高质量发展 数字化加力——数字孪生山东黄河建设纪实

文／本刊报道组

东平湖清河门孪生场景

自水利部部署推进智慧水利建设以来，山东黄河河务局雷厉风行，在黄委的领导下，按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，迅速在全局部署推动数字孪生山东黄河建设工作，取得了令人瞩目的进展。初冬时节，本刊记者赶赴山东，真切地感受到数字孪生建设在山东黄河的快速进展以及边建设、边应用的热潮。

日新月异，智慧水利呼啸而来

党的十八大以后，习近平总书记就我国水安全问题发表重要讲话，提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，为新时期治水工作提供了必须始终遵循的根本方针、必须始终坚守的重大原则、必须始终坚持的思想方法、必须始终把握的基本要求。同时，以习近平同志为核心的党中央着眼全局、把握大势，主动顺应信息革命时代潮流，高度重视、全面布局、统筹推进网络安全和信息化工作，习近平总书记强调，要全面贯彻网络强国战略，把数字技术广泛应用于政府管理服务，推动政府数字化、智能化运行，为推进国家治理体系和治理能力现代化提供有力支撑，并提出了提升流域设施数字化、网络化、智能化水平的明确要求。党中央、国务院作出相关部署，国家“十四五”规划纲要明确要求“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”。国家“十四五”新型基础设施建设规划进一步提出，要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。

水利部党组深入学习贯彻习近平总书记重要讲话精神和重要指示批示精神，按照国家“十四五”规划纲要和“十四五”新型基础设施建设规划要求，加快建设数字孪生流域，构建智慧水利体系，推动新阶段水利高质量发展，于2021年6月作出“把智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一”的决策部署。

智慧水利是指在传统水利工程基础上，以先进的信息技术手段为基础，充分利用物联网、大数据、人工智能等技术，实现水资源管理、水环境保护、水灾防治、水生态修复等方面的高效安全运营和智能化监测管理。智慧水利具有高效、安全、可控、可靠、可持续发展等优势，有助于提高水资源利用效率，优化水生态环境，防范自然灾害和人为事故，改善人民生活质量。我国的智慧水利大致起步于2007年，当时水利行业经过“信息化起步”，水利部发布了《水利信息化建设规划纲要》，明确了智慧水利的发展方向和目标，之后智慧水利在全国开始推广；“十三五”期间发布了《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》以及《智慧水利总体方案》。“十四五”以来，国家多次在政策层面推动智慧水利体系的构建，水利部相继出台《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等系列文件，明确要求“在业务需求分析的基础上，重点梳理‘2+N’业务的‘四预’流程”“加强水利工程设施智慧化改造与建设、数字孪生流域、数字孪生工程、‘四预’功能要求等标准制定”，加快构建具有“四预”功能的水利智能业务应用体系，助力推进智慧水利建设。在此之前印发实施的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》和之后印发实施的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》等，都对数字孪生流域建设提出了明确具体的要求。

我国江河水系众多，保护治理是一个庞大复杂的系统工程，必须坚持数字赋能，依托现代信息技术变革治理理念和治理手段。水利部要求必须落实党中央、国务院重大决策部署，大力推进数字孪生流域建设。

在这个日新月异的时代，“智慧水利”几乎是呼啸着向人们走来。

追星赶月，数字孪生呼之欲出

大河之兴，必须牢牢把握历史的机遇。

大河之进，必须时时迎接时代的挑战。

山东具有光荣的历史，是人民治黄的发祥地，黄河第一艘机淤固堤吸泥船“红心一号”，引黄济津、引黄入冀、引黄济青等跨流域调水，标准化堤防工程获得中国建设工程鲁班奖等现代治黄的经典，都产生于山东。面对呼啸而来的新时代，山东黄河与时俱进，开拓创新，焕发出一种卓尔不群的风采。尤其近年来，山东黄河河务局找准自身定位，主动担当作为，为黄河流域生态保护和高质量发展取得重要阶段性成效奉献了力量。山东位于黄河的下游，但山东黄河部门的工作从来都是力争上游，在数字孪生建设上，他们又是集全局之力、全员之智，善谋善为，多措并举，以最佳的状态、最快的速度，向着这一最新的目标进发。

