基于數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)智慧淮河

吳奇鋒 高云澤

（埃睿迪信息技術(shù)（北京）有限公司 北京 100012）

1 治淮的背景

淮河是我國中原腹地的一條具有悠久歷史與文化的古老大河，發(fā)源于河南省桐柏山區(qū)，由西向東，流經(jīng)河南、湖北、安徽、江蘇，干流在江蘇揚州三江營入長江，全長約1000 公里。2018年10月6日，淮河治理打開新篇章——《淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》獲國務(wù)院批復(fù)，上升為國家戰(zhàn)略。規(guī)劃明確要求共建信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施體系，打造信息共享服務(wù)平臺，構(gòu)建現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)。

2 智慧淮河的意義

習(xí)近平總書記在2014年提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，奠定了新時期水利工作的總體思路。2020年8月，習(xí)近平總書記在視察淮河時指出：要尊重自然，順應(yīng)自然規(guī)律，與自然和諧相處。習(xí)近平總書記指出了現(xiàn)代化在流域治理與防災(zāi)減災(zāi)方面的重要性，而數(shù)字化、智慧化是現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。

2020年5月淮河水利委員會審議通過《智慧淮河總體實施方案》，明確了智慧淮河建設(shè)的總體要求、總體框架、主要任務(wù)、組織實施等重要內(nèi)容。

3 方案設(shè)計

3.1 總體思路

智慧淮河建設(shè)應(yīng)當(dāng)在淮河數(shù)字化工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)字孿生、人工智能等新一代 IT 技術(shù)，建立淮河的 GIS+BIM 三維信息模型，作為信息輸入與輸出的基礎(chǔ)，建設(shè)淮河流域物聯(lián)網(wǎng)感知終端、流域基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、淮河云平臺、淮河數(shù)字孿生系統(tǒng)以及智慧流域綜合決策系統(tǒng)等，實現(xiàn)智能感知與互動、視覺展示與遠(yuǎn)控，達(dá)到淮河流域管理智慧化狀態(tài)。同時，通過數(shù)字孿生淮河智慧流域平臺能夠?qū)?shù)據(jù)界面友好地展示給決策者、操作者和公眾。

3.2 智慧淮河建設(shè)現(xiàn)狀

目前，淮河流域數(shù)字化工作已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)。2001年，淮委就提出數(shù)字淮河是新世紀(jì)淮河流域水管理的一項長期戰(zhàn)略目標(biāo)任務(wù)，要開展開放型和開創(chuàng)性的數(shù)字淮河工作。 2006年，淮委已建成氣象信息系統(tǒng)、水情信息采集和處理系統(tǒng)及防汛通信系統(tǒng)，并規(guī)劃建設(shè)水情、工情、災(zāi)情信息采集系統(tǒng)、防汛決策支持系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)。2011年，進(jìn)一步提出要從全面、系統(tǒng)、流域整體的角度出發(fā)，綜合考慮各種問題之間的有機聯(lián)系，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合體系、數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺、水利專業(yè)模型系統(tǒng)、流域管理決策支持系統(tǒng)組成的淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)框架，實現(xiàn)對流域的信息化管理。

3.3 數(shù)字孿生淮河智慧流域平臺

數(shù)字孿生是以云計算、GIS、BIM、VRAR 等技術(shù)為核心，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、5G 等技術(shù)構(gòu)建的技術(shù)理念。數(shù)字孿生作為智慧流域建設(shè)的一種新途徑，綜合運用感知、計算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測、決策，進(jìn)而實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的交互映射。簡言之，數(shù)字孿生就是在虛擬世界中創(chuàng)造一個現(xiàn)實物的數(shù)字克隆體，該數(shù)字克隆體能夠反映物理世界的信息，包括自然環(huán)境和設(shè)施設(shè)備等，同時，通過數(shù)字克隆體也能對現(xiàn)實世界的設(shè)備運行進(jìn)行控制。通過融合流域機理模型和地形地貌、水體、河道、植被、建筑、設(shè)備、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動等多元空間融合大數(shù)據(jù)信息，對不同時空狀態(tài)下多專業(yè)數(shù)據(jù)實時接入與探索性時空關(guān)聯(lián)分析，可以對水體、雨洪、地質(zhì)、植被、污染和自然災(zāi)害的影響進(jìn)行模擬和預(yù)警。

數(shù)字孿生淮河智慧流域平臺，分為“數(shù)據(jù)—存儲—服務(wù)—應(yīng)用”四個層次。

（1）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)是整個平臺的基礎(chǔ)，通過不同觀測技術(shù)獲取流域水域系統(tǒng)數(shù)據(jù)、沿岸陸地系統(tǒng)數(shù)據(jù)、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和實景模型數(shù)據(jù)。

1）水域系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括河道、水體、水生植被，水源地、水庫、堤防、閘口、渠系、泵站、污水處理廠、管網(wǎng)等。

2）陸地系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括地形地貌數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、自然/栽培植被類型和覆蓋度數(shù)據(jù)。

3）傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括水文氣象、供排水系統(tǒng)流量、壓力、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4）實景模型數(shù)據(jù)，綜合利用天地空一體化觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建淮河流域內(nèi)高精度、可測量的實景三維模型，實現(xiàn)流域環(huán)境要素全方位感知、為流域管理提供技術(shù)支撐。

