数字孪生 智慧赋能 共护河湖——四川成都市智慧水务建设探索与实践
2023年11月13日 18时35分来源: 四川河湖微信公众号【字体：大 中 小】
摘要：保护江河湖泊、全面推行河长制，事关人民群众福祉，是推动成渝地区双城经济圈建设的重要保障，而保护治理工作是一个庞大复杂的系统工程，“如何依托现代信息技术变革治理理念和治理手段赋能河长制管理”成为实现社会主义现代化道路上的必答题。为深入贯彻“十六字”治水思路，全面巩固扩展智慧水务发展成果，以智慧化驱动河长制高效管理，成都市整合多方资源，着手推进水务智慧化建设，不断探索优化，并逐步探索出了一条数字孪生驱动河长制管理工作新模式，全面实现了“智慧”管水、“智慧”护水。
关键词：成都 河长制 数字孪生 智慧化
引言：成都市深入践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，以建设践行新发展理念的公园城市示范区为统领，以构建水务高质量发展战略格局为抓手，以“全域感知、动态监测、精准调控、协同管理和高效应用”为导向规划布局智慧水务体系，以“谋顶层架构、建标准规范、强统筹推进、布神经感知、筑数据支撑、强应用赋能”为抓手，构建数字孪生为底座的智慧水务平台，赋能河长制精细化管理，协力提升超大城市敏捷治理、科学治理水平。
一、背景情况
成都位于长江上游，属长江流域岷沱江水系，岷江及沱江干流穿越市境，都江堰灌区渠系与自然水系纵横交错形成了成都平原水网。2017年2月，成都市委市政府深入贯彻落实习近平生态文明思想，积极践行“绿水青山就是金山银山”理念，全面推行河长制，建立市、县、乡、村4级河长体系，并设立“河道警长”，全市河流、水库、渠道、山溪沟全部纳入河长制管理范围。
但在工作过程中，逐渐暴露出一些问题：一是监测感知站网覆盖不全面、监测感知手段不智能。各类水务信息获取主要依靠自下而上的逐级人工填报和审核来完成，不能利用信息手段和信息管理系统精准、及时、发现问题，没有实现动态管理。二是数据资源支撑不够，地理空间数据不完善。存在纵向上市、区（县）汇集困难、横向上数据对接不通畅等问题，造成数据资源分散、更新机制缺失、开发利用率低等问题。三是业务系统建设不全面、应用智能化不达标。目前一些河长制管理业务方面还未建设应用系统，标准规范不统一，缺少智慧化管理手段。因此，如何进一步提高河长制管理工作效率，促进人工管理向智慧化管理转化成为亟待解决的问题。
二、主要做法
2019年，成都市优化制定了智慧水务顶层设计方案，确定了“全域感知、动态监测、精准调控、协同管理和高效应用”建设目标，明确了“水资源、水安全、水生态、水净化、水管理、水文化”六大模块建设内容。2020年，智慧水务正式启动建设，按照“三统三分”的建设模式，即“统一规划、统一标准、统筹项目、分工负责、分块实施、分步推进”，统筹锦江水生态治理智慧管理项目、九道堰流域信息化建设项目和基层防汛预警等涉水信息化项目，全面启动智慧水务建设。2022年，制定《成都市“十四五”智慧水务发展规划》，推进以数字孪生为驱动的智慧水务体系建设，赋能河长制智慧化管理。
（一）强化智能互联，建设空天地一体水务感知网络
建设统一物联感知平台，通过“共享+自建”的方式结合，完善外场感知点位。目前已接入生态环境、公安、水文等部门和水务自建的外场感知监测站，包括：水质监测站276个、视频站18万余个、水位流量站301个、水库水位站281个、雨量站1445个、下穿隧道189个、管道监测2698个、无人机2台、单兵50台、无人船1艘，基本实现多目标、多要素的实时在线感知监测。
（二）夯实数据底板，打造融合共享的数字孪生基座
建成融合共享的水务智慧大脑，全面打造全域智慧流域总框架、总平台、总中枢、总核心。
1.建设成都水系一张图，采用人工与程序、内业分析与外业踏勘相结合的方式，形成一套空间覆盖全面、属性填写完整的基础数据，录入全量河流（525条）、斗渠以上渠道（2726条）、山溪沟（445条）、全量水库（235座，含省管紫坪铺水库、张家岩水库和磨儿潭水库3座）、重点塘坝（44座）、过河桥梁（3428座）、人工湖（43座）、水电站（302座）、水闸（1937座）。
2.完成数据汇聚与共享，坚持以业务需求为导向，以“无条件归集、有条件共享”为原则，全面推进水务数据资源集约共享开放，汇聚全量动态监测、业务管控、视频监控等海量数据。共汇集水务数据4780GB，数据库存储总量6.87亿条，形成206条资源目录，向外部单位及各区（市）县和局内各处室，提供共享接口累计调用1.1亿次。
3.构建数字孪生模型平台。搭建三维可视化模型、水利专业模型、智能识别模型三类模型引擎，建设沱江水文预警、中心城区网格化降雨预报、中心城区内涝预测等专业模型，建设L2级河道和L3级水利工程设施的三维模型底座，建设视频分析智能识别模型，为各类应用提供三维可视化、预测预报分析等共性支撑。
4.构建水务专业知识平台。利用知识图谱和自然语言处理等技术，实现对水务关系、规律等知识的抽取、管理，构建预案、物联感知、标准知识库，为水务知识查询和关联关系分析提供辅助支撑。
（三）聚焦业务核心，构建协同创新的智慧应用体系
分期建成AI智能巡河、防汛减灾、水资源智能调度等业务应用，为河长制管理的业务工作提供智慧支撑。
