数字孪生三峡建设总体框架及应用效益
建设数字孪生流域是提升国家水安全保障能力的重要支撑，数字孪生水利工程是数字孪生流域的重要组成部分。2022年2月，水利部印发《关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，明确在重要水利工程开展数字孪生工程建设先行先试，并将三峡工程列为水利部本级组织落实的先行先试对象之一。
01、数字孪生三峡建设目标
数字孪生三峡建设以大时空、系统性视角，统筹考虑长江流域及工程本身需求，以智慧水利建设为引领，按照数字孪生水利工程建设“要锚定安全运行、精准调度等目标”的要求，全面整合已有信息化成果，构建三峡工程坝区管理范围L3级数据底板，升级完善三峡工程及三峡水库水利感知网、水利信息网、水利云等信息化基础设施，补充优化完善水利专业模型、智能识别模型及可视化模型，实现三峡工程及库区物理全要素和运行安全管理全过程的数字化映射、智慧化模拟。统筹考虑三峡工程枢纽自身运行安全、空间范围内的各领域安全及三峡后续工作管理等业务需求，按照防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、三峡后续工作管理及综合决策支持五大应用板块，构建具备预报、预警、预演、预案“四预”功能的业务应用。推进实体工程与数字孪生工程同步交互映像，有效提升三峡工程综合管理能力，确保三峡工程长期安全稳定运行，更好地发挥综合效益。
根据《数字孪生三峡工程建设协调工作小组会议纪要》，数字孪生三峡2023年建设目标为：力争在防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理和三峡后续工作管理四个业务应用层面取得突破，搭建数字孪生三峡平台，实现三峡防洪“四预”、重点河段“智慧巡库”、枢纽安全智能巡检、后续重点项目智能管控等功能，基本建成统一支撑、多级部署、多户共享的数字孪生三峡1.0版。在防洪精准调度方面，提高库区洪水预报调度精度及预报要素时空分辨率，提升库区防洪安全分析与调度决策能力。统筹考虑洲滩民垸及蓄滞洪区运用，提升调度方案精准化决策能力和分洪运用精细化展示能力。在三峡枢纽工程运行安全管理方面，基于枢纽主体工程L3级数据底板，完成枢纽工程安全相关数据治理，实现三峡大坝安全监测数据自动化采集、存储管理、计算分析、评价预警等功能，开展“基于惯导技术的室内智能巡检”等数字孪生融合应用。在三峡水库运行安全管理方面，实现对三峡水库库区范围中高精度遥感和地形监测全覆盖，动态掌握库容变化情况，及时、准确发现影响库容的行为和因素，精细化监管三峡水库管理范围内涉河建设项目，初步搭建三峡水库排污口跟踪管理系统，有效保障三峡水库库容和水质安全。在三峡后续工作管理方面，完善三峡后续工作项目管理“一张图”，建立项目库、政策库、案例库，实现滚动项目库和年度实施方案线上申报审核、重点项目进度动态跟踪、三维展示和初步智能管控等功能，通过数字赋能提升三峡后续工作管理能力。
02、数字孪生三峡建设总体框架
数字孪生三峡建设总体框架主要由信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系和保障体系等组成。
▲数字孪生三峡建设总体框架
信息化基础设施
信息化基础设施包括水利感知网、水利信息网和水利云。数字孪生三峡在充分整合已有信息化基础设施的前提下进行了补充完善，具体包括充分整合与利用中国长江三峡集团有限公司（以下简称三峡集团）、水利部长江水利委员会（以下简称长江委）、湖北省和重庆市已建的水利感知设备设施。以现有水利骨干网为依托，实现各有关单位的互联互通。结合多级部署需要，优化各级水利云配置。
数字孪生平台
数据底板
数字孪生三峡数据底板主要包括地理空间数据、基础数据、监测数据、业务数据与外部共享数据。在建设上述五类数据资源的基础上，开展数据汇集、数据处理、数据治理与数据服务建设。
▲数字孪生三峡数据底板
模型平台
按照水利部关于数字孪生流域、数字孪生工程、水利业务“四预”等相关技术要求，补充优化完善水文模型、水动力学模型、调度专业模型、地质安全模型、可视化模型、泥沙动力学模型、水环境模型、智能识别模型等。按照建设目标，2023年启动三峡水库概率预报模型、长江中下游行蓄洪工程调度推演模型、三峡水库一维水沙数学模型等共25个模型建设，支撑防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、三峡后续工作管理及综合决策支持五大应用板块。开发构建模型平台，实现模型的注册、调用与管理等功能，逐步完善模型训练、模型展示等功能，构建功能丰富、开放高效的模型平台，为模型共享提供专业、高效的平台，显著提升三峡工程防洪“四预”功能。
