刘国庆：江苏数字孪生水网建设与预报调度一体化应用初探
江苏河湖众多、水网密布、工程体系复杂，水利管理工作具有一定难度。面向新阶段水利高质量发展、水安全保障等新需求，加强流域治理管理与保护以及新形势下水利治理管理工作，江苏省制定了《江苏省“十四五”信息化发展规划》《智慧水利建设指导意见》《江苏水利数字化转型三年行动计划》，将数字孪生流域和工程建设内容深度贯穿于未来水利数字化发展进程。到2025年，将初步建成江苏省智慧水利体系，水利数字化、网络化和重点领域智能化水平明显提升。主要建设内容包括集约高效的水利信息化基础设施体系、赋能融合的水利智能中枢体系、“2+N”水利智能业务应用体系、安全可控的水利网络安全防护体系和优化健全的水利网信保障体系，基本完成数字孪生流域构建与水利工程智能化改造，并要求水旱灾害防御领域率先实现“四预”，水资源管理与调配及河湖监管在重点区域和流域实现“四预”。2022年年初，水利部印发先行先试台账，推进全国各流域、各省级数字孪生流域建设先行先试工作，加快构建数字孪生流域。
1、江苏省水利信息化工作存在的不足
江苏省水文水资源监测站网已初具规模，现有1800余处监测站点；已建成覆盖省厅、13个地市水利局和水文分局、9个工程管理处的水利信息骨干网，形成了覆盖全省三级水利部门的水利信息网络；建成了全省统一信息采集和交换平台，满足省、市、县三级共享的“一张图”和信息资源采集交换要求；已建成水利地理信息服务平台、省水利数据中心以及多个业务应用系统，目前1个统一门户、4个基础服务平台、1个水利云服务中心、7类35个业务应用和1套安全保障机制的“141N1”智慧水利支撑体系基本形成。与国家信息化总体要求、其他行业信息化发展程度、信息技术进步以及数字孪生流域与智慧水利建设的新要求相比，江苏水利信息化工作仍存在以下不足。
透彻感知能力“算据”存在不足
水利感知覆盖范围和要素不全，“2+N”业务应用的地面监测能力不能满足水利业务和行政管理需要；多源监控信息采集得到一定应用，但整体智能化程度低，监测手段自动化程度不高，智能摄像头、新型传感器等应用不足，特别是对水利工程运行信息的采集汇聚能力距离形成空天地一体化体系，支撑数字孪生流域的智能透彻感知体系建设还存在较大差距。通信保障能力不足，现有感知通信网络覆盖不全、带宽不足。应急监测装备配置不足，应急监测手段缺乏，应急通信装备和应急抢险通信保障能力还有不足。
数字孪生平台“算法”亟待完善
江苏省尚未建立《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》要求的“标准化、模块化、云服务”的模型平台。从流域、区域、城市防汛需求来看，当前流域预报模型种类单一，预报信息未能完全覆盖关键区域，缺乏流域尺度预报调度一体化、流域综合模拟业务化的在线运行专业模型；尚未建设智能模型、可视化模型和数字模拟仿真引擎；尚未建立包含预报调度方案、业务规则、历史场景、专家经验的水利知识库和知识平台，无法为多业务场景决策分析提供健全的知识和智慧化模拟工具。
信息基础设施“算力”有待提升
水利业务网能力不足、通达程度待加强，工程管理单位信息联通率待提高，水利业务应用“三级部署、多级应用”无法真正实现；特别是骨干网带宽仍不能满足数据传输、服务调用等需要。云计算能力不足，集中式大量影像信息提取、数字孪生底板高性能渲染与多用户并发、大数据挖掘分析计算、流域尺度洪水滚动预报等缺乏足够计算能力。存储资源不够，高频监测数据、遥感数据及水利业务输入输出的大量图片、图像、视频等数据快速增长，但未能匹配足够存储空间和处理能力。
“四预”业务应用存在较大差距
新一代信息技术与水利业务融合不深入，不能全流程支撑业务工作，综合分析和决策支持能力弱。部分业务信息化存在短板，缺乏信息系统支撑；水利工程设计、施工和运行管理全生命周期的数字化、智能化应用水平不高；工程建设信息化水平总体偏低，缺乏全流程信息化支撑；水利工程安全运行等信息系统使用不足，水旱灾害防御、水资源管理与调配等业务智能化水平有待提高。先进信息技术在水利业务中应用水平不高，5G、大数据、AI、区块链等技术尚未得到广泛应用；智能化公共服务欠缺。目前尚未建立起信息交互和模型深度融合的预报、预警、预演、预案“四预”体系。
