數字孿生海河建設及關鍵技術

李建新

（水利部海河水利委員會，300170，天津）

當今世界，以云計算、物聯網、大數據、移動互聯網、人工智能等新一代信息技術為特征的第四次工業革命推動數字技術快速發展，數字經濟成為繼農業經濟、工業經濟之后的主要經濟形態。

“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要提出“加快數字社會建設步伐”“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”。 智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的六條實施路徑之一，數字孿生流域作為智慧水利體系的核心， 是強化流域治理管理的技術支撐與基礎保障。 水利部大力推進數字孿生流域建設，編制印發了《“十四五” 期間推進智慧水利建設實施方案》及指導性文件，水利部海河水利委員會（以下簡稱海委）據此編制了 《數字孿生海河建設實施方案（2021—2025）》， 作為海委管轄的海河流域及內蒙古高原內陸河東部流域的數字孿生建設指導性文件。

一、海河流域概況

海河流域地處京畿要地，西靠太行、北依燕山、南界黃河、東臨渤海，總的地勢是西北高、東南低；地處溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區。流域主要有灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛河、徒駭馬頰河等七大河系，各大河系分流入海，山區河流源短流急， 平原河網交叉密布。流域降水量時空變化較大，多年平均降水量535 mm，水資源量370 億m3，人均水資源量250 m3，流域水資源開發利用率達106%。

通過多年的開發治理，海河流域現已形成“分流入海、分區防守”防洪減災格局、“二縱六橫”水資源配置格局、“六河五湖” 水生態綠色發展格局。 依據《海河流域“十四五”水安全保障規劃》， 謀劃解決流域水資源短缺、水生態損害、水環境污染、水災害頻發、水治理乏力等新老水問題，必須強化流域治理管理，實現流域統一規劃、統一治理、統一調度、統一管理，而數字孿生流域建設是技術支撐和基礎保障。

近年來，依托國家防汛抗旱指揮系統、 國家水資源監控能力建設項目、大江大河水文監測系統等大型信息化項目，海委及流域內各級水利部門加強了監測體系建設，完善了信息基礎設施，積累了數據資源，開發了多個業務應用，構建了網絡安全措施，已初步建立網信“六大工程”體系架構。 但對標國家發展戰略和流域水安全保障要求，海河流域水利信息化水平仍然存在較大的短板和不足，尚不足以為流域水利高質量發展提供支撐。

二、數字孿生流域

數字孿生，指在數字空間中用高仿真數字模型來映射物理世界，并將物理世界信息反饋到數字模型中，相互迭代優化， 也被稱為 “數字鏡像”“數字雙胞胎”或“數字化映射”。 數字孿生的基礎是數字模型、 核心是數據，具有“現實、真實、精確”特征。

數字孿生概念來源于美國軍方航天系統研究，從虛擬制造、數字樣機等工業制造技術上發展而來。 在生產航天器之前進行仿真模擬，能有效減少誤差和風險；通過數字孿生信息交互進行航天器的日常運行和維護，能迅速診斷問題。 數字孿生技術現已拓展到智能制造、設備保障、城市建設等多個領域。

引入數字孿生技術，建設數字孿生流域，就是把物理流域變成一個數字流域。 通過物聯網、5G、大數據、AI、虛擬仿真、區塊鏈等技術，以物理流域為單元、時空數據為底座、專業模型為核心、信息知識為驅動，對物理流域全要素和水治理全過程的數字化映射、智能化模擬，實現與物理流域的同步仿真、虛實交互、迭代優化，達到全要素信息交互和深度融合，實現預報、預警、預演、預案功能，為水工程安全運行和優化調度提供超前、快速、精準的決策支持。

推進數字孿生海河建設是強化海河流域治理管理的迫切要求。 按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”總要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設，構建數字孿生海河，加快建設具有“四預”功能的智慧水利體系，為流域水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

三、數字孿生海河建設內容

1.總體目標

到2025 年，充分運用物聯網、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術， 通過數字孿生平臺、信息基礎設施、“2+N”業務應用、網絡安全、保障體系建設，分河系依次建設數字孿生，優先在永定河、大清河、漳衛河實現防洪、 水資源管理調配2項業務的“四預”功能，N 項業務應用水平明顯提升，初步建成數字孿生海河。

到2035 年， 實現物理流域與數字孿生流域的交互映射、 同步仿真，全面建成數字孿生海河，水利業務應用的數字化、網絡化、智能化水平全面提升。

2.系統框架

數字孿生海河由信息基礎設施、數字孿生平臺、水利業務應用、網絡安全體系、綜合保障體系組成，如圖1所示。

圖1 數字孿生海河架構圖

3.布局安排

數字孿生流域建設在水利部的統一指揮下開展，依據水利部頒發的智慧水利相關標準、規范和技術導則進行統籌建設。 海委負責構建海河流域內大江、大河、大湖及主要支流數字孿生，流域內省級水利部門負責省域數字孿生建設，水利工程管理單位負責建設數字孿生水利工程，各級單位共享數字孿生建設成果，從而集成為“數字孿生海河”。 對新建大中型水利工程，要推進數字孿生工程與實體工程同步建設。

