蔡阳：以数字孪生流域建设为核心构建具有“四预”功能智慧水利体系
2021年推进数字孪生流域建设工作会议和2022年全国水利工作会议明确提出，数字孪生流域建设是推进智慧水利建设的关键和核心，必须加快推进。
2022年以来，水利部先后出台《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水网建设技术导则（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》等系列文件，细化明确了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程、水利业务预报—预警—预演—预案（以下简称“四预”）等建什么、谁来建、怎么建以及如何共享等要求，为各级水利部门智慧水利建设提供了基本技术遵循。
一、数字孪生流域的提出
推进数字孪生流域建设是水利部党组贯彻落实习近平总书记关于网络强国的重要思想、针对水利业务工作特点，综合分析水的自然属性、中国特色社会主义制度以及现代信息技术发展现状而提出的。
1.数字孪生流域的提出背景
“孪生”概念起源于20世纪60年代美国航天“阿波罗计划”，主要是在太空和地面同步运行两个几乎完全相同的航天器，从而通过检查地面航天器的状态辅助处理太空航天器遇到的紧急事件。2003年前后，迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）教授在美国密歇根大学的课堂上提出数字孪生的设想并随后将其应用于制造业。2010年，美国国家航空航天局（NASA）的技术报告中正式使用了“数字孪生”一词。随着研究的不断深入和新一代信息技术的发展，城市管理、交通、建筑、制造等越来越多的领域开始应用数字孪生。例如，工业制造领域，通过数字建模对产品的设计、生产、维护等环节进行实时动态仿真，继而反映机器设备的全生命周期过程。航空航天领域也从传统物理制造升级为智能制造，如航空发动机先进企业可以不生产原型和样机，也不进行风洞实验，首先构建数字孪生体，嵌入温度、转速等物理参数，并在数字空间反复进行虚拟仿真实验，得到最优的几何形状、材料配比以及推力、燃油消耗率等各类参数，最后才在生产线上制造物理发动机。
随着新一代信息技术飞速发展和广泛应用，物理世界和数字世界界限逐渐模糊，数字孪生城市等应运而生。显然，“数字孪生”不再仅仅是一种技术，而是一种发展模式、一种转型路径、一股推动行业变革的动力。
数字孪生运用于自然界的案例相对较少，2021年10月21日欧空局理事会提出了“目的地地球”计划。计划在未来5到6年内分两批逐步实施，首批开发的两个数字孪生是关于天气诱发的地球物理极端现象的数字孪生和气候变化适应的数字孪生。天气诱发的地球物理极端现象的数字孪生，将为评估和预测极端环境提供能力和服务，决策者将能够更精确地预测极端自然事件的发生和影响，如洪水和森林火灾；气候变化适应的数字孪生将支持在区域和国家层面分析性见解的产生和情景预测，以在区域和国家层面支持气候适应和缓解政策。作为一个里程碑，这两个“数字孪生”预计将在2030年12月推出。
2021年4月，水利部部长李国英高位推动智慧水利建设总体设计，明确提出了数字化、网络化、智能化建设目标，阐释了智慧水利建设中数字孪生流域的定位和作用，构建了“2+N”智慧水利业务体系，提出了智慧水利业务的“四预”功能，并对任务分工和保障措施提出了具体要求。2021年6月28日，水利部党组召开“三对标、一规划”专项行动总结大会提出，要推进智慧水利建设，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，构建数字孪生流域，开展智慧化模拟，支撑精准化决策，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，至此“数字孪生流域”首次正式提出。数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、水利模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理流域的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。
2021年12月23日水利部召开推进数字孪生流域建设工作会议，李国英部长全面系统阐述了为什么要建设数字孪生流域、怎样建设数字孪生流域、如何保障推进数字孪生流域建设等重大问题，指导当前和今后一个时期全国水利系统推进数字孪生流域建设。