信息资源融合共享机制需加强
信息资源纵向和横向整合不够，水利设施基础信息不全，准确性不高；水利基础数据、感知数据、业务数据、跨行业共享数据和地理空间数据相关标准未统一，在不同业务和不同层级间存在“重采、重存”现象；分散建设的信息基础设施条块分割、相互封闭，制约了整体效益发挥。与各类水利业务联系紧密的其他行业相关数据尚未实现共享；对互联网数据应用处于起步探索阶段，未全面开展业务化应用，特别是针对河湖水系、水利工程等孪生对象，需要加强基础数据、工程运行状态等数据的共建共享。
2、江苏省数字孪生水网建设思路
数字孪生水网是以物理水网为基础，具有时空映射、智能模拟、交互推演功能的数字系统，由信息基础数据、数据底板、模型平台及知识平台构成。江苏省数字孪生水网遵照“需求牵引、应用至上、协同推进、共建共享”建设理念，一是统筹江、河、湖、海、库、闸-泵-涵-堰、供排管渠七类对象；二是突出数字大厅、监测预报、动态预警、场景预演、调度预案、会商辅助六个特色；三是实现门户、标准、平台、服务、运营五个统一；四是力争在水旱灾害防御、水资源管理与调配、生态河湖监管、水利工程建设管理与运行四个方面取得创新；五是以水利智能中枢为纽带，考虑信息基础设施、数字孪生平台和“四预”应用三层架构；六是建设水旱灾害防御、水资源管理与调配两个重点，覆盖“N”项业务；七是打造智慧水利综合指挥中心，逐步推进数字孪生水利工程、数字孪生水网、数字孪生流域建设，实现河湖美丽健康。
江苏省数字孪生水网建设总体框架见下图，主要建设内容涉及信息基础设施、数据底板、模型平台和知识平台等。
▲江苏省数字孪生水网总体架构
信息基础设施
信息基础设施为数字孪生水网提供“算力”支撑。一是建设水利感知网，形成“全覆盖、自动化、智能化”的水利感知体系，和省级监测感知数据统一汇集；二是升级水利信息网和“水利云”，覆盖省内各级水行政主管部门、各类水利工程管理单位，实现相关涉水单位信息全面互联互通，通过在线融合省、市、县“水利云”与政府大数据中心，充分利用传统与新型基础设施的自建能力和共享资源，进一步提升存储、计算与高性能渲染能力。
数据底板
数据底板为数字孪生水网提供基础“算据”支撑。在全省水利“一张图”基础上，迭代升级三维底图，利用数据引擎，全面实现融合、治理、挖掘和服务等功能，形成基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化的智慧水利数据底板。数字资源主要包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据和地理空间数据，基于数据模型与多源数据底板融合技术，逐步建成江苏省全域（L1级）、重点河湖库（L2级）和重点水利工程（L3级）的数据底板。
模型平台
模型平台为数字孪生水网提供专业“算法”支撑。主要包括水利专业模型、智能模型和可视化模型及其仿真引擎，需按照“标准化、模块化、云服务”的要求，制定模型平台开发、模型调用、共享和接口等技术标准，保障各类模型的通用化封装及模型接口的标准化，以微服务方式提供统一调用服务，供各级单位调用。其中，水利专业模型满足离线、在线计算，正向、逆向推演和模型管理与更新功能；智能模型需将人工智能与水利特定业务场景相结合，实现对水利对象特征的自动识别，进一步提升水利感知能力；可视化模型包括自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备等，对各类模型进行可视化构建，面向业务应用真实展现物理流域中各种水利业务场景，并通过模拟仿真引擎实现数字孪生流域与物理流域同步仿真运行。
知识平台