水利部部长李国英调研指导数字孪生山东黄河建设

2023年10月31日，山东黄河水利先进技术（设备）及数字孪生建设成果推介会

措施之一，加强领导，机制助推。

我们到达山东黄河河务局时，正赶上该局召开数字孪生建设成果推介会，局有关领导和相关部门负责人都出席了会议，局长赵银亮作了专题讲话。他首先肯定了数字孪生山东黄河建设取得的显著成效，数字孪生山东黄河框架基本搭建，各业务平台功能实现了较大突破，在基础空间数据、平台建设等方面产出了很多有价值的成果，整体基础比较扎实等等。之后，他就数字孪生建设成果应用的推进提出了5点要求，其讲话深入浅出，通宏洞微。这次会议，对数字孪生山东黄河建设成果的应用推进有着决定性的意义。

2023年5月22日，“热爱科学 崇尚科学”2023年山东黄河科技活动周启动仪式

实际上，像这一类的会议，自从数字孪生山东黄河建设开展以来，已经开了多次。除了以会议的形式加强统筹领导之外，还注重利用机制来保障，研究建立了三大机制，强力助推。一是建设协同机制。成立组织机构，局领导牵头统筹数字孪生山东黄河建设和网络安全工作，成立数字孪生山东黄河建设领导小组，科技处督导实施、协调调度，信息中心建设实施、强化研发，机关各部门对接应用、积极探索，各市河务（管理）局跟进落实、突出特色，纵横协同，多级联动，形成了数字孪生建设协同格局。二是建设实施机制。编制实施方案，依据水利部《智慧水利建设顶层设计》《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》等要求，结合山东治黄发展现状和实际需求，深入机关部门、市县局、基层段(所）开展调研，精准对接，摸清需求，编制信息化“十四五”建设规划、数字孪生平台优化升级方案、网络安全防护可研报告等，厘清数字孪生山东黄河整体建设思路，做好信息化工作发展总体部署。三是有效激励机制。集聚人才优势，组建数字孪生数据底板科研小组，有效统筹各级数字孪生科创人才，整合各单位建设成果，全面提升数字孪生数据底板建设水平；开设《数字孪生山东黄河》专栏，登载数字孪生工作部署和工作动态，重点宣传数字孪生山东黄河建设过程中涌现出的新技术、新设备和优秀人才；组织数字孪生技术优秀应用案例，提高基层数字孪生建设积极性。

黄委党组书记、主任祖雷鸣调研数字孪生山东黄河建设及应用情况

措施之二，不等不靠，主动作为。

好事要做好，好事还要快做。为了让数字孪生山东黄河建设早日在山东黄河保护治理中发挥作用，山东黄河河务局加快建设步伐，一边积极筹措建设资金，累计投入自有资金1.3亿元，积极开展“三个全覆盖”“山东黄河治理保护信息化平台优化升级”和“应急通信和网络安全提升”等项目建设；一边主动加强与部委、地方的沟通对接，积极争取在规划、资金方面的支持，为数字孪生山东黄河建设提供多方位资金保障。

措施之三，加强调研，有的放矢。

“需求牵引、应用至上”，不驰于空想，不骛于虚声。为了了解掌握各单位在黄河保护治理实践中的真正需求，山东黄河河务局各级注重加强调研，局领导数次到基层开展专题调研，或趁检查其他工作时加入数字孪生建设的内容。局机关部门负责人经常到基层就与自己相关的业务进行调研，局信息中心为了“智巡”App能够更加贴合一线基层管理段（所）的工作实际，先后跑了十几家基层段（所）开展调研，了解基层的需求，听取一线职工的意见。

