数字孪生黄河建设挑战与推进举措
时间：2023-01-17 10:05:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李亮亮，黄志
（黄河水利委员会信息中心，450003，郑州）
黄河是中华民族的母亲河，保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计。中华人民共和国成立后，在党中央坚强领导下，沿黄军民和黄河建设者开展了大规模的黄河治理保护工作，取得了举世瞩目的成就，黄河流域经济社会发展和百姓生活发生了很大变化。水沙治理取得显著成效，防洪减灾体系基本建成，保障了伏秋大汛岁岁安澜。生态环境持续明显向好，水土流失综合防治成效显著，生态环境明显改善。水利部黄河水利委员会（以下简称“黄委”）通过“数字黄河”工程建设初步形成治黄信息化采集、传输、存储、处理、资源整合共享、业务应用体系。“十三五”期间，黄委紧密围绕黄河治理保护工作，不断推进信息技术与治黄业务融合，取得了明显成效，初步构建起“数字黄河”应用框架。
党中央将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略。面对黄河保护治理更高要求和黄河流域高质量发展要求，流域水治理体系和治理能力存在短板，治黄信息化支撑能力存在诸多不足：一是监测感知能力明显不足，现有站网布局、监测要素和监测手段与数字孪生黄河透彻感知的要求存在明显差距。二是数据底板不完善，流域一张图仅整合了水利对象基础信息，缺少重点水利工程实体模型和场景。三是流域数学模型与智能算法仍有不足，洪水、泥沙预报及演进模型研发还不能完全满足要求，模型核心和关键作用体现不够。四是服务于数字孪生流域的算力支撑能力亟须加强，已有黄河云计算存储承载能力基本饱和，在线存储使用率超80%，难以支撑精细化空间分析和场景构建。四是业务应用智能化水平不高，大数据、人工智能等新一代信息技术在治黄业务中应用不足，现有业务系统“四预”能力明显不足。
1.黄河流域生态保护和高质量发展国家战略对数字孪生黄河提出新要求
《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》指出要运用物联网、卫星遥感、无人机等技术手段，强化对水文、气象、地灾、雨情、凌情、旱情等状况的动态监测和科学分析，搭建综合数字化平台，实现数据资源跨地区跨部门互通共享，建设“智慧黄河”。数字孪生黄河是构建“智慧黄河”的具体举措，首先要理清数字孪生黄河总体框架，将数字孪生黄河建设划分为数字孪生平台、信息基础设施、“2+N”智能业务应用、网络安全和保障体系，明确各层级建设任务，充分论证技术路线，扎实做好顶层设计。其次要明确数字孪生黄河建设布局，在充分共享水利部本级资源基础上统筹黄河流域数据底板、模型平台及知识平台、信息基础设施、业务应用等重点工程建设。
2.水利高质量发展对数字孪生黄河提出新需求
水利部党组全面落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，指出智慧水利是水利高质量发展的显著标志，黄委党组提出提升流域水安全保障能力要实施“八大行动”，其中要求加强数字孪生黄河建设，提升科学精准决策支撑能力。需要从构建数字孪生流域的角度按照“需求牵引、应用至上”原则，分析应用场景，提炼业务需求。一是要支撑流域全面、快速比对不同规划方案目标、效果和影响，确定最优规划方案，提高规划科学性、合理性、可行性。二是要支撑预演工程项目建设方案，评估工程与规划方案符合性，分析工程对周边环境和流域整体影响，统筹工程布局。三是要支撑预演洪水行迹路径，洪峰、洪量、过程动态调整防洪调度方案，确保工程体系多目标联合调度，做到整体最优。四是通过数字孪生流域，动态掌握水资源利用、河湖“四乱”、生态环境、水土流失、水利设施毁坏等情况加强信息共享和业务协同，为依法实施流域统一管理提供技术支持。
3.现代信息技术发展为数字孪生黄河提供新机遇
随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术快速发展，推动治黄业务发展向数字化、网络化、智能化转变的技术条件已经具备。需要充分发挥新一代信息技术的支撑驱动作用，扎实论证新一代信息技术与黄河保护治理业务的融合应用。一是要充分运用卫星遥感、航空遥感、无人机、倾斜摄影、智能传感器、物联网等现代监测技术，全面感知流域各类涉水要素，充分获取算据，建立干流中下游河段、伊洛河下游河段、沁河五龙口以下、渭河下游等重点河段及蓄滞洪区、水土流失防治区的数据底板。二是要及早制定数据汇集标准，采用物联网、流计算、数据交换、人工填报、一点多发等多种手段，构建数据汇聚平台、视频级联集控平台，汇聚融合流域省区自然资源、经济社会、公安、交通等有关信息，形成数据资源体系。三是要深入研究流域自然规律，对黄河数学模型体系进行摸底并根据数字孪生的要求进行需求调研，优化完善流域产汇流、水沙输移等现有模型。四是要基于国产化环境，构建适用于数字孪生流域的高效快速、安全可靠算力体系。
黄委党组把数字孪生黄河建设作为今后一个时期黄河保护治理重点任务之一，以数字孪生黄河建设为牵引动力，增强流域治理管理智慧化水平。聚焦全面提升流域水安全保障能力和强化流域统一治理管理，加快补好水安全预警监测短板，把推进数字孪生黄河建设当作一场革命，集全河之力、全河之智推进这项工作。
1.指导思想
