在網絡安全防護體系建設基礎上，強化數據安全防護，進一步加強重要數據保護和地理空間數據安全使用；建立健全水利行業關鍵信息基礎設施網絡安全監測預警制度，建設水利關鍵信息基礎設施安全保護平臺。各流域管理機構和省級水行政主管部門在現有安全體系建設基礎上，提升縱深防御、監測預警、應急響應等網絡安全防護能力，重點保護水利關鍵信息基礎設施。
3.建設布局
按照“突出重點、急用先建”原則布局，“十四五”期間主要覆蓋大江大河大湖及其重要支流的重要水利設施，包括長江、黃河、淮河、海河、珠江、松花江及遼河、太湖等大江大河大湖干流，以及180條主要支流及其他重點河流、20個重點湖泊、98個行蓄滯洪區、123個重點水庫、140個重點水閘、14個重要引調水工程、47處其他水利工程等。
業務上按照“大數據、大平臺、大安全”原則布局，底層數據通過數字孿生平臺橫向貫通，業務應用層相對獨立，涵蓋流域防洪、水資源管理與調配和N項業務。各級水行政主管部門之間按照“三級部署、多級應用”原則布局，部署在水利部本級、流域管理機構和省級水行政主管部門三級，支撐各級水行政主管部門業務應用。
4.推進數字孿生流域共建共享
數字孿生流域建設涉及上下游、左右岸、干支流及地表地下，量大、面廣，單靠一個單位是無法完成的，必須推進共建共享。
以流域為單元、空間為邊界、制度標準為依據，水利部本級、流域管理機構、省級水行政主管部門的三級數字孿生平臺建設為依托，數字孿生流域資源共享平臺為抓手，打牢數據底板共建共享重點，突破模型平臺共建共享難點，開展知識平臺共建共享試點，兼顧算力資源共建共享，構建整體謀劃、協同推進的整合集約共建機制，完善統一標準、聯通共融的高效可控共享機制，推進數據、模型、知識、算力等資源共建共享。
構建全國統一的數字孿生流域資源共享平臺，制定統一的數據、模型、知識等資源服務封裝、接口調用、運行監控、質量評估、異常反饋等標準，開發注冊、維護、下載、調用、監控、運營以及用戶、權限、評估等功能，逐步支持水利行業內外用戶實現算據、算法、算力等資源的共建共享。
數據底板方面，水利部本級、流域管理機構和省級水行政主管部門按照統一的水利數據模型標準構建數據引擎，按照各自共享清單將數據資源注冊到數字孿生流域資源共享平臺并負責維護，用戶可通過數據引擎綁定服務接口或下載一次性數據資源產品集等方式實現數據調用。
模型平臺方面，水利部本級、流域管理機構和省級水行政主管部門按照兼容性要求構建模擬仿真引擎，按照各自共享清單將模型資源注冊到數字孿生流域資源共享平臺并負責維護，用戶可下載模型映像到本地或采用在線調用模型服務接口等方式實現模型調用。
知識平臺方面，水利部本級組織各流域管理機構和省級水行政主管部門構建統一的水利知識引擎，按照各自共享清單將知識資源注冊到數字孿生流域資源共享平臺并負責維護，用戶可采用知識引擎綁定服務接口等方式實現在線調用。
5.開展以數字孿生流域建設為核心的先行先試
智慧水利建設體系龐大、任務繁重、時間緊迫，需要按照頂層設計和相關技術文件要求，總體謀劃、科學組織、多方協同、合力推進。其中數字孿生流域建設是一項技術難度大、實施復雜的系統工程，需要進行技術攻關和試點建設。
以數字孿生流域建設為主線，以數字孿生水利工程建設為切入點和突破口，以實現水利業務“四預”功能為目的，在大江大河重點河段、主要支流及重要水利工程開展數字孿生流域建設先行先試，示范引領數字孿生流域建設有力有序有效推進，加快構建智慧水利體系。
開展數字孿生流域建設，著重解決水利行業數據資源體系不完備、基礎設施配套不完善、網絡安全風險高、數據分析和支撐能力弱、保障體系不健全等突出問題，打通內部數據孤島，釋放數據價值，提升水利信息化資源共享、數據服務能力、分析計算、決策支撐、智能應用和可視化表達能力，提升水治理體系和治理能力現代化，非常必要和迫切。
水利部正依托國家重點研發計劃《多尺度流域水資源和水利設施遙感監測應用示范（SQ2021YFB3900015）》開展數字孿生流域關鍵技術研究，研發數字孿生流域原型系統，同時部署開展56家單位94項數字孿生流域先行先試任務，并把數字孿生水利工程作為切入點和突破口，探索一批可復制、可推廣的優秀案例、典型模式和技術路徑，為全面建成具有“四預”功能的智慧水利體系積累經驗。
