黄河有了“数字大管家” ——黄河水利委员会数字孪生黄河建设初见成效

时间：2023-01-19 来源：中国水利报

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    2022年12月29日，水利部部长李国英给河南黄河河务局数字孪生黄河第一创新团队回信，为他们持续攻关水下根石走失传感器关键技术，实现对河道工程险情的全天候实时监测预警点赞。 

　　第一创新团队的成果，是数字孪生黄河建设浪潮中的一个缩影。这股浪潮中，一条虚拟的孪生黄河即将在数字世界里奔腾畅流，古老巨川也将借助现代科技焕发崭新的青春活力。 

　　2022年，是水利部黄河水利委员会（以下简称“黄委”）数字孪生黄河建设规划实施第一年。一年来，黄委做好顶层设计架构建设方案，将现实中的黄河在数字空间映射，大力推进数字孪生黄河建设。 

　　乘数字时代大势 搭顶层设计架构 

　　推进智慧水利建设，建设数字孪生流域，是水利部落实中央决策部署的具体行动，是推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一，也是全面提升水安全保障能力的迫切需要。黄委按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，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。按照“大系统设计、分系统建设、模块化链接”的思路，建设涵盖黄河保护治理业务的智能协同应用体系。 

　　“数字孪生黄河”是将现实中的黄河全要素映射在数字空间，通过流域多要素实时感知，数字化场景交互反馈等，将现实世界黄河中发生的各种现象在数字孪生黄河中同步迭代。 

　　2021年11月，黄委成立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》，成为七大流域管理机构中首个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，并展望了2030年和2035年远景目标。 

　　此外，黄委还制定印发了数字孪生黄河建设项目管理办法，数字孪生黄河建设的顶层设计和制度标准体系初步建立起来。 

　　启先行先试东风 创“双优”建设典型 

　　在创新团队收到部长回信的同一天，水利部印发数字孪生流域建设先行先试中期评估意见，黄委数字孪生流域建设先行先试中期评估获得“优秀”等级，同时，应用案例“数字孪生黄河建设关键技术研究与应用”“黄河工情险情全天候监测感知预警系统”两项案例被评为优秀案例。 

　　作为水利部数字孪生流域建设先行先试工作的重点单位，黄委拥有坚实的数字化实践基础。早在2001年，黄委提出建设“三条黄河”，即“原型黄河”“模型黄河”和“数字黄河”，其中“数字黄河”的建设目标是借助现代化手段，对黄河流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。可以说，“数字孪生黄河”正是对“数字黄河”的延续和发展。 

　　“就好比一对‘双胞胎’，数字孪生黄河是现实黄河的虚拟对照体。”黄委数字办负责人说，“虚拟黄河这个‘孪生兄弟’能够预判现实黄河的一举一动，为‘预报、预警、预演、预案’提供决策支持，目前已在黄河洪水防御和水资源管理与节约保护方面得到了有效应用。” 

　　2022年主汛期，数字孪生黄河建设的重要成果之一——黄河防汛会商预演系统，有力支撑防汛会商决策。雨量预报、洪水预报预警、水库调度及工程险情，系统均可清晰呈现、预演。“与防汛相关的各类信息与功能，一体化集成耦合在预演系统中，实现预报、预警及预案选择功能，以及预报与调度的动态交互。‘正向’可通过预演发现问题，‘逆向’可通过推演优化方案，成为系统的关键核心和最大特点。”黄委信息中心工作人员介绍，“我们致力于全面构建黄河保护治理主要业务的应用数字化场景，围绕治黄主责主业，建设流域防汛、水资源等业务应用系统，为流域治理管理‘四统一’工作提供支撑。” 

　　在黄委防汛调度中心，防御局的技术人员移动鼠标：点击“雨情”栏下的“雨量预报”， 7日内的降雨预测情况跃然屏幕之上；点击“水情”栏下的“水情告警”，“一张图”上立即闪烁提示超警戒水位站点等信息；点击“水情”栏“洪水预报”中的某重要站点，该站点当前及未来15日内的预报水位、流量曲线随即生动展现在眼前。 