进入2022年，根据水利业务特点，水利部又先后提出数字孪生水利工程、数字孪生水网并进行顶层设计，至此数字孪生流域、数字孪生水网和数字孪生水利工程共同形成水利数字孪生系列，三者分别是物理流域、物理水网、物理水利工程在数字空间的映射，三者的关系决定于三个物理实体的相互关系，它们互不替代、各有侧重、相对独立、互联互通、信息共享。
考虑到数字孪生流域最能体现水利特点也是最早提出，因此下述以数字孪生流域来代表水利数字孪生系列。
2.为什么智慧水利建设要以数字孪生流域建设为核心
推进智慧水利建设要以数字孪生流域建设为核心，是顺应以流域为单元、强化流域治理管理、适应信息技术发展的需要。
流域是降水自然形成的以分水岭为边界，以江河湖泊为纽带的空间单元。水的自然属性决定了由流域内上下游、左右岸、干支流和地表地下的自然联系，形成了天然的水系整体，流域内山水林田湖草沙等各生态要素紧密联系、相互影响、相互依存，构成了流域生命共同体。所以强调要以流域为单元，这是顺应自然规律。
流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性。这种特性决定了治水管水的思维和行为必须以流域为基础单元，坚持系统观念、坚持全流域“一盘棋”，实现流域统一规划、统一调度、统一治理、统一管理。历史上黄河三年两决口、百年一改道就是最生动写照。中华人民共和国成立后，我国水管理体制实行以流域为单元与区域管理相结合的管理体制，全国层面设置七大流域管理机构进行流域管理，各地方也在辖区内设置不同级别的管理机构管理重点河湖。所以强调整个流域统筹考虑，这是顺应管理体制。
推进数字孪生流域建设是由水利工作的空间特点决定的，水利是一项大尺度、大范围的工作，不可能在物理流域中试验不同方案，只能在数字空间进行反复预演，经过综合评估分析后选择最优方案，运用到实际工作中，这是顺应技术发展。
二、智慧水利组建思路
充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，建设数字孪生流域，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，建成具有“四预”功能的智慧水利体系，赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。
1.智慧水利组成
（1）智慧水利总体框架
智慧水利由数字孪生流域、业务应用、网络安全体系、保障体系等组成。其中，数字孪生流域是智慧水利建设的核心与关键，包括数字孪生平台和信息化基础设施；流域防洪、水资源管理与调配以及N项业务应用调用数字孪生流域提供的算据、算法、算力等资源。
▲智慧水利总体框架
（2）数字孪生流域技术框架
数字孪生流域是智慧水利建设的核心与关键，以水利感知网、水利信息网、水利云等为基础，运用大数据、人工智能、虚拟仿真等技术，以物理流域为单元、多维时空数据为底板、水利模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智能化模拟，支撑实现流域防洪、水资源管理与调配“四预”以及N项水利智能业务应用。
▲数字孪生流域建设技术框架
（3）数字孪生流域组成
①数字孪生平台。主要由数据底板、模型平台、知识平台等构成。各组成部分功能与关联为：
数据底板汇聚水利信息网传输的各类数据，为智慧水利提供“算据”，包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据以及多维多时空尺度数据模型。主要是在全国水利一张图基础上扩展升级，为各级水利部门提供统一的时空数据基础，细分为3级数据底板。
模型平台利用数据底板成果，以水利专业模型分析物理流域要素变化、活动规律和相互关系，通过智能识别模型提升水利感知能力，利用模拟仿真引擎模拟物理流域的运行状态和发展趋势，并将以上结果通过可视化模型动态呈现，为智慧水利提供“算法”，包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎。
知识平台汇集数据底板产生的相关数据、模型平台的分析计算结果，经水利知识引擎处理形成知识图谱服务水利业务应用。主要包括对象关联关系图谱、预报方案库、业务规则库、调度方案库、历史场景库和水利知识引擎。