措施之四，务实创新，不断改进。

在数字孪生山东黄河建设中，对于一些先进技术（设备）的研发与应用，研发人员从实际出发，经常进行创新与改进。2021年3月，“智慧山东黄河防汛平台”在初审时听到不少意见，一下收到20多条整改意见。研发团队没有气馁，而是知耻后勇，全员放弃休假，白天加强与使用者的沟通交流、进一步了解需求；夜里团队内部互通有无，反复修改、优化，终于赶在汛前完成了改进任务，实现了平台搭建和上线运行。

“智巡”App开始投入运用后，为一线基层管理段人员带来很大便利，唯有每日晨会的记录，仍然要用人工。信息中心在征求反馈意见时了解到这一点，马上在软件中添加了“晨会打卡”这一功能，这一改进解决了基层管理段工作的一个常见的问题，深受一线人员的欢迎。

措施之五，开放治河，强强联手。

人民治黄为人民，人民治黄靠人民。山东黄河河务局深知这一点，在黄河的保护治理中，一直秉承开放治河的理念，携手地方共建共享。为了提高数字孪生山东黄河建设的科技含量，山东黄河河务局深化同中科院空天院、山东大学、华北水利水电大学、华为技术有限公司、浪潮集团、山东联通公司等单位对接合作，建设高能级科创合作平台，签订战略合作框架协议。同时，为了更好地开放治河，产学研协同促进科技成果转化，山东黄河河务局组建了山东黄河科创中心、科学技术协会，与山东大学、山东华特控股集团共建山东黄河水沙研究中心，与山东大学联建黄河工程技术重点实验室，与山东联通公司联建5G+数字孪生实验室。山东黄河科创中心是开展黄河保护治理关键技术和重大问题的研发与应用、推动科技成果转化的“多维融合”平台，具备统筹聚集科创资源、推动关键技术研究、强化创新成果推广应用和转化、凝聚人才力量、强化数字孪生场景应用、推广展示科技创新成果以及全方位支撑科技项目研发等功能，对于突破一批关键技术和重大技术瓶颈、保障山东在科技创新支撑黄河流域发展走在前列起到了重要的推进作用。

山东黄河河务局以追星赶月的姿态，向着数字孪生奋力冲刺，笃行不怠。

山东黄河河务局与山东联通战略合作协议签约仪式

斩关夺隘，山东黄河足智多能

在水利部、黄委的领导下，遵循“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”工作要求，山东黄河河务局以算据、算法、算力建设为支撑，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径，创新布局搭建“四个一”（一网一平台一系统一支撑）的数字孪生山东黄河暨云黄河·山东建设框架，扎实推进数字孪生流域先行先试工作任务，初步实现了数字黄河与物理黄河同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。

一是织就“天空地河”一体化信息感知网。

无人机飞控平台

接入视频监控点2898路，覆盖山东黄河堤防、险工、控导、跨河桥梁等重点工程部位，配备无人机219架，覆盖所属市、县局及121个基层段（所），建设远程视频会商系统176套，实现了省、市、县、段（所）、工程现场五级视频会商，率先在流域内实现视频监控、无人机和远程视频会商系统“三个全覆盖”；同时，结合遥感数据运用、水下地形及根石探测技术，从“天空地河”4个空间维度进行全领域、全业务、全链条数据采集。截至目前，已累计采集、存储数据资源约47TB（太字节），为防汛调度、工程巡查、河湖清“四乱”等业务工作提供“第一手”实时数据，为数字孪生平台静态化场景建立和动态化场景驱动提供数据支撑。

其间，基础监测感知和网络覆盖领域大幅精进。被誉为“坝岸智能卫士”的根石监测预警关键技术，主要由阵列式多断面根石感知装置（智感）、智能探水杆（智探）及工程安全监测预警平台组成，保障了防洪工程安全运用，降低了工程巡查人员劳动强度，满足了运行管理单位现代化管理的需要；被命名为“励智”的精测快报物联网水位站，创建了最实用、方便、快捷的水位观测与应用新模式，适用于容重不为1的天然水体的水位观测，最适合水体含沙量高、河口等受海水影响水流密度变化大的地点的水位观测，推广应用前景广阔；自主研发的“智犇安澜号”防汛移动基站正式上岗值守。“智犇安澜号”承担着指挥所、守险房、补给站、通信站等多种角色，不仅解决了防汛专用网络覆盖“最后一公里”的难题，还切实减轻了基层职工工作负担，赋予智慧防汛新力量。智慧山东黄河防汛平台等信息化成果先后投入应用。