4.主要建設內容

（1）構建數字孿生海河平臺

數字孿生海河平臺主要包括數據底板、模型平臺、知識平臺三部分。

完善數據底板，提供“算據”支撐。在現有海委統一數據庫資源的基礎上，集成水利部L1 級、省級水利部門L2 級、工程管理單位L3 級數據底板，建設重點區域DEM 格網間距不低于2.5 m、DOM 分辨率優于1 m、DLG 平面精度不低于5 m 的L2 級數據底板，匯集海河流域自然要素、社會要素、水利要素，涵蓋地理空間數據、基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據等， 形成一數一源、一數一責的數據更新機制，構建數據資源池。

構建模型平臺，提供“算法”支撐。主要建設標準統一、接口規范、分布部署、快速組裝、敏捷復用的模型平臺，在數字空間對水治理活動進行智慧化模擬， 為數字孿生流域提供模擬仿真功能。主要包括水利專業模型、智能模型、可視化模型和仿真引擎。

搭建知識平臺，提供“智力”支撐。利用機器學習等技術感知水利對象、認知水利規律，滿足數據分析、專業模型、機器視覺、學習算法等不同應用場景需求，支撐新一代水利業務應用創新。 主要包括水利知識、水利知識引擎。

（2）完善水利信息基礎設施

水利信息基礎設施是提升 “算力”的基礎。 主要包括水利感知網、水利信息網、海河水利云、調度會商體系等。

水利感知網。 在共享相關部門的氣象、水利、地理空間、經濟社會等信息的基礎上，通過運用物聯網、衛星遙感、無人機、視頻監控、智能識別等技術，構建覆蓋全流域天空地一體化的水利感知網，實現流域水情、雨情、工情、災情、旱情、水質、生態等水信息全要素的實時感知。

水利信息網。 充分利用國家公共通信網的4G、5G、NB-IoT、 光纖、衛星、微波等通信技術手段，以有線、無線融合互補的方式，組建形成覆蓋全流域的高速寬帶互聯信息網絡。 建設水利物聯網、水利業務網、水利工控網和應急通信網，實現流域機構至省級水管單位網帶寬到200 Mbps 以上，至海委屬四局與地市級水管單位鏈路帶寬到100 Mbps 以上，至大中水庫（水閘）管理單位鏈路帶寬到50 Mbps以上，至小型水庫（水閘）管理單位鏈路帶寬到20 Mbps 以上， 骨干網全面支持IPv6，實現工控網與互聯網物理隔離。

海河水利云。 在現有的云設施基礎上， 補充完善高性能軟硬件、AI 算力基礎設施，形成具有不少于200 個計算節點和50 PB 存儲能力的云計算、云存儲環境，在漳衛南局局機關建設海河流域水利數據災備中心。

調度會商體系。 基于已有的調度會商等基礎設施，搭建從流域管理機構至基層管理單位多級聯動的流域智慧調度會商體系，建設海委視頻會議云平臺，為防洪等業務應用提供數據、語音、視頻交流的會商環境。

（3）構建“2+N”水利業務應用

基于統一的數字孿生平臺、信息基礎設施，構建“2+N”水利業務應用?！?”是指水旱災害防御、水資源管理與調配業務應用系統，“N”是指水文管理、水利工程管理、節水管理、河湖管理、水行政執法、水土保持、水利監督、水利行政等業務應用系統，實現各項水利業務的“四預”功能，為管理者提供數字化場景、 智慧化模擬、精準化決策服務。

業務應用應提供適應PC 端、移動端、調度會商終端的操作平臺和展示方式， 以滿足不同業務場景需求。根據流域、省、市、縣各級水行政管理的特點，分級進行業務應用建設。

（4）強化網絡安全體系

遵循“安全、實用”原則，建立流域信息采集、傳輸、存儲、應用等全過程的縱深安全防御體系。 按照網絡安全等級保護基本要求，重點強化水利關鍵信息基礎設施、三級以上信息系統安全防護， 實現監測探針全覆蓋，建立局域網內分區防守、工控網物理隔離的網絡安全機制，形成覆蓋各級水利部門的網絡安全信息通報機制和應急響應體系，提高網絡安全防護能力。

（5）提升綜合保障能力

數字孿生海河建設，是一項整合資源、創新需求、共享數據、提升能力的重大工程，需各部門、各單位通力協作。 積極爭取資金投入，拓寬資金來源，統籌資金渠道；強化管理，規范操作，實行清單管理、掛圖作戰、責任到人；優化人才機制，加強技能培訓，鍛煉培養一批懂業務、懂技術的復合型人才。

