數字孿生流域建設的思路探討

蘇文松，姜歆，馬放

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

近年來，隨著大數據、云計算、人工智能等技術的快速發展，數字孿生已成為各個領域的研究熱點，并以實時同步、虛實映射、高保真度等特性為強化流域治理管理提供了一種新的思路。

1 關于數字孿生流域

數字孿生核心是通過信息空間和物理空間的無縫集成與實時映射，實現對物理空間對象的全生命周期管控。數字孿生與流域治理管理的結合推動了數字孿生流域的誕生。

2021 年我國公布國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要，明確提出要加快數字化發展，建設數字中國，“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”。在水利部“三對標、一規劃”專項行動總結大會和推進數字孿生流域建設工作會議上，李國英部長指出，數字孿生流域是以物理流域為單元、時空數據為底座、數字模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理全過程的數字化映射、智能化模擬，實現與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化。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，為各級水利部門智慧水利建設提供了基本技術遵循。

2 數字孿生流域建設

2.1 建設數字化場景

數字化場景的建設是以時空數據為底座，能夠反映物理流域、流域治理管理業務工作中各種要素，以物理流域要素演變過程、流域治理管理過程的數字化映射，實現基于數字孿生流域資源、方法重塑的業務流程，最終實現“全要素”“全過程”的映射目標。

數字化場景建設要反映全要素。數據要素是數字化場景的基礎，也是數字孿生流域建設的重要前提，從二十世紀七八十年代起，我國水利信息化建設不斷發展，工程監測、水文站網等不斷完善和發展，為數字化場景建設數據要素采集奠定了基礎，但仍存在感知體系不全、站網密度不足、信息化程度不高等問題，難以滿足全要素映射需求。同時，現有數字孿生技術大綱對基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據等5 類數據的界定還不夠清晰，數據類型、標準無法統一，一致性和準確性難以保證，數據更新維護機制還不健全，影響數字孿生流域底板建設和維護。對此，需要從流域層面上統一數據標準，完善地面監測站網的結構、布局、密度，強化衛星遙感解譯等新型監測技術應用，健全數據共建共享機制，避免信息孤島，做到一數一源、一數多用，實現現有條件下滿足數字孿生流域建設要求的全要素映射。

數字化場景建設要體現全過程。數字化場景構建需要體現現有工作流程，更應體現基于孿生流域平臺再造的工作流程。水利信息化建設經過幾十年的發展，形成了一套適合我國水利實際的治理管理業務流程，這是一筆寶貴的經驗財富，在數字孿生流域建設中也應予以繼承和發展。同時，水利業務流程也不僅僅是簡單的還原重現，隨著網絡化、信息化、智慧化水平的不斷提高，當前業務流程亟需以數字孿生流域建設為依托，用數字孿生的思維和方法對流程進行再造，實現業務流程優化升級，通過數字孿生與業務應用的虛實交互，不斷提高流域治理管理水平，更好適應時代發展需要。

2.2 進行智慧化模擬

智慧化模擬是在已建數字化場景中，以模型、知識為核心和驅動力，將流域現狀、治理管理可視化呈現，并以此對未來進行仿真、預演，最終實現虛實交互。

模型平臺基于數據底板，借助水利專業模型分析流域物理要素演變，利用智能識別模型增強流域感知能力，以模擬仿真引擎模擬水情發展，最終通過可視化模型動態呈現，為數字孿生流域提供“算法”。構建模型平臺中水利專業模型建設，一方面要對流域內適用性好的傳統模型予以保留繼承，按照數字孿生流域建設技術要求，進行“標準化、模塊化、云服務”升級改造。另一方面要大力推進水利專業模型技術攻關，深化對于產匯流機理、洪水形成演進規律、水庫群優化調度等流域規律的認識，借助大數據、云計算、人工智能等新興技術，創新研發信息化、數字化、智能化水利專業模型，同時要注重模型“共建共享”，提高模型的通用性和國產化程度，避免重復建設。另外對于可視化模型建設，其目的應是使人們能夠更加直觀、準確地理解和掌握決策模擬結果，避免為了可視化而可視化、三維化。