知识平台
知识平台为智慧水利提供知识与知识服务，主要是建成管理结构化知识库，支撑知识自优化、自学习的水利知识平台，包括水利知识层、水利知识引擎层和平台功能层。水利知识层包含构建好的调度规则知识库、工程安全知识库、工程运维知识库、业务规则知识库四大类水利知识库。水利知识引擎层包括水利知识图谱自动构建和知识服务两部分，前者包括知识抽取、知识融合、知识推理、知识存储，后者支撑服务于水利业务的多种知识计算。平台功能层包含知识管理、知识展示、知识检索、知识问答、知识抽取模型管理和业务场景管理，其支撑的水利特色应用包含防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全、三峡水库库容管理和三峡水库排污口管理等。
业务应用
统筹考虑三峡工程枢纽自身运行安全和空间范围内的水库库容安全、地质安全、水质安全、防洪安全、供水安全、航运安全、发电安全、生态安全及三峡后续工作管理等业务需求，按照防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、三峡后续工作管理及综合决策支持五大应用板块构建数字孪生三峡业务应用。2023年各业务应用建设基础及建设目标如下。
▲数字孪生三峡业务应用总体建设目标
网络安全体系
网络安全体系包括安全管理、安全防护、安全监督等方面。其中，网络安全管理主要建立由制度、规范和流程构成的网络安全管理制度标准体系，覆盖网络安全组织管理、人员管理、建设管理、运维管理、应急响应和监督检查等各项工作。
保障体系
保障体系主要包括体制机制、标准规范、技术创新、运维体系、人才队伍、宣传与交流等方面的保障，重点是落实责任、加大投入、加强监督、建强队伍。
03、数字孪生三峡建设初步成果及效益
2023年以来，数字孪生三峡各建设单位按照“大时空、大系统、大担当、大安全”的工作要求，以保障三峡工程“十大安全”、效益充分发挥为目标，有序推进数字孪生三峡2023年度建设任务。初步搭建数字孪生三峡流域级数据底板框架，攻克模型平台及知识平台建设等关键技术。在此基础上，充分运用数字孪生三峡工程建设提供的算据、算法、算力，对业务管理开展流程再造，优化完善三峡工程建设和运行管理模式，四项业务应用取得重要进展，在支撑流域管理和工程调度运行管理方面取得了初步效益。
防洪精准调度
在预报调度一体化基础上提升洪水预报精度，构建国产化水动力学模型，建设调度方案对比分析预演功能，初步完成知识图谱驱动的水工程实时调度模型建设，有效支撑调度方案快速计算、智能调度预演分析及调度方案精准决策。
建设历史洪水场景复盘预演功能
对历史典型洪水进行还原分析计算，构建天然历史典型洪水本底资料库，并基于现状工程条件，结合水利工程调度规则，对历史洪水进行复盘预演，提炼典型洪水调度策略，为水利工程实时调度提供参考。
构建预报调度互馈体系
结合预报调度专业模型库，实现流域多尺度、多模型产汇流计算，考虑三峡水库的来水区域和调度影响区域，开展全流域覆盖范围的水文气象预报。实现流域水模拟体系与数字孪生体系的耦合互馈，实现1min完成全流域预报调度体系计算，整体提升流域水模拟的展示效果，优化水模拟体系，提高流域水模拟精度。
开展数字孪生行蓄洪空间建设
围绕堤防、洲滩民垸与蓄滞洪区，初步构建了知识提取、关系组织与图谱存储的技术体系，完成了长江中下游行蓄洪空间防洪调度知识图谱研发，对河湖水文情势变化与防洪目标险情灾情态势演变之间的复杂协变关系进行了解析与结构化存储，基于蓄滞洪区调度响应关系的行蓄洪模拟与水动力学模型的计算结果，误差在10cm以内，实现了长江中下游防洪形势智能分析与研判，可结合实时水情、工情快速分析出险堤防与影响防洪保护区的时空分布。
▲长江中下游防洪形势研判
三峡枢纽工程运行安全管理
创建了三峡大坝工程安全多维度数据采集体系，搭建了三峡坝区重点范围内L3级数据底板，研发了大坝安全监测类分析模型，建立了电子化工作流程，首次实现了基于大坝运行安全预报、预警、预演、预案的智能辅助决策应用，切实提升了三峡工程运行安全管理先进技术应用水平和监管时效性。
