基于數字孿生技術建設智慧淮河

吳奇鋒 高云澤

（埃睿迪信息技術（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，發源于河南省桐柏山區，由西向東，流經河南、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——《淮河生態經濟帶發展規劃》獲國務院批復，上升為國家戰略。規劃明確要求共建信息網絡設施體系，打造信息共享服務平臺，構建現代化信息網絡。

2 智慧淮河的意義

習近平總書記在2014年提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水思路，奠定了新時期水利工作的總體思路。2020年8月，習近平總書記在視察淮河時指出：要尊重自然，順應自然規律，與自然和諧相處。習近平總書記指出了現代化在流域治理與防災減災方面的重要性，而數字化、智慧化是現代化的重要體現。

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的總體要求、總體框架、主要任務、組織實施等重要內容。

3 方案設計

3.1 總體思路

智慧淮河建設應當在淮河數字化工作的基礎上，進一步運用物聯網、云計算、數字孿生、人工智能等新一代 IT 技術，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，建設淮河流域物聯網感知終端、流域基礎網絡設施、淮河云平臺、淮河數字孿生系統以及智慧流域綜合決策系統等，實現智能感知與互動、視覺展示與遠控，達到淮河流域管理智慧化狀態。同時，通過數字孿生淮河智慧流域平臺能夠將數據界面友好地展示給決策者、操作者和公眾。

3.2 智慧淮河建設現狀

目前，淮河流域數字化工作已經具備了一定的基礎。2001年，淮委就提出數字淮河是新世紀淮河流域水管理的一項長期戰略目標任務，要開展開放型和開創性的數字淮河工作。 2006年，淮委已建成氣象信息系統、水情信息采集和處理系統及防汛通信系統，并規劃建設水情、工情、災情信息采集系統、防汛決策支持系統等信息化系統。2011年，進一步提出要從全面、系統、流域整體的角度出發，綜合考慮各種問題之間的有機聯系，構建多源數據融合體系、數據管理服務平臺、水利專業模型系統、流域管理決策支持系統組成的淮河流域管理數字化系統框架，實現對流域的信息化管理。

3.3 數字孿生淮河智慧流域平臺

數字孿生是以云計算、GIS、BIM、VRAR 等技術為核心，結合大數據、人工智能、5G 等技術構建的技術理念。數字孿生作為智慧流域建設的一種新途徑，綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、診斷、預測、決策，進而實現物理空間與數字空間的交互映射。簡言之，數字孿生就是在虛擬世界中創造一個現實物的數字克隆體，該數字克隆體能夠反映物理世界的信息，包括自然環境和設施設備等，同時，通過數字克隆體也能對現實世界的設備運行進行控制。通過融合流域機理模型和地形地貌、水體、河道、植被、建筑、設備、產業經濟活動等多元空間融合大數據信息，對不同時空狀態下多專業數據實時接入與探索性時空關聯分析，可以對水體、雨洪、地質、植被、污染和自然災害的影響進行模擬和預警。

數字孿生淮河智慧流域平臺，分為“數據—存儲—服務—應用”四個層次。

（1）數據：數據是整個平臺的基礎，通過不同觀測技術獲取流域水域系統數據、沿岸陸地系統數據、傳感器監測數據和實景模型數據。

1）水域系統數據，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、管網等。

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

3）傳感器監測數據，包括水文氣象、供排水系統流量、壓力、水質監測數據。

4）實景模型數據，綜合利用天地空一體化觀測數據，構建淮河流域內高精度、可測量的實景三維模型，實現流域環境要素全方位感知、為流域管理提供技術支撐。

（2）存儲：將時空大數據按照空間信息進行分布式儲存，構建空間信息數據庫（儲存基礎地理信息數據、專題數據、三維模型數據）和非空間數據庫（儲存各類傳感器數據）。

（3）服務：構建模型—知識庫服務于流域水資源調控；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據，實現不同場景下環境容量計算、水資源調度模式、防洪防災等。

（4）應用：在云平臺微服務框架下，以淮河流經的河南、安徽、江蘇三省，建立多中心、多部門為節點，構建數據統一管理、大數據可視化、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、水環境、水生態、水經濟過程智慧化管理。

4 應用展望

數字孿生淮河智慧流域平臺通過數據—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，實現多模態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，使多方能以更加全面、動態、直觀的方式對流域環境進行認知、設計、規劃和管理，將流域“山水林田湖草沙”作為生命共同體，將尊重自然，順應自然規律，與自然和諧相處的思想與“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水思路融入到系統應用場景中，從而實現流域治理體系和治理能力現代化。

4.1 流域水資源協調應用

對水資源開發、利用、調配、輸送、消耗環節實施風險調度和精細化管理。結合淮河流域氣候與人口經濟數據，數字孿生系統預測未來水資源情勢變化，實現社會水循環與天然水循環的合理匹配。優化管網改造，降低漏損率，監控工業用水和農業灌溉用水情況。

4.2 流域水安全監管應用

用于科學預測和及時應對災情，利用區域模型預測降雨量，模擬雨洪淹沒過程，制定防洪及調度方案。同時數字孿生系統整合雨洪資源利用功能，緩解城市水資源困境。實時監測地下水位和土壤墑情，實現對干旱發生的前兆、過程、危害程度進行定量監測和預報預警。

4.3 流域水環境治理應用

數字孿生系統對流域內工業、農業和生活污染源情況進行全面監控，識別污染主體、模擬污染物遷移動態，建立報警機制。通過評估、預警、系統治理，實現水環境承載能力與社會經濟發展之間的動態平衡。

4.4 流域水生態保護應用

用于不同時空尺度的流域生態系統健康評價、分析和預警。分類展示和評價流域水質、水生/陸生植物、濕地保護、土壤侵蝕程度、景觀格局特征、生物多樣性指數等信息。數字孿生系統根據自然環境與人類活動影響，模擬長時間流域生態系統演替變化，規劃不同類型的生態功能單元，劃定流域保護紅線。

4.5 流域水經濟管理應用

基于對水資源、水安全、水環境、水生態過程的模擬計算，評估、監管、指導流域內的社會經濟活動。通過向數字孿生系統輸入工程建設相關參數，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

流域是一個集社會—經濟—自然高度綜合的巨系統，系統內部機理復雜，并一直處于動態變化中；淮河流域的管理要求，從最初的防洪防災到環境治理，已上升到了尋求社會經濟—資源開發—生態環境之間的同步發展，對管理者提出更高的要求。

數字孿生淮河智慧流域平臺將物理世界淮河流域復制到數字世界，管理者可以全面直觀地了解淮河流域“山水林田湖草沙”系統和人類經濟活動情況，并隨時調用“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；更全面準確地協助管理者實現流域社會經濟—資源開發—生態環境的同步發展，推動生態環保效益變成造福民眾的經濟效益，實現“綠水青山就是金山銀山”，助力淮河流域生態環境和社會經濟協同永續發展■