流域知識平臺建設通過對水利對象關聯關系和水利規律等知識的抽取、管理和組合應用，為數字孿生流域提供智能內核。知識是決策的基石，新中國成立以來，在黨中央、國務院的支持和領導下，我國水利建設積累了大量經驗。以淮河流域為例，治淮70 多年積累了大量洪澇災害防御、水資源保障、水污染治理、水生態建設等方面的知識經驗，在抵御2003 年、2007 年、2020 年淮河大水以及2009 年、2019 年嚴重旱災中發揮了巨大的作用。目前亟需通過構建水利知識圖譜庫，在充分總結流域水文預報、防汛調度、水資源管理、流域治理和管理經驗的基礎上，基于專家經驗決策的歷史過程，采取多種方式開展專家經驗挖掘、決策過程再現、經驗驗證、經驗修正等工作，以文字、圖像等形式固化專家經驗，實現專家經驗的有效復用和持續積累，促進個人經驗普及化、隱性經驗顯性化，達到應用專家經驗驅動的模式學習與探索，為復雜情境下的決策提供專家經驗與支撐。

2.3 實現精準化決策

精準化決策是在數字化場景、智慧化模擬的支撐下，使決策者擁有了數字化、網絡化、智能化的思維、戰略、資源、方法，從而使水利決策與管理更加科學、精準、高效，最終實現水利決策與管理能力水平的提升。精準化決策需要全面數據支撐、專家經驗輔助和基于“四預”精準化仿真模擬。

信息是決策判斷的基礎，數字孿生流域構建天空地一體化的水利感知體系，為決策提供海量數據信息，系統建設過程中要保障數據準確性和時效性，避免產生數據誤導；同時要通過對數據的挖掘和展示，使決策者透徹感知數據，避免數據迷失。

決策需要以知識驅動進行“專家級”定性分析、推斷，也需要基于數據、模型為核心的“專業級”定量分析、仿真。做好定性分析和定量計算的有機結合是實現科學、精準決策必然路徑。在實際工作中，對于防洪、水資源管理等相較成熟的業務，可以充分發揮數字場景、模型平臺的技術優勢，通過“四預”定量分析，實現“預報精準化、預警超前化、預演數字化、預案科學化”；河湖管理、水利工程建設與運行管理等業務現階段難以進行定量計算，更依賴于專家知識定性分析，可以在數字場景的基礎上，利用專家經驗輔助決策，實現精準化、科學化管理。總體而言，數字孿生流域涉及“2+N”項水利智能業務應用體系，在建設過程中要根據業務特點、智慧應用發展程度，有側重地通過定性、定量有機結合，進一步優化工作流程、提升業務協同能力，有效支撐流域保護治理、管理調度和決策的智慧化、精準化。

3 數字孿生流域后續發展

數字孿生流域作為強化流域治理管理的一種手段，最終還是要服務于業務需求，并落實到實際應用中。目前，我國的數字孿生流域建設仍處在起步階段，由于認識的局限性，對需求的了解還不深入和細致，這就要求數字孿生流域建設過程中充分考慮物理流域全要素和水利治理管理全過程，全面開展需求調研，將需求作為數字孿生流域規劃設計、運行管理的根本依據。在實際建設和應用的過程中，隨著環境的不斷變化和科技的飛速發展，人們對流域治理管理需求的認識逐漸加深，數字孿生建設也需要不斷完善。在這種動態調整的過程中，必須牢牢堅持“需求牽引、應用至上”要求，以需求和應用引領數字孿生流域建設，推動業務應用系統不斷更新迭代，更好地為流域治理管理和決策提供支撐，為新階段水利高質量發展助力賦能■