知识平台为数字孪生水网提供智能“算法”支撑。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，为数字孪生流域提供智能内核，支撑正向智能推理、反向溯因和智能决策分析，主要包括水利知识和水利知识引擎。针对不同业务应用场景，综合考虑构建水利基础知识库、历史调度和预报调度知识库、专家经验知识库和业务规则知识库等，利用水利知识引擎实现水利知识表示、抽取、融合、推理和存储等功能。
智能中枢
智能中枢是串联数据底板、模型和知识平台的纽带。智能中枢是由数据舱、模型舱、知识舱、引擎舱、业务舱和场景库构建而成，基于云原生开发架构，融合CPU、GPU、DPU组建多源算力，汇聚、治理、服务和管理水利数据、模型、知识、工具与引擎等数字资产的共建共享平台，通过其能力输出，可有效推进江苏省水利数字资产跨部门、跨层级、跨地区的整合共享、优化配置、运行维护和安全监控，助力提升水利精细化管理和精准化决策水平。
“2+N”业务
“2+N”业务是数字孪生水网建设的出发点和落脚点。“2+N”业务以水旱灾害防御、水资源管理与调配为核心，构建覆盖江苏省水利管理职能的“2+N”应用体系，加强监测预报、动态预警、场景预演和调度预案的“四预”体系建设与应用。推进其他“N”项业务应用，全面支持生态河湖管理、水土保持、农村水利水电、节水管理与服务、南水北调工程运行与监管、水行政执法、水利监督、水文管理和水利公共服务等。
3、江苏省太湖地区水工程预报调度业务应用
区域概况
江苏省太湖水系面积1.96万km2，约占太湖流域总面积的53.7%，包括太湖湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、浦南区等水利分区。太湖承接浙江天目山区东西苕溪来水及湖西宜溧山区、茅山山区来水，经调蓄后，目前主要由两条河入海、入江：一是太浦河，太湖洪水经太浦闸下泄，洪水穿过京杭运河后沿太浦河向东汇入黄浦江；二是望虞河，洪水经望亭立交下泄后沿望虞河至江边经常熟枢纽排入长江。太湖地区基本形成了“北排长江，南排太湖，东排黄浦江，顺运河下泄”的骨干防洪体系框架，形成了以流域骨干工程为主体，平原骨干河道和平原区各类闸站等工程组成的防洪工程体系。随着新孟河通水运行，基本形成了新孟河、望虞河、太浦河、新沟河、走马塘“两进三出”的“引江济太”水资源调控格局。沿江—环湖—圩区群工程调度执行《太湖流域洪水与水量调度方案》和《苏南运河区域洪涝联合调度方案》。
多层级数据底板
采用高精度遥感影像、DEM等数据构建了江苏省太湖地区1.96万km2 L1级面域底板；利用倾斜摄影、河岸堤防、河底地形等数据构建了新孟河、望虞河等“引江济太”骨干河道L2级线域底板；结合枢纽工程建筑数据构建了望亭立交、常熟枢纽、界牌枢纽、奔牛枢纽、牛塘水利枢纽及前黄水利枢纽等区域控制性工程L3级多点底板；利用数据融合、高性能渲染、仿真模拟等技术，逐步实现面、线、点底板的融合集成和应用。
多尺度分级河网模型
水工程预报调度一体化系统集成了江苏省太湖地区多尺度分级河网模型。考虑到河网模型边界封闭性要求，模型构建范围扩大到太浦河-黄浦江沿线，面积为2.36万km2。模型为水文-水动力一二维耦合模型。其中一维模型包括河道断面22699个，河段8751段、长度15373km，水闸工程1145座，泵站工程760座，圩区工程1109个。模型具备时空多尺度嵌套功能，具备水文产汇流、河网—管网—维水动力、内涝积水退水和工程群调度等多过程模拟功能，计算效率快、精度高。率定验证结果表明，模型可信度较高。为了实现模型在线化服务，开发了基础类信息、水文类信息、统计类信息、专业模型类接口共70个，满足河网滚动预报、区域防洪和引江济太调度预演的需求。
▲江苏省太湖地区多尺度分级河网模型
水工程预报调度一体化系统
围绕江苏省数字孪生水网建设总体要求，紧扣水工程预报调度一体化中预报、预警、预演、预案业务应用场景，利用信息基础设施，基于数据底板与多尺度河网在线模型，开发了江苏省太湖地区水工程预报调度一体化系统。系统包括数字大厅、孪生展示、“四预”调度、会商辅助四个核心业务模块，具体功能架构见下图。