冰凌监测算法

艾山卡口孪生场景

二是建成具有“四预”功能的数字孪生平台。

数据底座日趋丰富。汇集黄河山东段水文、监测、业务信息，关联工程要素与业务详情和监测数据；细化深挖坝垛数据，实现二维场景与三维模型动态转换，关联坝垛断面与三维模型的空间位置和信息关联；实现一键搜索自定义范围内防汛队伍情况、仓库库存统计等物料信息；全面升级山东黄河一张图。基于水利部统一的L1级数据底板，建成全域L2级中精度数据底板、重点河段L2级高精度数据底板和重要水闸BIM建模。

“四预”引擎不断优化。冰凌监测、浮桥拆除、坝岸坍塌、垃圾倾倒、水位识别5类成熟智能算法广泛应用于188处工程关键部位；堤防工程隐患监测、非法摆摊监测、涉水安全监测、主溜线4类新研发智能识别算法，试点应用于378处工程关键部位，实现全局范围样本适用和算法通用；研发7个水利专业模型，搭建模型平台，实现模型统一管理和调用服务；充分运用已有知识，抽取系统业务关联关系和综合信息检索需求，初步构建山东黄河知识平台。

算力规模持续扩容。采用超融合技术部署云平台，存储、计算、网络分别达到2.8PB（千万亿字节）、千万级运算和百GB（吉字节）带宽。

典型场景先行先试。按照水利部、黄委要求建设东平湖和济南示范段，实现防洪“四预”业务应用。集成水雨情、视频监控等监测数据和“坝岸智能卫士”监测预警信息，耦合水沙演进、主溜识别、冰凌监测等算法成果，实现济南段关键水利要素的全过程精准模拟；基于调洪演算模型，科学调度大汶河洪水和黄河分滞洪运用，实现干流河道洪水变化、人口迁移安置、围堰/坝体破除、闸门启闭调度、湖水位变化等全过程模拟。

三是研发推广“2+N”智能业务应用系统。

聚焦水旱灾害防御、水资源管理与调度等重点内容开发的智能业务系统。在防汛会商、工程巡查、工程建设监管、河湖监管、取用水督察监管、安全生产监管等方面，成功打造“信息化+人工智能”全链条工作模式，部分甚至全面取代了人工巡查，简化了工作流程，提升了工作效率。

滨州黄河空中巡查监管交互系统

智慧山东黄河防汛平台,整合水情、雨情、工情、险情，实现防汛要素信息化、业务电子化和流程管理链条化；关联政务、防汛等系统，实现值班数据一体集成、分级管理；集成视频监控、无人机、远程会商，运用水利专业模型，实现多模型交互滚动预测预报，分级分类预警，多尺度滚动预演，优选最佳调度方案，成功助力2023年调水调沙和防洪调度演练。

智慧档案管理一体化系统，覆盖档案管理全业务流程，关联办公自动化、科技评审、工程管理等多业务系统，推广应用至系统内外65家单位。年初，助力山东黄河河务局获批国家数字档案室建设试点（水利部首家）；日前，高分通过水利档案工作规范化管理特级单位综合评估。

有力有序有效地推进具备来水需水预报、取水许可预警、实时调度与计划管理预演、智能检索与预案生成等功能的智慧水资源管理平台，联动贯通的“智巡”App和工程运行维护智能管理平台，广泛应用于“黄河下游引黄涵闸改建工程（山东段）”和“黄河下游（‘十四五’）防洪工程”的工程建设项目管理平台，融合安全生产风险查找、研判、预警、防范、处置和责任等风险管控“六项机制”的安全生产与水利监督平台，初步部署应用的水行政执法与河湖监管平台等智能业务应用系统等。