②信息化基础设施。主要由水利感知网、水利信息网、水利云等构成。各组成部分功能与关联为：水利感知网负责采集数字孪生流域所需各类数据；通过水利信息网将数据传输至数字孪生平台数据底板；水利云平台负责提供数据计算和存储资源。
2.智慧水利建设总体思路
（1）总体要求
需求牵引。从水利部门职责出发开展需求分析，掌握水利业务目标、流程、功能、数据等，以此作为智慧水利规划设计、建设管理基本依据。
应用至上。业务部门要善于用数据说话、用数据管理、用数据决策，会用、善用智慧水利系统为水利治理管理和决策提供支撑；网信部门要确保建成的系统管用、实用、好用。
数字赋能。推动新一代信息技术与水利业务深度融合，推动水利业务智能化，发挥数字化、网络化、智能化对水利现代化加速器、催化剂作用，推进水利决策科学化、水利治理管理精细化、水利公共服务高效化。
提升能力。在“四预”功能支撑下，实现水利工程的实时监控、优化调度，提升水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置和大江大河大湖生态治理保护等能力。
（2）建设主线
数字化是把物理世界在计算机系统中进行虚拟仿真，利用数字技术驱动模式创新、流程再造。
网络化是利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机及各类电子终端设备互联起来，按照一定网络协议相互通信以达到所有用户可以共享软件、硬件和数据资源。
智能化是使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能、自适应的学习功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。智能化是从人工、自动到自主的过程。
数字化奠定基础，实现数据资源的获取和积累；网络化构造平台，促进数据资源的流通和汇聚；智能化展现能力，通过多源数据融合分析呈现信息应用的类人智能，帮助人类更好认知事物和解决问题。
（3）实施路径
构建数字化场景。以自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息为主要内容，对物理流域进行全要素、水利治理管理活动全过程数字化映射，并实现物理流域与数字孪生流域之间动态、实时信息交互和深度融合，保持两者同步性、孪生性。重点是构建数字流场，主要任务是建设数据底板，为智慧水利提供海量数据支撑。
开展智慧化模拟。在数据底板的基础上，构建水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎等组成的模型平台，以及水利对象关联关系、预报调度方案、业务规则、历史场景、专家经验和知识引擎等组成的知识平台，为智慧水利提供细化、量化、动态、直观的计算分析等功能。重点是支撑模拟仿真，主要任务是建设模型平台和知识平台，为智慧水利提供算法驱动。
实现精准化决策。在防洪调度、水资源管理与调配、水生态过程调控等预演的基础上，生成决策建议方案。重点是制定最优化方案，主要任务是科学制定预案，以便最大程度提前规避风险、提高效益、减少损失。
（4）建设重点
算据是物理流域及其影响区域的数字化表达，是构建数字孪生流域的基础，包括自然地理、干支流水系、水利工程基础数据，监测数据，业务管理数据，地理空间数据，经济社会信息等各类数据。
算法是物理流域自然规律的数学表达，是构建数字孪生流域的关键，包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型以及水利对象关联关系、预报调度方案、业务规则、历史场景、专家经验等内容。
算力是数字孪生流域高效稳定运行的重要支撑，包括计算资源、存储资源、网络通信资源、会商环境等。
（5）“四预”之间的关系
“四预”之间环环相扣、层层递进，是数字孪生流域的出发点和落脚点。
“预报”是基础，对各类水安全要素进行预测预报，为预警工作赢得先机。
“预警”是前哨，对各类危害及次生灾害的预警信息指导水利工作一线，为启动预演提供指引。
“预演”是关键，在数字孪生流域中对典型历史事件场景下的水利工程调度进行精准复演，确保所构建的模型系统准确，对设计、规划或未来预报场景下的水利工程运用进行模拟仿真，及时发现问题，科学制定和优化调度方案。
“预案”是目标，确定工程调度运用、非工程措施和组织实施方式，确保预案的可操作性。
三、建设具有“四预”功能的智慧水利体系目标和任务
