数字孪生给河流造一个虚拟双胞胎

本文转自：四川日报

对物理流域进行数字化映射、同步仿真运行——

数字孪生：给河流造一个虚拟“双胞胎”

　　通过数字化处理，搭建郪江流域数字底板。通过无人机采集的郪江流域三维实景。（本文图片均由遂宁水文中心提供）

□四川日报全媒体记者邵明亮 　　坐在调度室，四川省遂宁水文中心主任唐训海轻点鼠标，十多公里外的郪江象山水文站内，一架无人机缓缓起飞，几分钟就完成了对河流的测流工作。采集回来的流量、流速、水深等水文数据，也实时动态显示在屏幕上。 　　“这是我们建的一个虚拟的郪江流域。”唐训海指着屏幕上显示的“郪江防汛‘四预’数字孪生系统”介绍，数字孪生流域建设可以“身临其境”地掌握流域水文的现状、异常和趋势，就像人到了现场一样，还能看到在现场看不到的数据。 　　当下，数字孪生流域作为一种新兴事物，方兴未艾。在四川，水利部门也正积极进行数字孪生流域建设的实践与探索，以求通过这项新科技提升流域治理管理的数字化、网络化、智能化水平。他山之石 　　江苏将数字孪生作为构建智慧水利体系、实现“四预”目标的关键路径，正积极推进数字孪生总体布局。该省有四个项目被纳入水利部数字孪生流域建设先行先试工作—— 　　数字孪生秦淮河，对流域进行全要素数字化映射，实现洪涝、水污染和水利工程的风险隐患预警，满足不同场景下多目标调度决策需求。 　　数字孪生江苏太湖地区典型水网工程，重点基于数字孪生智能中枢，打造水利数字大厅、数字孪生、“四预”调度、辅助会商等核心业务功能，为精准调度提供有力支撑和强力驱动。 　　数字孪生沂沭泗水系（江苏部分），以淮河流域沂沭泗水系下游新沂河为示范，建设流域自然地理、骆马湖、新沂河、海口闸一线的数字孪生体，实现物理流域与数字流域之间的动态、实时信息交互和深度融合。 　　数字孪生水网（南通城区），按照“1+2+N”总体框架，即1个城市孪生水网平台、2+N个智能业务应用，实现“数字一张网、管理一张图、调度一指令、安全一平台”。 　　——资料据水利部 　　要了解数字孪生流域，还要从数字孪生这项技术说起。 　　数字孪生的定义比较复杂，通俗来说，是数字与现实组成的一对双胞胎，在虚拟环境中构建复现现实的场景，来模拟生活生产中的运营逻辑。 　　孪生技术在过去也有一些类似场景，比如军事沙盘。沙盘上呈现出敌我双方的力量态势、交战地点的山川河流，军事家根据沙盘来布局行军打仗路线，通过在沙盘上排兵布阵来推演胜负关系。 　　“数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的‘克隆体’。”唐训海表示，数字孪生目前最广泛的应用是在工业制造和智慧城市领域。 　　以汽车设计为例，前期的设计制造如果完全靠现场生产来完成，不仅效率低而且成本高昂，而基于数字孪生的工艺仿真为处理上述问题提供了解决方案。通过把汽车设计的各个环节进行数字化呈现，模拟演示汽车生产、运行中的各种状况，发现问题后，就可以在系统上调整参数进行优化。 　　把数字孪生技术应用到流域治理与管理中，就是今天我们所要说的数字孪生流域——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的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。 　　“以前，流域综合管理信息化系统大部分都是二维平面系统，或者只有地形起伏的简单三维数据展示系统，因此流域的管理、规划等工作和野外真实环境是脱节的。”中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员段洪涛举例，在二维地图界面上可以看到某个地方有条河流，河流中间有个水质监测站，可以看到这个监测站监测的数据如氨氮磷浓度等，但是河流周边的真实环境，如有没有排污口、岸边的土地利用类型、植被覆盖等信息都是看不到的，而这些信息对于流域管理又非常重要。怎样建设数字孪生流域？核心任务是加强算据算法算力的建设 　　记者采访时发现，在“郪江防汛‘四预’数字孪生系统”内演示流域全貌以及调阅相关数据的过程中，有时会出现画面、数据延迟呈现的问题。 　　“这是算力的问题，也就是说我们目前的计算设备处理海量数据的能力还有待提升。”唐训海表示，为了支撑郪江等河流的数字孪生流域建设，近期遂宁水文中心将采购一批CPU、GPU设备，以此提升系统的算力。 　　