数字孪生海河建设及关键技术

李建新

（水利部海河水利委员会，300170，天津）

当今世界，以云计算、物联网、大数据、移动互联网、人工智能等新一代信息技术为特征的第四次工业革命推动数字技术快速发展，数字经济成为继农业经济、工业经济之后的主要经济形态。

“十四五”规划和2035 年远景目标纲要提出“加快数字社会建设步伐”“构建智慧水利体系，以流域为单元，提升水情测报和智能调度能力”。 智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，数字孪生流域作为智慧水利体系的核心， 是强化流域治理管理的技术支撑与基础保障。 水利部大力推进数字孪生流域建设，编制印发了《“十四五” 期间推进智慧水利建设实施方案》及指导性文件，水利部海河水利委员会（以下简称海委）据此编制了 《数字孪生海河建设实施方案（2021—2025）》， 作为海委管辖的海河流域及内蒙古高原内陆河东部流域的数字孪生建设指导性文件。

一、海河流域概况

海河流域地处京畿要地，西靠太行、北依燕山、南界黄河、东临渤海，总的地势是西北高、东南低；地处温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区。流域主要有滦河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳卫河、徒骇马颊河等七大河系，各大河系分流入海，山区河流源短流急， 平原河网交叉密布。流域降水量时空变化较大，多年平均降水量535 mm，水资源量370 亿m3，人均水资源量250 m3，流域水资源开发利用率达106%。

通过多年的开发治理，海河流域现已形成“分流入海、分区防守”防洪减灾格局、“二纵六横”水资源配置格局、“六河五湖” 水生态绿色发展格局。 依据《海河流域“十四五”水安全保障规划》， 谋划解决流域水资源短缺、水生态损害、水环境污染、水灾害频发、水治理乏力等新老水问题，必须强化流域治理管理，实现流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理，而数字孪生流域建设是技术支撑和基础保障。

近年来，依托国家防汛抗旱指挥系统、 国家水资源监控能力建设项目、大江大河水文监测系统等大型信息化项目，海委及流域内各级水利部门加强了监测体系建设，完善了信息基础设施，积累了数据资源，开发了多个业务应用，构建了网络安全措施，已初步建立网信“六大工程”体系架构。 但对标国家发展战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较大的短板和不足，尚不足以为流域水利高质量发展提供支撑。

二、数字孪生流域

数字孪生，指在数字空间中用高仿真数字模型来映射物理世界，并将物理世界信息反馈到数字模型中，相互迭代优化， 也被称为 “数字镜像”“数字双胞胎”或“数字化映射”。 数字孪生的基础是数字模型、 核心是数据，具有“现实、真实、精确”特征。

数字孪生概念来源于美国军方航天系统研究，从虚拟制造、数字样机等工业制造技术上发展而来。 在生产航天器之前进行仿真模拟，能有效减少误差和风险；通过数字孪生信息交互进行航天器的日常运行和维护，能迅速诊断问题。 数字孪生技术现已拓展到智能制造、设备保障、城市建设等多个领域。

引入数字孪生技术，建设数字孪生流域，就是把物理流域变成一个数字流域。 通过物联网、5G、大数据、AI、虚拟仿真、区块链等技术，以物理流域为单元、时空数据为底座、专业模型为核心、信息知识为驱动，对物理流域全要素和水治理全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域的同步仿真、虚实交互、迭代优化，达到全要素信息交互和深度融合，实现预报、预警、预演、预案功能，为水工程安全运行和优化调度提供超前、快速、精准的决策支持。

推进数字孪生海河建设是强化海河流域治理管理的迫切要求。 按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生海河，加快建设具有“四预”功能的智慧水利体系，为流域水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

三、数字孪生海河建设内容

1.总体目标

到2025 年，充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等新一代信息技术， 通过数字孪生平台、信息基础设施、“2+N”业务应用、网络安全、保障体系建设，分河系依次建设数字孪生，优先在永定河、大清河、漳卫河实现防洪、 水资源管理调配2项业务的“四预”功能，N 项业务应用水平明显提升，初步建成数字孪生海河。

到2035 年， 实现物理流域与数字孪生流域的交互映射、 同步仿真，全面建成数字孪生海河，水利业务应用的数字化、网络化、智能化水平全面提升。

2.系统框架

数字孪生海河由信息基础设施、数字孪生平台、水利业务应用、网络安全体系、综合保障体系组成，如图1所示。

图1 数字孪生海河架构图

3.布局安排

数字孪生流域建设在水利部的统一指挥下开展，依据水利部颁发的智慧水利相关标准、规范和技术导则进行统筹建设。 海委负责构建海河流域内大江、大河、大湖及主要支流数字孪生，流域内省级水利部门负责省域数字孪生建设，水利工程管理单位负责建设数字孪生水利工程，各级单位共享数字孪生建设成果，从而集成为“数字孪生海河”。 对新建大中型水利工程，要推进数字孪生工程与实体工程同步建设。