引入大坝结构安全行业内最为成熟的机理模型，探索性使用基于数据驱动的人工智能算法模型，多措并举实现大坝安全性态预报；数字化汇总三峡枢纽工程运行管理行业专家经验，结构化总结枢纽工程多年运行性态变化规律，凝练总结形成大坝安全风险信息化指标，实时分析安全潜在风险；构建三峡大坝重点区域L3级数据底板，运用有限元结构计算，精细化预演三峡大坝安全状态；收集了不同特殊工况下的安全应急预案。
三峡水库运行安全管理
水库运行安全管理是数字孪生三峡建设的重要内容，围绕库容安全、水质安全、生态安全分别建设了涉河建设项目监管、库容冲淤动态监控、排污口跟踪以及水生态管理四项业务应用。其中，涉河项目建设管理聚焦水上涉河项目建设合规性问题，库容冲淤动态监测则注重水下库容变化。
三峡库区涉河建设项目监管
建立了三峡库区涉河建设项目监管业务应用，跟踪监测三峡水库管理范围内涉河建设项目许可、建设、监管情况，分析涉河建设项目防洪影响，防止违规侵占三峡水库岸线，实现涉河建设项目综合台账、涉河建设项目防洪影响三维预演和涉河建设项目监管。该业务应用构建了涉河建设项目智能识别模型和水域岸线利用变化检测模型，形成了面向河湖水域岸线监测的遥感智能解译样本集，构建的模型在测试集上的精确率和召回率指标均达到75%以上。
三峡水库库容冲淤动态监控
库容冲淤动态监控业务应用围绕三峡水库库容的科学管理，自主研发了三峡水库一维水动力模型、三峡库区动库容计算模型和三峡水库一维水沙数学模型，开发了泥沙冲淤监测、库容变化监测、泥沙调度预演模拟等功能，可实时提供泥沙冲淤、静库容变化、动库容变化等监测与预测成果，动态掌握三峡水库库容状况，实现库区减淤调度模拟和调度影响评估，为三峡水库库容长期可持续利用及维护库容安全提供技术支撑。
排污口跟踪管理
排污口跟踪管理业务应用聚焦三峡库区重点排污口排污情况智能化识别、排污口超标排放事件对库区水质影响的智慧化模拟以及排污口监管精细化需求，采用红外热成像技术、在线监测技术、遥感影像反演技术和水动力水质模型技术，构建了排污口水质监测、排污口“四预”、视频监控、排污口遥感影像监测、污染总量计算等功能模块，使用AI识别排污口排放情况，实现库区各类排污口排污实时动态监管及未来3天污染物扩散预测分析。
水华预警与防控
水华预警与防控业务应用重点聚焦三峡库区重点支流库湾水华事件智慧化模拟、水华防控精准化决策的需求，融合监测感知、遥感反演、数据驱动、机理模型等技术，新建水华信息管理和水华“四预”（藻情预测、水华预警、场景预演、预案管理）等功能模块。该业务应用可集成库区藻类水华定点监测、视频监控数据、重现期不低于12天的遥感影像数据等多源数据，实现三峡水库全库区—重点区域—关键点位水华信息数据多维展示，同时通过自动调用藻类预测模型，可开展库区藻类时空分布演进过程在线模拟计算，结合水华预警规则和阈值，实现库区未来3天短期的水华事件快速预测预警。
三峡后续工作管理
围绕业务部门综合管理工作，提高项目实施信息时效性和透明性，实现转移支付项目全流程信息化管理及精品工程的三维展示、动态跟踪，建立健全项目库、政策库、案例库，实现滚动项目库和年度实施方案申报审核等过程管理，完成不同年度、不同区域的7000多个项目信息化流程监管。对重点在建项目和已建精品工程进行数据融合，实现长寿区小石门长江水源工程BIM模型和倾斜摄影模型及项目统计信息的可视化展示，支持回看历史节点实景，对比建设进度，开展重点在建项目或已建精品工程的钻取及查询，实现项目概况、投资情况、实施进度、后续工作成效、移民安置等监督信息的统计展示，提高项目智能管控水平，通过数字赋能提升后续工作项目的监督管理和综合决策能力。
04、建议
数字孪生三峡建设及运行是一个循序渐进和不断完善的过程，建议在推进共建共享、强化技术保障、做好运维支持等方面加大力度。
共建共享方面，要严格按照数据共建共享清单推动数据建设，特别是对待定共享来源和需要从外行业共享接入的两类数据加大协调督导力度，在保障数据安全的前提下，各建设单位之间、建设单位内部之间可做到数据共享利用。
技术保障方面，应加强数学模型等的科研攻关和人才队伍建设，增强水利业务人员数字思维、数字认知、数字技能，紧密跟踪信息化前沿技术发展动态，充分运用大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，推进数字技术与水利业务深度融合。
运维保障方面，应加强地方建设与中央建设之间的成果融合共享，按照顶层设计进行集成部署和运行维护，满足不同层级用户在统一平台基础上的应用需求，同时，各参建单位应拓展资金渠道，保障数据更新、模型迭代等的运行维护经费需求。