所谓算力，是指数据处理能力，主要指的是硬件，如增加CPU、GPU设备，就可大幅提升算力。除了算力，数字孪生流域跟其他人工智能一样，还需要庞大的算据与先进的算法。 　　“算据是基础，算法是核心，算力是保障。”唐训海表示，以郪江数字孪生流域建设为例，建设的第一步就是尽可能地获取详细且全面的算据，即建设数据底板。 　　然而，数据底板所需数据的涵盖范围太广了——不仅包括既有的历史水文气象、地形地貌等数据，还包括前期没有统计过的如流域建筑物分布、植被情况等。 　　“这是一个庞大的数据库，理论上任何关于流域的信息都可以以数据的形式录入系统或实时采集，数据越详细就越能真实映射出物理流域的状态。”唐训海说。 　　流域尺度要素多，数据底板的建设因此十分复杂。据了解，传统的三维建模手段主要适用于外形规则的物体，比如建筑物、道路等，但不适用于流域要素，如植被、沟渠、桥梁、闸坝等。 　　郪江是涪江的一条支流，长度多公里。为采集郪江（遂宁段）的流域实景图像，遂宁水文中心的数十名工作人员要花费数月、利用无人机等设备，才能基本完成流域内建筑物、植被等图像数据的拍摄工作。此外，建设过程中还要综合运用地理信息系统、摄影测量与遥感、水文水资源等技术，利用三维地形建模、无人机建模、人工建模等多种方法，搭建起数据底板。 　　数据底板建成后，想要真实模拟出物理流域现状及动态，除了依靠强大的算力，科学的算法更是重中之重。“有了完整的数据，加上强大的算力支撑，如果算法设计不科学，数字孪生流域的数字化映射、同步仿真运行也无法准确。这项工作很具挑战性，难度大，人力、资金投入也很大！”唐训海说。 　　四川大学水利水电学院水文系主任黎晓东表示，数字孪生流域建设要以数字化、网络化、智能化为主线，以算据、算法、算力建设为支撑，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径，在后续运行过程中，算据、算法、算力还需要不断迭代优化。数字孪生流域有何作用？实现预报预警预演预案“四预”功能 　　遂宁市位于涪江中游，地貌特征为丘陵低山区，多暴雨洪水过程。尤其是年，当地遭遇了自年以来量级最大、来势最猛、持续时间最长、波及范围最广的涪江“8·18”特大洪水。当年，遂宁市也创造了零伤亡和最少损失的纪录。 　　“这背后，数据孪生流域技术的应用功不可没。”唐训海介绍，当年遂宁水文中心绘制出全省首张“洪水淹没范围图”，直观、精确地预测出洪水在城区的淹没范围，为提前转移受威胁群众提供了科学参考。 　　绘制“洪水淹没范围图”，如何体现数字孪生流域技术？唐训海表示，首先是获取流域的降雨预报数据，还要综合流域集雨面积、地形地貌、下垫面植被、土壤含水率以及水工程、历史水文等信息，将上述海量数据带入水动力模型、水文模型、泥沙模型等多种计算模型进行数据处理，预判出洪水的流量发展趋势，进而计算出淹没区域。 　　据了解，“洪水淹没范围图”是遂宁水文中心针对该市防汛工作特点专门绘制的洪水预警信息图，通过整合河道管理范围内3D数据，实现了涪江、琼江两条河流的淹没范围数字化，将洪水预见期延长了10—20个小时。 　　四川省水文中心水文建设处相关负责人表示，数字孪生流域在水文方面的应用，简单来说，就是实现了预报、预警、预演、预案“四预”能力。通过对数据底板的处理来预报水文发展趋势，进而可以发出预警。根据预报预警结果，可以“正向”预演出风险形势和影响，以在未萌之时、成灾之前发现问题、提出对策。 　　与此同时，也可以根据调度目标，“逆向”推演出流域水旱灾害发生情况，制定和优化调度方案，实现预报与调度的动态耦合模拟，进一步提高预案的科学性、实用性和可操作性，为科学高效有序应对江河水旱灾害等事件提供强大科技支撑。 　　“绘制洪水淹没范围图，正是‘四预’中预演的体现。在数字孪生流域技术提升水旱灾害‘四预’能力方面，遂宁水文中心走在了全省前列。”上述负责人表示。 　　据了解，除了遂宁水文中心已经在郪江、琼江开展的实践探索，目前我省也正在青衣江、锦江等河流开展数字孪生流域建设。省水利厅相关负责人表示，当前我国数字孪生流域已开启大规模建设，为智慧水利注入了新动能，凭借国家大力布局数字孪生流域建设的东风，我省流域治理的数字化、智能化水平也将不断提升。

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