1.通过水质监测站、沿河视频、排口视频等前端感知终端和无人机远程巡检，智能发现各类涉水问题，让河长的主要工作重心由发现问题向处置问题转换。如河道防溺水事件，在部分河道边安装带有AI识别算法的智能摄像头，自动识别下河游泳等涉水不安全行为，自动生成“防溺水”事件推送至属地区（县）事件中枢和城运水务分中心，实现了从智能发现到问题处置全过程闭环管理。
2.建设成都市防汛指挥系统。应用物联感知一张网实现成都市全域雨情、水情和汛情的实时动态监测；将关键指标与时间、空间态势相结合，打造业务时空一张图；应用防汛相关预报数学模型实现江河洪水和城市内涝的预测预报；对应急人员和车辆搭载北斗终端定位设备，实现“120式”的灾情点位、救援物资、人员和车辆智能匹配，实现高效指挥调度。
3.建设锦江流域水资源智能调度系统。利用水利模型和闸坝远程控制，可实现河道生态水量、景观蓄水、通航水位的精准研判和智能调度；平台通过模型计算，自动化生成水量配置方案，指令下发闸站值班人员，实施闸门启闭，可实现锦江上6个闸坝群智慧调水，大大提升了流域水质水量的精细化、智慧化管理水平。
4.建设供水监管系统。实现了从水源取水、水厂制水、管网输水到居民用水的全过程智慧管理。如上游水源地发生污染，系统会自动启用备用水源保供；系统依托大数据、云计算等搭建的数理模型，可根据一定时间段供水量变化趋势，实现供需两级峰值预警，确保城市供水安全。
（四）突出区域协同，推动成都都市圈河长制协同治理
建成“四个统一”的成德眉资河长制E平台，推动成都都市圈河湖治理管护高质量发展、共筑长江上游生态屏障。通过健全“一套制度”、构建“一张底图”、建立“一个平台”、形成“一套标准”，提升了“四地同城”河湖现代化治理管护能力，为全国都市圈河湖共管共护提供了先试先行的范本。截至2023年5月底，成德眉资河长制E平台注册河长共计12856名，汇聚4市河长制巡河业务数据9278.1 万条，发现河湖水环境问题103066个，协调处置问题101549个。
（五）建立标准规范，构建统筹共建的建设实施体系
制定《成都市水务局网络信息安全管理办法》《成都市水务局数据资源管理办法》《成都市水务局信息化项目建设管理办法》，规范和促进政务数据资源管理、共享和应用，规范信息化项目的建设和管理。制定《成都市水系数据建库标准》《成都市智慧水务数据资源目录分类编码标准》《成都市智慧水务数据采集与交换系统采集技术标准》《成都市智慧水务评价指标体系标准》，明确相关技术标准和规范，保证各项技术在实施过程中的统筹作用。
三、主要成效
智慧水务建设以物联感知、智慧大脑、智能应用、区域协同、标准规范为重点，有效提升了水务管理“视”“汇”“算”“预”“控”的能力。
1.物联感知基本实现重点区域全覆盖。通过运用视频监控、感知终端、无人机等多种方式，在河道管理、水源地监测、水质监测、水位监测、智能水表等多个业务领域，开展了基于物联感知的数据采集与分析应用。
2.数据资源开发不断深化。开展全市水务数据治理攻坚行动，完成水务数据资源目录编制、数据接入、梳理、汇聚、治理与交换共享。
3.智慧治理水平不断提升。利旧与新建相结合，分批建成多个智慧应用场景并投入使用，基本完成全业务链条的数字化转型，提升了河长制工作的智慧化管理水平。
四、经验及启示
总结本项目历年进程，对全面推行河长制智慧化建设工作，主要有以下几点经验启示。
(一)夯实算据是基础。锚定数字化场景目标，构建天、空、地一体化水务感知网，通过优化提档水文、水资源、河床演变、水务工程等地面监测，完善地下水监测站网，加强卫星、无人机、无人船等载体遥感监测，提升应急监测能力，推进物理流域监测系统的科学建设和高频乃至在线运行，为数字孪生流域提供精准物理参数和现实约束条件，保持数字孪生流域与物理流域的精准性、同步性、及时性。
（二）算法模型是关键。锚定智慧化模拟目标，深入研究流域自然规律，充分利用大数据、人工智能等新一代信息技术，融合流域多源信息，升级改造流域产汇流、水资源调配、工程调度、内涝预报等模型，研发新一代高保真水务专业模型，统筹运用好基于机理揭示和规律把握的数学模型，以及基于数理统计和数据挖掘技术的数学模型，确保数字孪生流域模拟过程和流域物理过程实现高保真。
（三）算力水平是支撑。扩展计算资源，按照“集约高效、共享开放、按需服务”的原则，依托成都超算中心、智算中心算力，提升物理分布、逻辑集中、协同工作的高性能算力，满足数据处理、模型计算的需要。要升级通信网络，实现水务系统网络无盲区无死角互联，满足各类信息及时高效传输，并充分利用北斗、5G等新一代网络技术，保障监测站网在极端恶劣环境下的安全可靠传输。
（四）“四预”能力是目标。在数字孪生流域中强化预报、预警、预演、预案能力，实现风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施，确保水务决策精准安全有效。提高超前预报精度。通过“四预”环环相扣、层层递进，提升流域治理管理的数字化、网络化、智能化水平，在预演结果基础上进行分析评估，滚动调整水工程运行、应急调度、人员防灾避险等应对措施，迭代优化运行调度方案，有效提高预案的科学性和可操作性。