　　在黄委水调局，初步建成的黄河水资源管理与节约保护应用系统1.0版本已投入使用。“就好像有了一个黄河水资源的‘数字大管家’，在水资源信息服务系统的数字化场景里，全流域1万个取水口在‘黄河一张图’上尽收眼底。”工作人员介绍道。 

　　既能防住每场突发的洪水，也要管好河道里的每一滴水——这就是数字孪生黄河赋能洪水防御及水资源管理与节约保护的“数字魔法”。管理系统施展威力离不开水文测站提供的精准的水情监测信息。 

　　多旋翼无人机搭载三维激光扫描仪腾空而起，对河道两岸进行扫描；无人水文测船搭载多波束测深仪乘风破浪，对水下要素进行收集……黄委水文局技术人员介绍，“数字孪生黄河水文感知网正在加紧建设，我们把河流、山川、桥梁、房屋等三维坐标等精确扫描，构建起对应虚拟模型，为智慧水利建设提供有力支持。” 

　　破关键技术难关 展黄河特色亮点 

　　“云河地球”、“智河视界”三维仿真引擎、“黄河模拟器”、“仿真石头”、“三个全覆盖”信息感知网……越来越多新名词进入治黄职工的视野，数字孪生黄河建设多项关键技术不断取得突破性进展，不少适用于黄河特有水利场景下的创新亮点也应运而生。 

　　“我们着力黄河各类业务数学模型和流域人工智能决策算法研发，开展前沿技术与数字孪生黄河的深度融合，研发‘智河视界’‘智河防汛’‘智河物联’‘黄河模拟器’等特色产品，实现了关键技术自主。”黄科院技术人员介绍。 

　　“黄河设计院组建重点产品研发团队，自主研发了云河数字孪生平台以及小禹智慧防汛、淤地坝安全管理、工程安全监测、堤坝渗漏监测、堤坝坍塌图像识别、基于BIM+GIS工程全生命周期管理等30余项智能采集、智慧工程、智慧水利系列‘拳头’产品，信息化核心竞争力逐步增强。” 

　　“支持多源数据的高效融合、可视化与交互漫游；支持全时空一体化管理，从流域大场景到设备零部件小场景、从历史回溯到未来预演；支持多种水利专业模型的高效便捷加载、模拟推演和实时渲染，为智慧化模拟、精准化决策提供通用可视化平台。”“云河地球”“智河视界”等，这些数字孪生三维仿真引擎系列标志性成果，都是2022年黄委在数字孪生黄河建设中取得的关键性技术突破。数字办专班技术人员介绍，“引擎核心技术自主研发，安全可控，目前已取得国家发明专利4项，已推广应用于黄河下游防汛、水调、小浪底等数字孪生建设中。” 

　　此外，黄河特色的人工智能算法应用正在赋能下游保护治理的具体实践。 

　　在山东垦利河务局护林管理段的黄河岸边，技术人员孙长江手举无人机，竖起大拇指：“现在有了无人机帮忙，我们真正实现了巡查区域的全覆盖。正值凌汛期，管理段每周开展2次无人机巡查，利用截图、录像等方式将发现问题及时上传冰凌观测系统，利用冰凌密度智能算法初步实现冰凌自动观测、智能识别和动态预警。” 

　　视频监控全覆盖，河道巡查有了“千里眼”；无人机巡视全覆盖，河道保护有了“空中鹰眼”；远程会商全覆盖，基层工作有了“传令官”……山东河务局积极推进智慧山东黄河建设，构建起“天空地河”一体化信息感知网。一系列新技术的研发和运用，为补齐数据采集短板、构建数字孪生黄河数据底板提供了坚实基础。 

　　每一次洪峰涌来、每一斗黄沙波动，每一个防洪工程、每一座水利枢纽、每一片丰饶灌区……未来，随着数字孪生黄河加快建设，大河上下每一缕宏大或微小的脉动，都将映射在数字孪生黄河的新世界之中，赋能推动新阶段黄河水利高质量发展的先进引领力和强劲驱动力。