▲江苏省太湖地区水工程预报调度一体化系统功能架构
数字大厅
数字大厅是系统的对外窗口，抽取业务核心数据，全局动态展示。抽取江苏省太湖地区284个雨量站点、263个水情站点、入江—入湖—圩区群重点水利工程运行信息，以湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀卯区、杭嘉湖（苏）、太湖区五个水利分区为单元，采用动静结合方式综合展示，使用户能够全局把控全域当前防洪形势和未来发展态势。
孪生展示
孪生场景集成可视化数据底板，支持不同场景历史、现在、未来多时空尺度的虚实交互。其建立在数据底板基础上，利用高性能算力，实现物理对象全要素和调度管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟，同步仿真运行、时空虚实交互，形成了可实时重现现在、预演未来、复演过去的能力。孪生展示的调度预演方案由“四预”调度模块产生，并同步更新。
“四预”调度
“四预”调度以防汛排涝和“引江济太”为重点，包括监测预报、动态预警、场景预演和调度预案四个核心模块。
监测预报模块是算据的全面集成，通过集成基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据及地理空间数据等多源信息，开发实时雨情、实时水情、实时工情、水质监测、气象信息、水情预报、视频监控等功能模块。
动态预警模块结合实时监测数据、河网模型预报数据，按照相关预警管理办法，对暴雨台风、河道水情、积涝、工程运行等方面进行预警，并能够提供预警信息的发布和管理功能。
场景预演模块是“四预”调度的关键，通过集成河网模型算法，开发防汛预报调度推演能力。其中，正向预演能够基于当前雨水情、实时工情或现行调度规则，预测未来不同时段降雨特征下河网水位如何变化、是否超警、是否需要启动应急预案；反向预演能够基于未来气象预报信息，以河网多站点水位控制为目标，提供最优的调度方案、应急响应建议及措施建议。
调度预案模块提供场景预演中有效调度方案的入库管理功能，包括防汛排涝、引水调度和历史事件的调度方案管理。同时，提供日常会商过程中调令管理和会商材料的自动生成功能，提供工程与非工程措施以及组织实施，为未来智慧调度提供大数据支撑。
会商辅助
会商辅助模块主要用于支撑会商决策，采用向导式设计，按照降雨形势、水情形势、工情能力研判、调度预演分析、应急响应流程完成整个会商过程。特别是在调度预演分析中，采用场景预演模块已保存的推荐方案，支撑精准调度、科学调度。系统管理模块主要是对用户和权限进行设置，保证系统运行的安全。
结语
数字孪生水网建设是江苏智慧水利建设的重要组成部分，是一项复杂的系统性工程，短期建成难度大，必须在建与用中总结经验，不断探索数字孪生水网建设的有效途径。需要从以下方面考虑：一是标准先行，构建数字孪生水网建设规范体系；二是资源整合，打造数据底板互联互通数据共享平台；三是通用模型支撑，建设多尺度在线服务模型平台；四是应用至上，建设“2+N”四预业务应用体系。
从未来发展趋势看，跨学科跨行业深度交叉融合，是数字孪生水网工程建设的必然趋势。数字孪生水网涉及水利工程、计算机科学与技术等多个一级学科和相关二级学科，具有鲜明的跨学科特点；涉及新一代信息技术与水利专业的融合，具有跨行业融合特点。算力—算据—算法深度结合是构建数字孪生水网的核心环节，利用高性能渲染和计算的高效算力资源，结合互联互通、共建共享的基础算据，将模型平台作为核心算法，推动数字孪生平台构建。水利“2+N”业务深度应用是智慧水利建设落脚点，以水安全、水资源、水环境、水生态、水工程、供排水、水事务、综合监管等领域业务需求为目标，以实现“四预”业务应用为出发点和落脚点，需进一步加强水利专业与信息技术学科交叉、推动智慧水利学科发展培养综合性复合人才，这是未来学科发展的必然要求。