4.主要建设内容

（1）构建数字孪生海河平台

数字孪生海河平台主要包括数据底板、模型平台、知识平台三部分。

完善数据底板，提供“算据”支撑。在现有海委统一数据库资源的基础上，集成水利部L1 级、省级水利部门L2 级、工程管理单位L3 级数据底板，建设重点区域DEM 格网间距不低于2.5 m、DOM 分辨率优于1 m、DLG 平面精度不低于5 m 的L2 级数据底板，汇集海河流域自然要素、社会要素、水利要素，涵盖地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据等， 形成一数一源、一数一责的数据更新机制，构建数据资源池。

构建模型平台，提供“算法”支撑。主要建设标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型平台，在数字空间对水治理活动进行智慧化模拟， 为数字孪生流域提供模拟仿真功能。主要包括水利专业模型、智能模型、可视化模型和仿真引擎。

搭建知识平台，提供“智力”支撑。利用机器学习等技术感知水利对象、认知水利规律，满足数据分析、专业模型、机器视觉、学习算法等不同应用场景需求，支撑新一代水利业务应用创新。 主要包括水利知识、水利知识引擎。

（2）完善水利信息基础设施

水利信息基础设施是提升 “算力”的基础。 主要包括水利感知网、水利信息网、海河水利云、调度会商体系等。

水利感知网。 在共享相关部门的气象、水利、地理空间、经济社会等信息的基础上，通过运用物联网、卫星遥感、无人机、视频监控、智能识别等技术，构建覆盖全流域天空地一体化的水利感知网，实现流域水情、雨情、工情、灾情、旱情、水质、生态等水信息全要素的实时感知。

水利信息网。 充分利用国家公共通信网的4G、5G、NB-IoT、 光纤、卫星、微波等通信技术手段，以有线、无线融合互补的方式，组建形成覆盖全流域的高速宽带互联信息网络。 建设水利物联网、水利业务网、水利工控网和应急通信网，实现流域机构至省级水管单位网带宽到200 Mbps 以上，至海委属四局与地市级水管单位链路带宽到100 Mbps 以上，至大中水库（水闸）管理单位链路带宽到50 Mbps以上，至小型水库（水闸）管理单位链路带宽到20 Mbps 以上， 骨干网全面支持IPv6，实现工控网与互联网物理隔离。

海河水利云。 在现有的云设施基础上， 补充完善高性能软硬件、AI 算力基础设施，形成具有不少于200 个计算节点和50 PB 存储能力的云计算、云存储环境，在漳卫南局局机关建设海河流域水利数据灾备中心。

调度会商体系。 基于已有的调度会商等基础设施，搭建从流域管理机构至基层管理单位多级联动的流域智慧调度会商体系，建设海委视频会议云平台，为防洪等业务应用提供数据、语音、视频交流的会商环境。

（3）构建“2+N”水利业务应用

基于统一的数字孪生平台、信息基础设施，构建“2+N”水利业务应用。“2”是指水旱灾害防御、水资源管理与调配业务应用系统，“N”是指水文管理、水利工程管理、节水管理、河湖管理、水行政执法、水土保持、水利监督、水利行政等业务应用系统，实现各项水利业务的“四预”功能，为管理者提供数字化场景、 智慧化模拟、精准化决策服务。

业务应用应提供适应PC 端、移动端、调度会商终端的操作平台和展示方式， 以满足不同业务场景需求。根据流域、省、市、县各级水行政管理的特点，分级进行业务应用建设。

（4）强化网络安全体系

遵循“安全、实用”原则，建立流域信息采集、传输、存储、应用等全过程的纵深安全防御体系。 按照网络安全等级保护基本要求，重点强化水利关键信息基础设施、三级以上信息系统安全防护， 实现监测探针全覆盖，建立局域网内分区防守、工控网物理隔离的网络安全机制，形成覆盖各级水利部门的网络安全信息通报机制和应急响应体系，提高网络安全防护能力。

（5）提升综合保障能力

数字孪生海河建设，是一项整合资源、创新需求、共享数据、提升能力的重大工程，需各部门、各单位通力协作。 积极争取资金投入，拓宽资金来源，统筹资金渠道；强化管理，规范操作，实行清单管理、挂图作战、责任到人；优化人才机制，加强技能培训，锻炼培养一批懂业务、懂技术的复合型人才。

