数字孪生水利建设要点（32页 PPT）

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数字孪生水利建设中应把握的要点 水利部将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六 条路径之一。数字孪生水利建设是推进智慧水利建设的实施措施。 水 利部近两年先后从行政、 规划、 工作、 技术四个层面制定印发了系列 文件， 明确了推进数字孪生水利建设的时间表、 路线图、 任务书、 责 任单。 完成了顶层设计。 数字孪生水利建设是一项技术难度大、 管理复杂的系统工程， 存 在技术和管理方面的难点， 水利部通过开展技术攻关和先行先试， 探 索了解决难点的思路举措。 第一部分 把 握 数 字 孪 生 水 利 建 设 的 目 标 任 务 第二部分 把握数字孪生水利建设的重点与难点 目 录 一 二 三 四 是什么 为什么 建什么 怎么建 定义定位 形势要求 目标任务 实施路径 智慧水利——全局性大目标， 是水利高质量发展的显著标志， 是大方向和趋势。 推进智慧 水利建设是推动新阶段水利高质量发展的六条路径之一。 数字孪生水利——实施措施， 统筹建设数字孪生流域、 数字孪生水网、 数字孪生水利工 程， 构建具有 “四预”功能的数字孪生水利体系。 u 第一层： 明确发展方向， 即智慧水利 u 第二层： 实施措施， 即建成具有 “四 预” 功能的数字孪生水利体系 u 第三层： 主要任务， 即 “三个孪生” 和” 2 +N” 业务“四预” 一 定义定位—定位 数字孪生水利是充分运用物联网、 云计算、 大数据、 人工智能、 虚拟现实等新一代信息技术， 建设数字孪生 流域、 数字孪生水网、 数字孪生水利工程等新型基础设施， 实现流域防洪、 水资源管理与调配等 “ 2+N” 业务应用 “四预” ( 预报、 预警、 预演、 预案 ) 功能的综合体系， 提升水利治理管理数字化、 网络化、 智能化水平， 为新阶 段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。 数字孪生水利工程是以物理水 利工程为单元 、 时空数据为底座、 数学模型为核心、 水利知识为驱动， 对物理水利工程全要素和水利治理 管理活动全过程进行数字映射 、 智 能模拟 、 前瞻预演， 与物理工程同 步仿真运行、 虚实交互、 迭代优化， 实现对物理工程的实时监控、 发现 问题、 优化调度的新型基础设施。 数字孪生水网是以物理水网为 单元、 时空数据为底座、 数学模型 为核心、 水利知识为驱动， 对物理 水网全要素和水利治理管理活动全 过程进行数字映射、 智能模拟、 前 瞻预演， 与物理水网同步仿真运行、 虚实交互、 迭代优化， 实现对物理 水网的实时监控、 联合调度、 风险 防范的新型基础设施。 数字孪生流域是以物理流域为 单元、 时空数据为底座、 数学模型 为核心、 水利知识为驱动， 对物理 流域全要素和水利治理管理活动全 过程进行数字映射、 智能模拟、 前 瞻预演， 与物理流域同步仿真运行、 虚实交互、 迭代优化， 实现对物理 流域的实时监控、 发现问题、 优化 调度的新型基础设施。 一 定义定位—定义 预报 基本内涵是以流域为单元， 遵循客观规律， 在总结 分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上， 根据业务 需求， 采用基于机理揭示和规律把握、 数理统计和数据 挖掘技术等数学模型方法， 对水安全要素发展趋势做出 不同预见期 ( 短期、 中期、 长期等 ) 的定量或定性分析， 提高预报精度、 延长预见期。 预警 基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值， 拓宽预 警信息发布渠道， 及时把江河洪水、 山洪灾害、 渍涝灾 害、 工程灾害、 干旱灾害、 冰凌灾害、 供水危机、 水域 空间占用、 水生态环境危害及相关次生灾害等预警信息 直达水利工作一线和受影响区域的社会公众， 及时采取 应急处置措施， 做好防灾避险准备。 预演 基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、 设 计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿 真， 正向预演出风险形势和影响， 逆向推演出水利工程 安全运行限制条件， 及时发现问题， 提出防风险措施， 迭代优化方案。 