四是打造整体合一的泛在支撑体系。

“基础支撑”强化应用数据安全治理，补充数据安全防护、应用系统漏洞扫描加固、Web应用安全防护等服务，初步构建全局覆盖、全域共享、全程可控的全天候动态网络安全监测预警体系，实现多层级、多用户广泛共享的数据安全。

“科技支撑”聚焦黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略落实落地，推进河地融合，成立科协、科创中心等，开启协同治理科技攻关模式；开展“揭榜挂帅”核心技术攻坚和重大项目建设，提升信息化智能化技术能力；在2023年10月举行的山东黄河水利先进技术（设备）及数字孪生建设成果推介会上，推介了91项科技成果。

“人才支撑”构建了“1248”创新团队体系，即1个领军创新团队，2个拔尖创新团队，4个重点创新团队和8个基础创新团队；集聚“科创+应用”人才优势，成就了“数字孪生科创军”“智行应用先锋队”2个专业团队。

数字孪生山东黄河起步快速而稳健，在边建设、边应用的过程中改进、提升、完善，取得了诸多标志性成果，山东黄河保护治理模式正在悄然转变。与此同时，一方面，依托数字孪生山东黄河建设的积累优势和既有成果，着力推进陕西黄河河务局信息化专项帮扶；另一方面，结合自身实际，努力探索实现数字孪生流域建设与数字孪生工程、数字孪生水网建设的有机链接和信息互馈。

一条足智多能的山东黄河正奔涌而来。

焕新出发，智慧黄河阔步前行

数字孪生山东黄河建设是数字孪生黄河建设的一部分，是数万黄河干部职工贯彻落实水利部部署，大力开展数字孪生黄河建设的一个缩影。

作为水利部派出的黄河流域管理机构，又是水利部数字孪生流域建设先行先试工作的重点单位，黄委对水利部相关部署的落实快速而有力。水利部关于推进智慧水利建设的指导意见和实施方案刚刚出台，黄委立即成立了由主要负责人担任组长的黄委数字孪生黄河建设领导小组和领导小组办公室，全面凝聚合力，高位推动数字孪生黄河建设。明确统筹协调部门，抽调技术骨干组建工作专班，先行推进数字孪生黄河建设规划编制。2022年，经过多轮现状分析摸排、反复调研需求、广泛征求意见、院士专家咨询等，编制完成《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》《数字孪生黄河建设规划实施方案》，成为7大流域管理机构中首部发布的数字孪生流域建设规划。《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》系统总结了“十三五”以来“三条黄河”建设取得的成效，在水利部数字孪生流域整体框架下，研究提出了数字孪生黄河建设框架、规划目标、建设任务、重点工程及组织实施、保障体系等，为“十四五”时期数字孪生黄河建设提供了重要依据。黄委把数字孪生黄河建设作为推动黄河保护治理现代化的重要引擎，深入总结“数字黄河”工程建设经验，着力推进原型黄河、模型黄河、数字孪生黄河深度联动，打造“三条黄河”升级版，形成更加科学高效的决策场，高位谋划，印发了《黄河一张图数据共享与使用管理办法（试行）》《数字孪生黄河建设项目管理办法》《数字孪生黄河数字化场景构建技术导则（试行）》等文件，推动数字孪生黄河建设在三个方面取得了重要进展。

济南段水沙冲淤

第一，全流域一盘棋推进数字孪生建设。着眼全流域以“一河一图一平台”为建设重点，率先在需求迫切的下游构建三门峡至河口统一的数字化场景，逐步建设、整合数字孪生三门峡、古贤、小浪底、万家寨等成果，推进山东黄河河务局、河南黄河河务局对口帮扶陕西黄河河务局和山西黄河河务局数字孪生黄河建设，统建涵盖中下游干流和重要水利工程的数字孪生黄河。协助相关省（区）开展数字孪生湟水、宁夏贺兰山东麓山洪、大汶河等支流建设，持续推进流域共建共享。