四、数字孪生海河关键技术

1.天空地立体智能监测技术

构建覆盖全流域天空地一体化的水信息监测体系，涉及的主要智能监测技术有：自动监测技术，实现雨情、水情、工情、墒情、水质、生态等方面的监测感知自动化； 遥感监测技术，通过卫星、雷达等获取水利遥感数据，并进行影像智能解译和加工处理， 持续跟踪水利各要素动态变化；视频监测技术，基于智能视频的自动识别分析服务，实现河湖水情工情险情、工程建设与运行状态的动态监管和自动预警；移动监测技术，采用无人机、遥控船、机器人等工具搭载水量、水质、视频监测设备，实现对河湖水系、水利工程、管理活动的动态感知；物联网技术，利用5G、NB-IoT、北斗通信等新一代物联通信技术实现复杂条件下感知终端接入水利监测感知网。

2.流域水利大数据治理技术

数字孪生流域通过实时监测、共享集成了大量的水利相关数据，涵盖流域水情、雨情、工情、灾情、旱情、水质、生态等水信息全要素，以数字、文本、图片、影像、音频、视频等形式存在，其存储形式包含结构化、半结构化、准结构化、非结构化数据。 采用一数一源、 一数一责的数据更新机制，构建数据资源池，形成流域水利大数据治理体系。

（1）基于云平台的“算力”调配技术

通过云平台的资源管理、运维管理等功能把海河流域数据中心的计算资源和存储资源集成起来，实现对服务器和存储设备的统一管理和调度，实现计算资源、存储资源的动态流转与分配， 确保业务系统运行安全、可靠、高效，提高数据中心资源利用率，提升运营维护效率。

（2）基于水网的“算据”集成技术

随着水信息化的发展，相关信息量呈几何级数增长，越来越迫切需要一个大数据集成技术，以提高数据管理水平。 不难发现，水系形成的“水网” 是所有涉水事件共同面对的对象， 涉水信息都与水网息息相关，基于水网可实现与河流相关所有信息的集成与共享。

（3）大数据的“算法”分析技术

要挖掘水利大数据中所蕴含的演变规律和有价值的信息，就必然要对大数据进行内容上的分析与计算，即大数据“算法”分析。常用的有人工智能（语言识别、图像识别等）、数据挖掘（神经网络、遗传算法、决策树方法、统计分析、模糊集方法等）、可视化分析（知识图谱、热图、空间信息流等）。

3.基于水循环的精准模拟技术

海河流域是一个水灾害多发、水资源短缺、水环境污染、水生态损害较为严重的地域，江河安澜、水资源平衡、水环境保护、水生态修复是流域水利高质量发展的基本保障，水事活动的预测、控制和调节的精准化模拟是基础支撑。 利用水循环模拟技术，实现陆域与海域、流域与区域、节水与治污、人工与自然、降水与蒸发、地表与地下、水量与水质的全过程精准模拟，分析水灾害、水资源、水环境、水生态的历史演变，预测未来各种情景下的状况， 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、南水北调、企业点源、农业面源等因素的变化，为水管理提供科学依据，并采取针对性措施实现水利高质量发展。

4.基于知识挖掘的“四预”业务应用技术

在需求牵引、 应用至上原则下，业务应用以锚定精准化决策为目标，通过数字流域与物理流域全要素动态深度融合，同步仿真模拟运行，实现预报、预警、预演、预案功能，为流域防洪、 水资源管理调配等水利主要业务提供超前、快速、精准的决策支持。

业务应用精准决策需要用数据说话， 这个数据不是杂乱无章的数字，而是聪慧的信息（知识）。 故水管理业务需要从纷繁的直观数据中整理出有意义的信息、分析出有价值的知识、感悟出能理解的智慧，从而作出较为科学的决策。 这就是知识挖掘的过程，即从数据库大量、不完全、模糊、随机的数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道但又潜在有用的信息和知识的过程。

5.基于虚拟现实的三维可视化仿真技术

通过虚拟仿真、 增强现实等技术构建三维可视化仿真模拟系统。 以数字流场为数字底座，以基础数据、监测数据、 业务数据以及流域水循环模拟系统的模拟成果为支撑， 真实呈现流域自然环境、 水利工程等场景要素以及洪水演进、洪水淹没、水资源调度过程等流场动态，实现水位、流速、流量、水质等水利要素的可视化展现， 实现海河流域自然资源、生态环境、经济社会、 水利工程等的历史与未来演变的可视化仿真， 提供与数字流域中虚拟对象的实时交互， 从而实现水利工程调度、水资源调配、水旱灾害防御等水利管理业务的数字模拟情景再现。

海河三岔口 高 群 摄

6.基于智能化的网络安全监管技术

网络安全监管智能化技术是现代信息化技术、网络技术以及控制技术等的结合应用，能够自动识别网络安全中存在的不稳定因素，并制定相应管控措施。 主要包括网络安全识别技术、网络智能扫描技术、网络安全智能评估技术、网络态势智能预测技术、网络优化智能分析技术等，借助大数据安全分析技术，能够智能洞悉信息与网络安全的态势，主动、弹性地去应对新型复杂的威胁和未知多变的风险。 ■