（2）存儲：將時空大數(shù)據(jù)按照空間信息進(jìn)行分布式儲存，構(gòu)建空間信息數(shù)據(jù)庫（儲存基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)）和非空間數(shù)據(jù)庫（儲存各類傳感器數(shù)據(jù)）。

（3）服務(wù)：構(gòu)建模型—知識庫服務(wù)于流域水資源調(diào)控；通過機理模型、知識圖譜以及智能算法等，高效組織管理流域時空大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同場景下環(huán)境容量計算、水資源調(diào)度模式、防洪防災(zāi)等。

（4）應(yīng)用：在云平臺微服務(wù)框架下，以淮河流經(jīng)的河南、安徽、江蘇三省，建立多中心、多部門為節(jié)點，構(gòu)建數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、大數(shù)據(jù)可視化、VR 仿真模擬等一體化的流域時空信息平臺，支撐淮河流域不同時空尺度下水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水經(jīng)濟(jì)過程智慧化管理。

4 應(yīng)用展望

數(shù)字孿生淮河智慧流域平臺通過數(shù)據(jù)—模型—知識庫的綜合集成管理，旨在形成不同時空尺度下全方位實景模擬展示的流域系統(tǒng)，實現(xiàn)多模態(tài)感知信息的實際接入與融合分析，提供多層次、多場景的流域信息服務(wù)，使多方能以更加全面、動態(tài)、直觀的方式對流域環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知、設(shè)計、規(guī)劃和管理，將流域“山水林田湖草沙”作為生命共同體，將尊重自然，順應(yīng)自然規(guī)律，與自然和諧相處的思想與“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路融入到系統(tǒng)應(yīng)用場景中，從而實現(xiàn)流域治理體系和治理能力現(xiàn)代化。

4.1 流域水資源協(xié)調(diào)應(yīng)用

對水資源開發(fā)、利用、調(diào)配、輸送、消耗環(huán)節(jié)實施風(fēng)險調(diào)度和精細(xì)化管理。結(jié)合淮河流域氣候與人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)預(yù)測未來水資源情勢變化，實現(xiàn)社會水循環(huán)與天然水循環(huán)的合理匹配。優(yōu)化管網(wǎng)改造，降低漏損率，監(jiān)控工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水情況。

4.2 流域水安全監(jiān)管應(yīng)用

用于科學(xué)預(yù)測和及時應(yīng)對災(zāi)情，利用區(qū)域模型預(yù)測降雨量，模擬雨洪淹沒過程，制定防洪及調(diào)度方案。同時數(shù)字孿生系統(tǒng)整合雨洪資源利用功能，緩解城市水資源困境。實時監(jiān)測地下水位和土壤墑情，實現(xiàn)對干旱發(fā)生的前兆、過程、危害程度進(jìn)行定量監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警。

4.3 流域水環(huán)境治理應(yīng)用

數(shù)字孿生系統(tǒng)對流域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源情況進(jìn)行全面監(jiān)控，識別污染主體、模擬污染物遷移動態(tài)，建立報警機制。通過評估、預(yù)警、系統(tǒng)治理，實現(xiàn)水環(huán)境承載能力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的動態(tài)平衡。

4.4 流域水生態(tài)保護(hù)應(yīng)用

用于不同時空尺度的流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價、分析和預(yù)警。分類展示和評價流域水質(zhì)、水生/陸生植物、濕地保護(hù)、土壤侵蝕程度、景觀格局特征、生物多樣性指數(shù)等信息。數(shù)字孿生系統(tǒng)根據(jù)自然環(huán)境與人類活動影響，模擬長時間流域生態(tài)系統(tǒng)演替變化，規(guī)劃不同類型的生態(tài)功能單元，劃定流域保護(hù)紅線。

4.5 流域水經(jīng)濟(jì)管理應(yīng)用

基于對水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)過程的模擬計算，評估、監(jiān)管、指導(dǎo)流域內(nèi)的社會經(jīng)濟(jì)活動。通過向數(shù)字孿生系統(tǒng)輸入工程建設(shè)相關(guān)參數(shù)，自動評估工程全生命周期對流域的影響，并給出評估意見。

5 價值總結(jié)

流域是一個集社會—經(jīng)濟(jì)—自然高度綜合的巨系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部機理復(fù)雜，并一直處于動態(tài)變化中；淮河流域的管理要求，從最初的防洪防災(zāi)到環(huán)境治理，已上升到了尋求社會經(jīng)濟(jì)—資源開發(fā)—生態(tài)環(huán)境之間的同步發(fā)展，對管理者提出更高的要求。

數(shù)字孿生淮河智慧流域平臺將物理世界淮河流域復(fù)制到數(shù)字世界，管理者可以全面直觀地了解淮河流域“山水林田湖草沙”系統(tǒng)和人類經(jīng)濟(jì)活動情況，并隨時調(diào)用“智慧流域”大腦提供的分析報告。將原本需要投入大量人財物獲取的信息，通過“智慧流域”大腦快速獲取，同時模擬出不同時空尺度下流域的狀態(tài)；更全面準(zhǔn)確地協(xié)助管理者實現(xiàn)流域社會經(jīng)濟(jì)—資源開發(fā)—生態(tài)環(huán)境的同步發(fā)展，推動生態(tài)環(huán)保效益變成造福民眾的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”，助力淮河流域生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)協(xié)同永續(xù)發(fā)展■