坚持“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，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的数字孪生黄河，全面提升黄河流域水安全保障能力现代化水平。
2.基本原则
①需求牵引，应用至上。结合黄河流域生态保护和高质量发展要求，紧贴流域保护治理，全面分析防洪保安全、优质水资源、健康水生态和宜居水环境等方面治黄业务需求，以问题和目标为导向，统筹谋划推进。
②顶层设计，分步实施。遵循“大系统设计、分系统建设、模块化链接”原则，从数字孪生流域的角度设计总体架构，明确实施路线和要求。通盘考虑黄河保护治理业务应用，优先完善流域水旱灾害防御系统、水资源管理调度系统，构建重点区域数字孪生流域示范应用，逐步覆盖水土保持、河湖管理等。
③整合资源，智能决策。加强治黄信息化基础设施、数据资源、业务应用整合与应用，实现全面互联和充分共享；
深度利用人工智能、大数据分析技术，有效提升综合智能决策能力。
④实用先进、安全高效。以实用为前提，充分运用新一代信息通信技术和现代水科学技术，确保数字孪生黄河的前瞻性和先进性。以安全为红线，从物联通信、基础设施、数据共享、业务应用等全方位保障信息安全。
3.主要目标
充分运用云计算、大数据、人工智能、物联网、数字孪生等新一代信息技术，建成具备“四预”功能的智慧应用体系，赋能黄河保护治理各项业务，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，为新阶段黄河流域生态保护和高质量发展提供有力支撑和强力驱动。
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,突出黄河特色，急用先行、分步实施，建设数字孪生黄河。
1.数字化场景
积极推进黄河流域全覆盖水监控系统立项并开展项目建设，获取流域自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息，对物理流域进行全要素数字化映射，并实现即时更新和动态交互；
优先开展下游“小浪底-艾山”河段数字孪生示范建设；
构建流域中下游重点区域及重点工程数字化映射。
2.智慧化模拟
在数字化场景基础上集成耦合多维、多时空尺度水利模型，通过对各类模型进行模块化、标准化和云服务升级，对一维和二维水力学模型、泥沙动力学模型等进行模块化、标准化改造，提升模型模拟精度、运行效率及稳定性，支撑业务预报、预警、预演、预案模拟分析。通过流域中下游洪水预演系统建设，实现降水预报、洪水预报、防洪调度和洪水演进等成果高效集成，初步构建黄河中下游洪水预演系统，为智慧化模拟提供平台，形成黄河模拟仿真模型库，提升智慧化水平。建设以水利对象和空间关系、水流关系、管理关系为主要内容的黄河知识图谱，完善历史大洪水、旱灾、防洪专家经验等数据库，构建治黄知识平台，支撑流域精准化决策。
3.精准化决策
以防洪调度预演为基础优化决策方案，为水工程调度管理提供智慧化、科学化技术支持。动态掌握并实时更新流域水资源总量、实际用水量等信息，实现生态流量预测预报，用水限额、地下水等红线指标实时预警。通过遥感卫星、GIS等技术，监测河湖水域岸线，搭建时空数据分析模型，对河湖空间管理保护进行预测预警。结合水行政管理制度、规则以及基础、历史等数据，建设水政执法规则模型和数据驱动模型，提升水政预报预警能力。建立水土保持业务的数字映射，提升水土流失监测数据采集、传输、处理、分析、应用与管理能力，实现黄河流域中游地区水土流失安全预警、水土流失过程模拟与预报。构建水利综合监管平台，研发水利监督风险评估预测模型，实现“查、认、改、罚”等环节全过程数字化、网络化。
1.组织保障
按照全河一盘棋思想，建立健全综合协调、责任明确、运转高效的推进协调机制，并逐级监督落实。
2.资金保障
统筹利用既有资金渠道，利用中央预算内投资、中央财政及地方财政等资金推进建设。探索吸引社会资本，以政府购买服务等模式参与数字孪生黄河建设和运营。保障系统升级、改造和运行维护费用落实，确保各个信息化系统正常运行。完善并严格实施招标投标、政府采购政策，加强项目建设资金管理，确保资金使用效益。
3.先行先试
强化辐射引领，在重点领域、区域和关键技术上率先突破，推进试点示范工作，带动数字孪生黄河不断取得新突破。力争在重点河段和工程实现数字化映射、水旱灾害防御“四预”、黄河中下游洪水预演、流域水资源监测能力提升等方面率先实现突破。积极开展云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、5G、北斗卫星等应用试点。
4.健全制度
完善体制机制，加强规章制度约束和指导力。针对数字孪生黄河工作中的突出问题，研究提出信息化建设发展整体统筹的前置审核机制，建立项目审批、上报文件会签制度；
研究建立工程建设质量监督和后评估等制度。研究确定智慧水利建设和运维的推进策略及保障机制，形成完备规范的工作体系和顺畅合理的管理机制，提出科学的建设管理体制、长效的运行保障机制、合理的考核监督机制和技术合作与人才培养机制。
5.开放合作
充分利用“外脑”，集中各行各业人才智力等资源，联合和引入有经验、有实力的互联网企业参与到数字孪生黄河规划、设计和实施等阶段，保证智慧水利的先进性。发挥政府部门、学术团体、科研院校及高新技术企业各方优势，推进技术研究、成果转化和应用推广。■
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