智慧水利建设是一项创新性工作，需要统筹谋划、分步实施。
1.建设目标
“十四五”期间建成全国统一、及时更新的数据底板以及多级协同的模型平台和知识平台，迭代提升信息化基础设施，建成七大江河数字孪生流域并在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，N项业务智能应用水平大幅度提升，数据共享和网络安全防护能力明显增强，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。
到2023年年底完成数字孪生流域建设94项先行先试任务并取得预期成果。到2025年年底基本建成具有“四预”功能七大江河数字孪生流域。
2.主要建设任务
主要包括建设数字孪生平台、信息化基础设施、水利智能业务应用以及网络安全体系等四部分内容。
（1）数字孪生平台
数据底板。水利部本级建设覆盖全国的L1级数据底板，主要包括全国陆域范围的30m空间分辨率的数字高程模型（DEM）、2m空间分辨率的数字正射影像图（DOM）、30m空间分辨率的流域下垫面地表覆盖数据以及局部重点区域数字表面模型（DSM）。流域管理机构和省级水行政主管部门建设覆盖大江大河大湖及其主要支流江河流域重点区域的L2级数据底板，长度约5万km，面积约18万km2。此外，水利部本级制定统一的水利数据模型和水利网格模型，并与各流域管理机构和省级水行政主管部门协同建设数据引擎。
模型平台。水利部本级组织各流域管理机构共同建设水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水生态、水利工程安全等7大类水利专业通用模型，各流域管理机构和省级水行政主管部门根据具体需要建设流域特色模型；水利部本级建设遥感识别、视频识别、语音识别等3类智能识别模型，以及自然背景、流场动态、水利工程、机电设备等4类可视化模型。水利部本级与各流域管理机构和省级水行政主管部门协同建设模拟仿真引擎。
知识平台。水利部本级建设通用知识库和水利知识引擎，各流域管理机构和省级水行政主管部门根据需要定制扩展具有流域特色的水利知识库和水利知识引擎，并实现服务调用和共享交换。水利部本级编制水利知识库建设标准规范以及全国65条主要河流323个重要断面的预报方案库、水利对象关联关系图谱等知识库。流域管理机构建设约40场次历史大洪水场景库以及预警规则库、调度预案库等知识库。
（2）信息化基础设施
水利感知网。水利部本级建设感知数据汇集平台、视频级联集控平台和水利遥感服务平台，并牵头开展陆地水资源卫星工程项目建设。各流域管理机构和省级水行政主管部门建设流域、区域感知数据汇集平台，扩展定制视频级联集控平台流域节点、区域节点和水利遥感服务平台流域节点、区域节点，升级改造各类监测站，并装备无人机、无人船等。
水利信息网。水利部本级、各流域管理机构和省级水行政主管部门优化调整网络结构，推进IPv6规模部署和应用，扩大互联网带宽。此外，水利部本级建设北斗水利短报文服务平台，升级水利卫星通信网。各流域管理机构和省级水行政主管部门组织有关单位建设水利工程工控网等。
水利云。建设一级水利云水利部本级节点和7个流域管理机构节点，其中水利部本级节点包括500台基础计算服务器资源、100PB存储资源、300台高性能计算服务器资源、30台人工智能并行计算服务器资源；各流域管理机构节点共包括540台基础计算服务器资源、32PB存储资源、70台高性能计算服务器资源、45台人工智能并行计算服务器资源；省级水行政主管部门依托政务云、自建云等建设二级水利云。
（3）水利智能业务应用
流域防洪。水利部本级、各流域管理机构和省级水行政主管部门在国家防汛抗旱指挥系统工程、中小河流水文监测预警系统、山洪灾害防治等项目建设成果基础上，基于数字孪生平台，搭建“1+7+32”的流域防洪“四预”业务平台。
水资源管理与调配。水利部本级基于数字孪生平台，整合国家水资源信息管理系统、国家地下水监测工程建设成果等，对接省级水资源管理与调配系统，扩展水资源调配“四预”等功能，搭建国家水资源管理与调配系统。各流域管理机构和省级水行政主管部门在此基础上结合流域特点整合相关系统、扩展功能、接入数据，搭建流域和区域水资源管理与调配系统。
N项业务。水利部本级在已有信息系统基础上，结合国家水利综合监管平台，整合升级改造水利工程建设与运行管理、河湖管理、水土保持、农村水利水电、节水管理与服务、南水北调工程管理、水行政执法、水利监督、水文管理、水利行政、水利公共服务等业务应用。各流域管理机构和省级水行政主管部门在国家水利综合监管平台基础上，结合流域和区域业务特点整合相关系统、扩展功能、接入数据，搭建流域、区域N项业务系统。
