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黃河有了“數字大管家” ——黃河水利委員會數字孿生黃河建設初見成效

時間：2023-01-19 來源：中國水利報

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    2022年12月29日，水利部部長李國英給河南黃河河務局數字孿生黃河第一創新團隊回信，為他們持續攻關水下根石走失傳感器關鍵技術，實現對河道工程險情的全天候實時監測預警點贊。 

　　第一創新團隊的成果，是數字孿生黃河建設浪潮中的一個縮影。這股浪潮中，一條虛擬的孿生黃河即將在數字世界里奔騰暢流，古老巨川也將借助現代科技煥發嶄新的青春活力。 

　　2022年，是水利部黃河水利委員會（以下簡稱“黃委”）數字孿生黃河建設規劃實施第一年。一年來，黃委做好頂層設計架構建設方案，將現實中的黃河在數字空間映射，大力推進數字孿生黃河建設。 

　　乘數字時代大勢 搭頂層設計架構 

　　推進智慧水利建設，建設數字孿生流域，是水利部落實中央決策部署的具體行動，是推動新階段水利高質量發展六條實施路徑之一，也是全面提升水安全保障能力的迫切需要。黃委按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，全面推進算據、算法、算力建設。按照“大系統設計、分系統建設、模塊化鏈接”的思路，建設涵蓋黃河保護治理業務的智能協同應用體系。 

　　“數字孿生黃河”是將現實中的黃河全要素映射在數字空間，通過流域多要素實時感知，數字化場景交互反饋等，將現實世界黃河中發生的各種現象在數字孿生黃河中同步迭代。 

　　2021年11月，黃委成立由主要負責人擔任組長的黃委數字孿生黃河建設領導小組和領導小組辦公室，全面凝聚合力，高位推動數字孿生黃河建設。明確統籌協調部門，抽調技術骨干組建工作專班，先行推進數字孿生黃河建設規劃編制。2022年，經過多輪現狀分析摸排、反復調研需求、廣泛征求意見、院士專家咨詢等，編制完成《數字孿生黃河建設規劃（2022—2025）》《數字孿生黃河建設規劃實施方案》，成為七大流域管理機構中首個發布的數字孿生流域建設規劃。《數字孿生黃河建設規劃（2022—2025）》系統總結了“十三五”以來“三條黃河”建設取得的成效，在水利部數字孿生流域整體框架下，研究提出了數字孿生黃河建設框架、規劃目標、建設任務、重點工程及組織實施、保障體系等，為“十四五”時期數字孿生黃河建設提供了重要依據，并展望了2030年和2035年遠景目標。 

　　此外，黃委還制定印發了數字孿生黃河建設項目管理辦法，數字孿生黃河建設的頂層設計和制度標準體系初步建立起來。 

　　啟先行先試東風 創“雙優”建設典型 

　　在創新團隊收到部長回信的同一天，水利部印發數字孿生流域建設先行先試中期評估意見，黃委數字孿生流域建設先行先試中期評估獲得“優秀”等級，同時，應用案例“數字孿生黃河建設關鍵技術研究與應用”“黃河工情險情全天候監測感知預警系統”兩項案例被評為優秀案例。 

　　作為水利部數字孿生流域建設先行先試工作的重點單位，黃委擁有堅實的數字化實踐基礎。早在2001年，黃委提出建設“三條黃河”，即“原型黃河”“模型黃河”和“數字黃河”，其中“數字黃河”的建設目標是借助現代化手段，對黃河流域及相關地區的自然、經濟、社會等要素構建一體化的數字集成平臺和虛擬環境。可以說，“數字孿生黃河”正是對“數字黃河”的延續和發展。 

　　“就好比一對‘雙胞胎’，數字孿生黃河是現實黃河的虛擬對照體。”黃委數字辦負責人說，“虛擬黃河這個‘孿生兄弟’能夠預判現實黃河的一舉一動，為‘預報、預警、預演、預案’提供決策支持，目前已在黃河洪水防御和水資源管理與節約保護方面得到了有效應用。” 

　　2022年主汛期，數字孿生黃河建設的重要成果之一——黃河防汛會商預演系統，有力支撐防汛會商決策。雨量預報、洪水預報預警、水庫調度及工程險情，系統均可清晰呈現、預演。“與防汛相關的各類信息與功能，一體化集成耦合在預演系統中，實現預報、預警及預案選擇功能，以及預報與調度的動態交互。‘正向’可通過預演發現問題，‘逆向’可通過推演優化方案，成為系統的關鍵核心和最大特點。”黃委信息中心工作人員介紹，“我們致力于全面構建黃河保護治理主要業務的應用數字化場景，圍繞治黃主責主業，建設流域防汛、水資源等業務應用系統，為流域治理管理‘四統一’工作提供支撐。” 