预案 基本内涵是依据预演确定的方案， 预案的基本内涵 是依据预演确定的方案， 制定执行预案， 主要包括水利 工程运用次序、 时机、 规则和非工程措施， 明确调度机 构、权限和责任， 以及信息报送流程和方式等， 并组织 实施。 一 定义定位—定义 习近平总书记强调， 要推动数字经济和实体经济融合发展， 把握数字化、 网 络化、智能化方向， 推动制造业、服务业、农业等产业数字化， 利用互联网新技 术对传统产业进行全方位、全链条的改造， 提高全要素生产率， 发挥数字技术对 经济发展的放大、叠加、倍增作用。 ( 中共中央政治局第三十四次集中学习 ) 党的二十大报告 《中华人民共和 国国民经济和社 会发展第十四个 五年规划和 2035 年远景目 标纲要》 《国家“十四五” 新 型基础设施建设 规划》 《数字中国建设整 体布局规划》 二 形势要求—党中央国务院的决策部署 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 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 构建以数字孪生流域为 核心的智慧水利体系 加快建设网络强国、 数字中国 首先， 流域是降水自然形成的以分水岭为边界， 以江河湖泊为纽带的空间单元。 水的自然属 性决定了由流域内上下游左右岸干支流， 地上地下的自然联系， 形成了天然的水系整体， 流域内 山、 水、林、 田、湖、 草、沙等各生态要素紧密联系， 相互影响， 相互依存， 构成了流域生命共 同体， 所以强调要以流域为单元。 其次， 我国水管理体制是以流域为单元的， 全国层面设置七大流域管理机构进行流域管理， 地方也在辖区设置不同级别的管理机构管理重点河湖， 所以强调要整个流域统筹考虑。 再次， 水利是一项涉及大尺度、 多领域、 全要素的工作， 不可能在物理流域中试验不同方 案， 只能在数字空间进行反复预演， 经过综合评估分析后选择最优方案， 运用到实际工作中。 水利的特点决定 -- 流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性 二 形势要求— 内在需要 水利是经济社会发展的基础性行业， 面向高 质 量发展的要求， 亟需以技术创新为驱动， 推动传 统 水利的转型升级， 提高水利治理的质量和效能。 智慧水利是水利高质量发展的显著标志。智慧 水利建设是推进新阶段水利高质量发展的 6 条实 施 路径之一。 因此， 通过数字孪生技术对物理流域、物理 水 网、物理工程的实时监控、发现问题、优化调度， 最终达到风险提前发现、预警提前发布、方案提前 六条实施路径： 一要完善流域防洪工程体系， 二要实施 国家水网重大工程， 三要复苏河湖生态环境， 四要推进 智慧水利建设， 五要建立健全节水制度政策， 六要强化 体制机制法治管理。 形势要求 水利现状和需求决定 二 ( 一 ) 总体框架 数字孪生水利： 建设数字孪生流域、 数字孪生水网、 数字孪生水利工程等新型 基础设施， 实现“ 2+N” 业务应用“四预” 功能 的综合体系， 为水利决策管理提供前 瞻性、 科学性、精准性、 安全性支持， 为 新阶 段水利高质量发展提供有力支撑和强 力驱 动。数字孪生水利体系主要由数字孪 生流 域、数字孪生水网、数字孪生水利工 程、 业务应用， 以及网络安全体系和保障 体系构成。 三 目标任务— 目标 数字孪生水利体系结构 算 力 ( 二 ) 建设目标 至 “十四五”末期， 建成七大江河数字孪生流域； 骨干水网中的数字孪生南水北调中线基 本建成， 省级数字孪生水网取得突破； 大江大河重要控制性枢纽基本建成数字 孪生工程； 在重点防洪地区实现流域防洪“四预”， 在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基 本实现水资源管理与调配“四预”， N 项业 务智能应用水平大幅提升； 数据共享和网络安全防护能力明显增强； 为新阶段水利高质量发展提供有力支撑 和强力驱动。 三 目标任务— 目标 新建 升级改造 算 法 算 据 ( 三 ) 数字孪生流域 按照 “突出重点 、 急 用先建”的原则进行建设 ， “十四五”期间主要建设： 长江 、 黄河 、 淮河、 海河、 珠江 、 松花江 、 辽 河 、 太湖等干流， 180 条 主要支流及重点河流， 20 个重点湖泊。 