四、數字孿生海河關鍵技術

1.天空地立體智能監測技術

構建覆蓋全流域天空地一體化的水信息監測體系，涉及的主要智能監測技術有：自動監測技術，實現雨情、水情、工情、墑情、水質、生態等方面的監測感知自動化； 遙感監測技術，通過衛星、雷達等獲取水利遙感數據，并進行影像智能解譯和加工處理， 持續跟蹤水利各要素動態變化；視頻監測技術，基于智能視頻的自動識別分析服務，實現河湖水情工情險情、工程建設與運行狀態的動態監管和自動預警；移動監測技術，采用無人機、遙控船、機器人等工具搭載水量、水質、視頻監測設備，實現對河湖水系、水利工程、管理活動的動態感知；物聯網技術，利用5G、NB-IoT、北斗通信等新一代物聯通信技術實現復雜條件下感知終端接入水利監測感知網。

2.流域水利大數據治理技術

數字孿生流域通過實時監測、共享集成了大量的水利相關數據，涵蓋流域水情、雨情、工情、災情、旱情、水質、生態等水信息全要素，以數字、文本、圖片、影像、音頻、視頻等形式存在，其存儲形式包含結構化、半結構化、準結構化、非結構化數據。 采用一數一源、 一數一責的數據更新機制，構建數據資源池，形成流域水利大數據治理體系。

（1）基于云平臺的“算力”調配技術

通過云平臺的資源管理、運維管理等功能把海河流域數據中心的計算資源和存儲資源集成起來，實現對服務器和存儲設備的統一管理和調度，實現計算資源、存儲資源的動態流轉與分配， 確保業務系統運行安全、可靠、高效，提高數據中心資源利用率，提升運營維護效率。

（2）基于水網的“算據”集成技術

隨著水信息化的發展，相關信息量呈幾何級數增長，越來越迫切需要一個大數據集成技術，以提高數據管理水平。 不難發現，水系形成的“水網” 是所有涉水事件共同面對的對象， 涉水信息都與水網息息相關，基于水網可實現與河流相關所有信息的集成與共享。

（3）大數據的“算法”分析技術

要挖掘水利大數據中所蘊含的演變規律和有價值的信息，就必然要對大數據進行內容上的分析與計算，即大數據“算法”分析。常用的有人工智能（語言識別、圖像識別等）、數據挖掘（神經網絡、遺傳算法、決策樹方法、統計分析、模糊集方法等）、可視化分析（知識圖譜、熱圖、空間信息流等）。

3.基于水循環的精準模擬技術

海河流域是一個水災害多發、水資源短缺、水環境污染、水生態損害較為嚴重的地域，江河安瀾、水資源平衡、水環境保護、水生態修復是流域水利高質量發展的基本保障，水事活動的預測、控制和調節的精準化模擬是基礎支撐。 利用水循環模擬技術，實現陸域與海域、流域與區域、節水與治污、人工與自然、降水與蒸發、地表與地下、水量與水質的全過程精準模擬，分析水災害、水資源、水環境、水生態的歷史演變，預測未來各種情景下的狀況， 如不同水文系列、水平年、地下水超采、水利工程、河湖治理、入海水量、南水北調、企業點源、農業面源等因素的變化，為水管理提供科學依據，并采取針對性措施實現水利高質量發展。

4.基于知識挖掘的“四預”業務應用技術

在需求牽引、 應用至上原則下，業務應用以錨定精準化決策為目標，通過數字流域與物理流域全要素動態深度融合，同步仿真模擬運行，實現預報、預警、預演、預案功能，為流域防洪、 水資源管理調配等水利主要業務提供超前、快速、精準的決策支持。

業務應用精準決策需要用數據說話， 這個數據不是雜亂無章的數字，而是聰慧的信息（知識）。 故水管理業務需要從紛繁的直觀數據中整理出有意義的信息、分析出有價值的知識、感悟出能理解的智慧，從而作出較為科學的決策。 這就是知識挖掘的過程，即從數據庫大量、不完全、模糊、隨機的數據中，提取隱含在其中的、人們事先不知道但又潛在有用的信息和知識的過程。

5.基于虛擬現實的三維可視化仿真技術

通過虛擬仿真、 增強現實等技術構建三維可視化仿真模擬系統。 以數字流場為數字底座，以基礎數據、監測數據、 業務數據以及流域水循環模擬系統的模擬成果為支撐， 真實呈現流域自然環境、 水利工程等場景要素以及洪水演進、洪水淹沒、水資源調度過程等流場動態，實現水位、流速、流量、水質等水利要素的可視化展現， 實現海河流域自然資源、生態環境、經濟社會、 水利工程等的歷史與未來演變的可視化仿真， 提供與數字流域中虛擬對象的實時交互， 從而實現水利工程調度、水資源調配、水旱災害防御等水利管理業務的數字模擬情景再現。

海河三岔口 高 群 攝

6.基于智能化的網絡安全監管技術

網絡安全監管智能化技術是現代信息化技術、網絡技術以及控制技術等的結合應用，能夠自動識別網絡安全中存在的不穩定因素，并制定相應管控措施。 主要包括網絡安全識別技術、網絡智能掃描技術、網絡安全智能評估技術、網絡態勢智能預測技術、網絡優化智能分析技術等，借助大數據安全分析技術，能夠智能洞悉信息與網絡安全的態勢，主動、彈性地去應對新型復雜的威脅和未知多變的風險。 ■