河流的虛擬“雙胞胎”

劉潔 黃本勝

什么是數字孿生流域

2022年6月，水利部部長李國英在《學習時報》上刊文指出，建設數字孿生流域是提升國家水安全保障能力的重要支撐。2023年2月，中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》中提出，構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系。近年來，數字孿生流域被反復提及，那什么是數字孿生流域呢？

通俗來說，數字孿生（Digital Twin）就是在虛擬環境中構建現實場景，將虛擬與現實組成一對雙胞胎。例如，軍事家在沙盤上呈現出戰場的地形地勢與敵我雙方的力量情況，并布局行軍打仗路線，就是早期的數字孿生?，F如今，隨著科技發展，通過數字技術給現實克隆一個“雙胞胎”，構建與現實世界一致的虛擬模型，并用于模擬各種情景。通過數字孿生模擬不同情景，可以減少試錯成本，幫助管理人員更好地做出決策。例如，工廠在生產產品的過程中，通過對各個環節進行數字化呈現，模擬演示生產、運行中可能會發生的各種狀況，并得到對應的解決方案，減少現場實驗的成本。

數字孿生在各行各業得到了廣泛的應用，而數字孿生流域就是數字孿生技術在水利行業的應用成果。數字孿生流域是以現實中的實體流域為單元，基于遙感、定位等感知技術，物聯網、5G等信息傳輸技術，云計算、邊緣計算、GIS、BIM等數據計算存儲技術，數字化映射、可視化、智能識別、精細化/智能預報等模型相關技術，知識圖譜、機器學習、人工智能等知識相關技術，把實體流域中的各種水利要素進行數字化，然后在虛擬世界里構造一個與之完全對應的“雙胞胎”，形成實體流域和數字流域之間的虛實交互、同步運行。數字孿生流域不僅在流域面積、地形地貌、河流走向等方面與真實流域一致，而且能詳盡地體現水利部門水利治理管理活動的全過程。

數字孿生流域如何科學防御洪水

數字孿生流域是以物理流域為單元、時空數據為底座、水利模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，實現對物理流域的實時監控、發現問題、優化調度的新型基礎設施。

精準超前預報

數字孿生流域通過建立以流域為單元的多維多時空全要素預報體系，基于多種氣象模式的預報產品，驅動水文模型或水動力模型，對即將發生的洪水進行精準的超前預報。根據不同部門的需求，預報洪水未來短期、中期、長期的情況，以便水利部門與應急部門提前做好準備，更好地做出防洪決策。

快速直達預警

數字孿生流域通過建立多種類、多渠道的預警體系，將預警信息快速發布給受影響區域的社會公眾。例如，當發生山洪災害時，數字孿生流域可以基于傳感器、衛星等技術，實時監測水文信息，如雨量、河流水位和流速等，并向附近居民提前發出山洪預警。這有助于政府和居民提前做好準備，減少洪水對生命和財產的威脅。

前瞻科學預演

在數字孿生流域中，構建全過程、多情景模擬仿真防災預演體系，通過對可能發生的各種情景進行模擬，預演在不同情景下應該如何調度水利工程等。例如，使用數字孿生流域模擬不同降雨條件下的洪水情景，提前制定應對計劃，包括管理水庫的泄洪、維護堤防等，幫助水利部門提前了解可能存在的風險和問題，以便采取措施來減少潛在的損失。

細化實化預案

預案是水利部門為了應對洪水災害提前備好的“急救包”。數字孿生流域根據預演的結果進行分析和評估，不斷調整應對措施，如調整水工程的運行方式、應急計劃、人員安全措施等。通過不斷優化應對問題的方案，以便在真正發生洪水時能夠更好地做出決策和行動。

數字孿生流域作為科學防御洪水的“利器”，為我們提供了更科學、高效的工具來預測和管理洪水，在洪水監測、預報與預警、災后救助等方面都有著廣泛的應用。充分發揮數字孿生流域的潛力，可以幫助我們積極應對氣候變化下的洪水挑戰，減輕洪水帶來的危害，確保人民群眾不受洪水威脅。

基金項目：廣東省重點領域研發計劃“5G+智慧水利”，項目編號：2020B0101130018

作者單位|廣東省水利水電科學研究院