三 目标任务—任务 ( 四 ) 数字孪生水网 按照 “规划先行、 先导推进”的原则， “十四五”期间： 骨干水网： 基本建成数字孪生南水北调 中线， 积极推进数字孪生南水北调东线； 省级水网： 推进广东、 浙江、 山东、 江 西、 湖北、 辽宁、 广西等第一批省级先导区 数字孪生水网建设， 并取得标志性成果， 积 极推进第二批以及市、 县级数字孪生水网建 。 目标任务—任务 三 设 ( 五 ) 数字孪生水利工 程 按照 “重点提升、 同步 新 建 ”的 原 则 进 行 建 设 ， “十四五”期间主要建设： 123 个重点水库， 98 个 行蓄滞洪区， 140 个重点水 闸， 48 个大中型灌区工程， 47 个其他重点水利工程等。 目标任务—任务 三 ( 六 ) 2 +N 业务应用 实现 “ 2+N” 业务应用的 “四预”。 重点是构建流域防洪、 水资源管理 与调配 ( 2) 的智能应用， 实现 “四预” 功 能。 此外， 水利工程建设与运行管理 、 河湖管 理 、 水土保持 、 农村水利水电 、 节水管 理与服务 、 南水北调运行与监督 、 水行 政执法 、 水利监督 、 水文管理 、 水利行 政、 水公共服务 ( N) 。 目标任务—任务 三 顶层设计： 从行政、 规划、 工作、 技术等层面相继出台一系列文件、规范和技术要求， 明确 了推进数字孪生水利建设的路线图、 时间表、任务书、责任单。 技术攻关： 通过科技研发计划、水利部重大科技项目开展感知、模型、仿真、安全等技术攻 关。 先行先试： 根据各流域、 区域实际需求， 全面开展先行， 重点在数据底板、模型平台、知识 平台及流域防洪、水资源管理与调配等业务应用“四预”方面选择先试， 以取得重点突破。其间， 技术指导人、业务指导人、责任专家持续指导把关， 去年底， 水利部已完成各单位先行先试工作 中期评估， 并发布中期评估结果。 打造样板： 在先行先试工作基础上， 今年水利部将强化指导， 加强调度， 树立典型， 努力打 造样板， 让大家学有榜样， 追有方向。 推广应用： 通过先行先试， 特别是今年的样板打造， 努力形成一批可复制、可推广的技术、 方案、系统、案例等， 为数字孪生水利全面建设打下坚实基础。 四 实施路径 第一部分 把 握 数 字 孪 生 水 利 建 设 的 目 标 任 务 第二部分 把握数字孪生水利建设的重点与难点 目 录 一 技术方面的难点 二 管理方面的难点 算据 算力 算法 业务应用 网络安全 标准 工作协调 资金投入 人才培养 应对思路 通过数字孪生水利建设牵引、 倒逼物理监测， 主要是构建天空地一体 化感知网， 支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准性、 同步性、 及时性。 一是升级改造传统水利监测站网。 在水文、 水资源、 水利工程、 水土 保持等监测站网基础上， 检视并修订不符合数字孪生建设要求的标准规范； 完善优化站网布局， 增设监测要素、 增加监测频次， 升级改造传统监测系 统， 实现自动在线监测； 二是构建新型水利监测网。加强多普勒 ( 相控阵 ) 雷达、 卫星遥感、 航空遥感、 高清视频、 无人机、 无人船、 地面机器人、 水下机器人等新型 监测手段应用， 融合地面监测数据， 支撑数字孪生流域与物理流域交互的 精准性、 同步性、 及时性。 传统监测不满足全要 素 、 全过程数字化场景需 要， 无法支撑数字孪生流 域与物理流域交互的 精准 性 、 同步性 、 及时性， 特 别是应对山洪灾害防御。 一 攻克数字孪生水利建设技术方面的难点 1. 算据方面 ( 感知 ) 难点 应对思路 主要建设统一的多时空多尺度水利数据底板。 一是建设覆盖全国的一级数据底板。汇聚流域和省区建设成果， 满足整 体 形势分析、大区域情况研判以及分布式坡面产流、河网汇流模型等需要， 形 成 统一的时空基准。 L1 级数据底板主要包括： SRTM30 米格网 DEM ； 全国 陆域范 围 2 米分辨率 DOM ； 全国陆域范围 30 米格网下垫面地表覆盖数据。 二是建设重点河段重点区域的二级数据底板。集成流域管理范围省区和 工 程管理单位建设成果， 为流域和省区水利治理管理提供详实的工作底图， 满 足 河道洪水演进、重点对象水土保持模型计算等需要。长度约 5 万千米、面 积约 18 万平方千米。 三是建设覆盖重要水利工程的三级数据底板。