（4）网络安全体系
水利部本级在网络安全防护体系建设基础上，强化数据安全防护，进一步加强重要数据保护和地理空间数据安全使用；建立健全水利行业关键信息基础设施网络安全监测预警制度，建设水利关键信息基础设施安全保护平台。各流域管理机构和省级水行政主管部门在现有安全体系建设基础上，提升纵深防御、监测预警、应急响应等网络安全防护能力，重点保护水利关键信息基础设施。
3.建设布局
按照“突出重点、急用先建”原则布局，“十四五”期间主要覆盖大江大河大湖及其重要支流的重要水利设施，包括长江、黄河、淮河、海河、珠江、松花江及辽河、太湖等大江大河大湖干流，以及180条主要支流及其他重点河流、20个重点湖泊、98个行蓄滞洪区、123个重点水库、140个重点水闸、14个重要引调水工程、47处其他水利工程等。
业务上按照“大数据、大平台、大安全”原则布局，底层数据通过数字孪生平台横向贯通，业务应用层相对独立，涵盖流域防洪、水资源管理与调配和N项业务。各级水行政主管部门之间按照“三级部署、多级应用”原则布局，部署在水利部本级、流域管理机构和省级水行政主管部门三级，支撑各级水行政主管部门业务应用。
4.推进数字孪生流域共建共享
数字孪生流域建设涉及上下游、左右岸、干支流及地表地下，量大、面广，单靠一个单位是无法完成的，必须推进共建共享。
以流域为单元、空间为边界、制度标准为依据，水利部本级、流域管理机构、省级水行政主管部门的三级数字孪生平台建设为依托，数字孪生流域资源共享平台为抓手，打牢数据底板共建共享重点，突破模型平台共建共享难点，开展知识平台共建共享试点，兼顾算力资源共建共享，构建整体谋划、协同推进的整合集约共建机制，完善统一标准、联通共融的高效可控共享机制，推进数据、模型、知识、算力等资源共建共享。
构建全国统一的数字孪生流域资源共享平台，制定统一的数据、模型、知识等资源服务封装、接口调用、运行监控、质量评估、异常反馈等标准，开发注册、维护、下载、调用、监控、运营以及用户、权限、评估等功能，逐步支持水利行业内外用户实现算据、算法、算力等资源的共建共享。
数据底板方面，水利部本级、流域管理机构和省级水行政主管部门按照统一的水利数据模型标准构建数据引擎，按照各自共享清单将数据资源注册到数字孪生流域资源共享平台并负责维护，用户可通过数据引擎绑定服务接口或下载一次性数据资源产品集等方式实现数据调用。
模型平台方面，水利部本级、流域管理机构和省级水行政主管部门按照兼容性要求构建模拟仿真引擎，按照各自共享清单将模型资源注册到数字孪生流域资源共享平台并负责维护，用户可下载模型映像到本地或采用在线调用模型服务接口等方式实现模型调用。
知识平台方面，水利部本级组织各流域管理机构和省级水行政主管部门构建统一的水利知识引擎，按照各自共享清单将知识资源注册到数字孪生流域资源共享平台并负责维护，用户可采用知识引擎绑定服务接口等方式实现在线调用。
5.开展以数字孪生流域建设为核心的先行先试
智慧水利建设体系庞大、任务繁重、时间紧迫，需要按照顶层设计和相关技术文件要求，总体谋划、科学组织、多方协同、合力推进。其中数字孪生流域建设是一项技术难度大、实施复杂的系统工程，需要进行技术攻关和试点建设。
以数字孪生流域建设为主线，以数字孪生水利工程建设为切入点和突破口，以实现水利业务“四预”功能为目的，在大江大河重点河段、主要支流及重要水利工程开展数字孪生流域建设先行先试，示范引领数字孪生流域建设有力有序有效推进，加快构建智慧水利体系。
开展数字孪生流域建设，着重解决水利行业数据资源体系不完备、基础设施配套不完善、网络安全风险高、数据分析和支撑能力弱、保障体系不健全等突出问题，打通内部数据孤岛，释放数据价值，提升水利信息化资源共享、数据服务能力、分析计算、决策支撑、智能应用和可视化表达能力，提升水治理体系和治理能力现代化，非常必要和迫切。
水利部正依托国家重点研发计划《多尺度流域水资源和水利设施遥感监测应用示范（SQ2021YFB3900015）》开展数字孪生流域关键技术研究，研发数字孪生流域原型系统，同时部署开展56家单位94项数字孪生流域先行先试任务，并把数字孪生水利工程作为切入点和突破口，探索一批可复制、可推广的优秀案例、典型模式和技术路径，为全面建成具有“四预”功能的智慧水利体系积累经验。