　　在黃委防汛調度中心，防御局的技術人員移動鼠標：點擊“雨情”欄下的“雨量預報”， 7日內的降雨預測情況躍然屏幕之上；點擊“水情”欄下的“水情告警”，“一張圖”上立即閃爍提示超警戒水位站點等信息；點擊“水情”欄“洪水預報”中的某重要站點，該站點當前及未來15日內的預報水位、流量曲線隨即生動展現在眼前。 

　　在黃委水調局，初步建成的黃河水資源管理與節約保護應用系統1.0版本已投入使用。“就好像有了一個黃河水資源的‘數字大管家’，在水資源信息服務系統的數字化場景里，全流域1萬個取水口在‘黃河一張圖’上盡收眼底。”工作人員介紹道。 

　　既能防住每場突發的洪水，也要管好河道里的每一滴水——這就是數字孿生黃河賦能洪水防御及水資源管理與節約保護的“數字魔法”。管理系統施展威力離不開水文測站提供的精準的水情監測信息。 

　　多旋翼無人機搭載三維激光掃描儀騰空而起，對河道兩岸進行掃描；無人水文測船搭載多波束測深儀乘風破浪，對水下要素進行收集……黃委水文局技術人員介紹，“數字孿生黃河水文感知網正在加緊建設，我們把河流、山川、橋梁、房屋等三維坐標等精確掃描，構建起對應虛擬模型，為智慧水利建設提供有力支持。” 

　　破關鍵技術難關 展黃河特色亮點 

　　“云河地球”、“智河視界”三維仿真引擎、“黃河模擬器”、“仿真石頭”、“三個全覆蓋”信息感知網……越來越多新名詞進入治黃職工的視野，數字孿生黃河建設多項關鍵技術不斷取得突破性進展，不少適用于黃河特有水利場景下的創新亮點也應運而生。 

　　“我們著力黃河各類業務數學模型和流域人工智能決策算法研發，開展前沿技術與數字孿生黃河的深度融合，研發‘智河視界’‘智河防汛’‘智河物聯’‘黃河模擬器’等特色產品，實現了關鍵技術自主。”黃科院技術人員介紹。 

　　“黃河設計院組建重點產品研發團隊，自主研發了云河數字孿生平臺以及小禹智慧防汛、淤地壩安全管理、工程安全監測、堤壩滲漏監測、堤壩坍塌圖像識別、基于BIM+GIS工程全生命周期管理等30余項智能采集、智慧工程、智慧水利系列‘拳頭’產品，信息化核心競爭力逐步增強。” 

　　“支持多源數據的高效融合、可視化與交互漫游；支持全時空一體化管理，從流域大場景到設備零部件小場景、從歷史回溯到未來預演；支持多種水利專業模型的高效便捷加載、模擬推演和實時渲染，為智慧化模擬、精準化決策提供通用可視化平臺。”“云河地球”“智河視界”等，這些數字孿生三維仿真引擎系列標志性成果，都是2022年黃委在數字孿生黃河建設中取得的關鍵性技術突破。數字辦專班技術人員介紹，“引擎核心技術自主研發，安全可控，目前已取得國家發明專利4項，已推廣應用于黃河下游防汛、水調、小浪底等數字孿生建設中。” 

　　此外，黃河特色的人工智能算法應用正在賦能下游保護治理的具體實踐。 

　　在山東墾利河務局護林管理段的黃河岸邊，技術人員孫長江手舉無人機，豎起大拇指：“現在有了無人機幫忙，我們真正實現了巡查區域的全覆蓋。正值凌汛期，管理段每周開展2次無人機巡查，利用截圖、錄像等方式將發現問題及時上傳冰凌觀測系統，利用冰凌密度智能算法初步實現冰凌自動觀測、智能識別和動態預警。” 

　　視頻監控全覆蓋，河道巡查有了“千里眼”；無人機巡視全覆蓋，河道保護有了“空中鷹眼”；遠程會商全覆蓋，基層工作有了“傳令官”……山東河務局積極推進智慧山東黃河建設，構建起“天空地河”一體化信息感知網。一系列新技術的研發和運用，為補齊數據采集短板、構建數字孿生黃河數據底板提供了堅實基礎。 

　　每一次洪峰涌來、每一斗黃沙波動，每一個防洪工程、每一座水利樞紐、每一片豐饒灌區……未來，隨著數字孿生黃河加快建設，大河上下每一縷宏大或微小的脈動，都將映射在數字孿生黃河的新世界之中，賦能推動新階段黃河水利高質量發展的先進引領力和強勁驅動力。