构建实体场景模型， 为工 程 难点 数据底板， 尤其是地理空 间数据差距大， L2 级数据底板 的水文大断面和水下地形更新 频率不足 ( 目前普遍 5 年左右 更 新一次， 重点河段需要每 年汛 前更新 1 次 ) ， L2 级 数据底板 的水面以上地形数据 缺少， 跨 行业数据方面， 防洪保护区、 蓄滞洪区等区域村庄 、 经济社 会、基础设施等数据不掌握。 一 攻克数字孪生水利建设技术方面的难点 1. 算据方面 ( 底板 ) 应对思路 主要是满足数字孪生水利算力需求。 一是扩充计算资源， 针对相控阵雷达、 区域气候模式预报、 分布式 水 文模型、 格网化水力学模型等超大规模方程团迭代解算， 以及精细化时 空 分析、 海量数据挖掘分析、 大场景渲染展示等情景所需的高性能海量计 算 需求， 按照 “集约高效、 共享开放、 按需服务”的原则， 采用自建云、 利 用超算中心资源等方式， 提升物理分布、 逻辑集中、 协同工作的高性 能算 力； 二是升级通信网络， 实现水利系统网络无盲区无死角互联， 满足各 类 信息及时高效传输， 并充分利用通信卫星、 北斗、 5G 等新一代网络技术， 保障监测站网在极端恶劣环境下的安全可靠传输 一 攻克数字孪生水利建设技术方面的难点 计算资源， 尤其 是 高性能计算资源严重缺乏， 通信网络尚有差距。 2. 算力方面 难点 应对思路 重点在防洪、 供水、 工程安全、 泥沙分析等专业模型， 及动态可视化模型等方面进行突破。 一是研究流域自然规律， 对降雨 - 产流 - 汇流 - 演进全过程洪水形成演变规律， 河道泥沙演变趋 势及 江湖关系变化机理， 水库群及引调水工程泥沙冲淤规律， 以及大坝渗流及变形的发展规律等进行研究， 研发机理分析模型。努力打造通用的水利专业工程软件包， 用于流域防洪、供水调度、工程安全、泥 沙分析等专业， 同时研发适用于各流域特点的实用模型。 二是创新升级现有模型， 充分利用大数据、人工智能等技术， 融合多源信息， 升级改造流域产 汇流、土壤侵蚀、水沙输移、水资源调配、工程调度等模型， 研发新一代具有自主知识产权的水利数 理统计专业模型， 实现变化流场下数字孪生水利多维度、多时空尺度的高保真模拟。 三是研发智能识别模型， 构建水利业务遥感、视频、音频等人工智能识别模型， 实现河湖“四 乱”问题、水利工程运行、应急突发水事件等自动识别， 提高识别准确率， 并实施业务化运行。 四是研发可视化模型， 在水利专业模型计算的驱动下进行可视化计算， 重点搭建自然背景、流 场动态、水利工程、机电设备等可视化模型， 在水利专业模型计算的驱动下进行可视化计算， 实现仿 真场景。 水利专业模型研 发 工作总体处于分散状态 ， 模型水平不高， 或者主 要 依靠国外模型的情况。 遥 感智能识别模型业务 化运 行存在差距。 可视 化模型 处于空白状态。 一 攻克数字孪生水利建设技术方面的难点 3. 算法方面 ( 模型平台 ) 难点 应对思路 首先围绕流域防洪， 构建支撑防洪调度、 工程运行的水工程调度规则库， 力 争水工程联合调度知识图谱方面取得突破， 在此基础上， 再扩展到其他领域。 一是建设水利业务知识库， 建设涵盖业务规则、 历史场景、 专家经验、 预 报调度方案等内容的知识库， 聚焦水利工程体系科学精细调度， 集成应用各类 知识， 推进预报调度一体化智能化、 实体工程与数字孪生工程同步交互调度。 二是探索构建知识平台， 利用知识图谱和机器学习等技术实现对水利对象 关联关系和水利规律等知识的抽取、 管理和组合应用， 为数字孪生水利提供智 能内核， 支撑正向智能推理和反向溯因分析， 主要包括水利知识和水利知识引 擎， 水利知识经知识引擎组织、 推理后形成支撑研判、 决策的信息。 一 攻克数字孪生水利建设技术方面的难点 知识平台尚处于 起 步阶段， 无成功经验可以 借鉴。 3. 算法方面 ( 知识平台 ) 难点 预警时间不够长、 精准不够、 覆盖不广、 发布渠 道不畅。 制定中小河流、 中小水库洪水预警指标以及江 河湖库干旱预警指标； 加强北方地区以及局地暴雨 区 “以测补报”预警应用， 推广雷达短临暴雨预警 应 用； 推动通过三大 “运营商”发布水情预警， 实 现预 警信息 ( 动态调整阈值 ) 直达防御工作一线、 水 库 “三个责任人”、 受影响的社会公众。 应对思路 一是延长预见期： 遵循 “降雨—产流—汇流— 演进”预报规律， 实现气象水文预报耦合， 完善以流 域为单元的短中长期预测预报模式， 实现由过去落地