第二，全链条驱动“三条黄河”提档升级。建设天空地一体化原型黄河监测感知网。全流域卫星遥感广泛应用，建设黄委无人机应用平台，汇聚全河4000余处视频监控。建成现代化水文监测站网体系，实现3411个水情站点实时报汛。自主研发雷达在线测速仪、含沙量测量系统、根石走失监测预警系统等特色监测设备投入应用。建设17个水土保持监测站（点），新建一批野外科学观测站。

持续发展和运用“模型黄河”。持续开展“模型黄河”洪水预演试验，对黄河下游河道冲淤、洪水漫滩、工情险情、河势变化等进行预警预报,为“原型黄河”研究和“数字孪生黄河”建设提供物理参数。同步开展“模型黄河”数字孪生建设，增强物理模型和数学模型的联动性、协同性、参证性。

深化“三条黄河”耦合联动。三花间降雨径流模型、黄河水工程联合调度模型、黄河泥沙通用模型等基本完成标准化改造，建设黄河模型平台。自主研发云河地球、智河视界等三维仿真引擎，驱动了数学模型动态耦合模拟。“三条黄河”联动应用，形成更加科学高效的决策场。

第三，全覆盖支撑黄河保护治理业务开展。将防洪、水资源管理调度作为建设重点，同步开展水土保持和淤地坝、河防工程管理、河湖管理保护等业务应用系统建设，初步形成“2+N”智能业务应用体系。

建设黄河防汛会商预演系统，开展2021年黄河秋汛洪水复盘，支撑2022年泾河洪水防御和年度防凌会商，进行2023年调水调沙预演计算和防洪调度演练，通过正算反推，精准控制水库水位、泄流时机和河道立方米不利情况，满足了涵闸改建期下游灌溉及生态流量需求；建设淤地坝信息管理系统，形成黄土高原全部1.68万座中型以上淤地坝多维时空数据库，初步实现“四预”功能，在黄土高原7个省（区）部署应用，利用系统进行24次防汛会商，发送强降雨提醒5.23万坝次；建设河防工程管理系统，整合黄委工程建设、运行管理、河湖管理、防汛抢险等相关业务，整合20多年根石探测和工程日常巡查成果，接入基于遥感的河势变化成果，赋能防洪工程安全管理。

北店子闸管所无人机巡查杨庄引黄闸

滨州黄河数字孪生3D模型

在多项关键技术取得重大突破性进展的同时，数字孪生黄河建设也在实践中形成了黄河独具的特色与亮点：一是升级“三条黄河”科学决策场，提高决策精准化水平；二是海量异构多源数据资源丰富，数字孪生成果共享；三是应用至上，急用先建、边建边用，紧紧围绕防汛工作，建设河防工程管理系统、河湖管理保护系统、淤地坝管理系统。同步建设水资源管理与节约保护系统。

下一步，数字孪生黄河建设工作，将继续按照李国英部长的要求，加强统筹协调，强化资源整合和力量协同，推行数字孪生水利建设“晒比促”，加快完成三门峡、故县、黄藏寺、花果山及禹潼段等重点工程数字孪生建设工作；加快实施数字孪生古贤工程建设，与黄河下游、禹潼段等汇聚融合，形成黄河中下游直管河道的统一的数字孪生场景。长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。

新时期的智慧黄河建设，将充分运用云计算、大数据、物联网、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，构建黄河治理保护全要素的天空地一体化水利感知网和治河管河业务全覆盖的高速稳定安全的新一代水利信息网，建成具有水利全要素数字化映射、全息精准模拟、超前仿真推演和评估优化的数字孪生流域，为黄河流域水治理体系和治理能力现代化提供有力支撑与强力驱动。

一条更拥有科技创新能力、更富有人文内涵、更具有辉煌前景的智慧黄河，已焕新出发，阔步前行。