航拍黃河小浪底水利樞紐。資料圖片

數(shù)字孿生南水北調(diào)中線系統(tǒng)操作界面。受訪者供圖

都江堰灌區(qū)指揮中心工作人員運(yùn)用數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行2024年水旱災(zāi)害防御演練。受訪者供圖

　　通過(guò)最新信息技術(shù)，將江河湖泊、水利工程實(shí)時(shí)映射到數(shù)字世界，為水利工作提供“智慧大腦”，這一先進(jìn)的技術(shù)手段被稱為“數(shù)字孿生水利”。水利部最近發(fā)布的消息顯示，作為發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志，我國(guó)數(shù)字孿生水利建設(shè)已取得階段性成效，由積極探索、先行先試進(jìn)入全面深化推進(jìn)和強(qiáng)化應(yīng)用的新階段。截至目前，我國(guó)建成了數(shù)百處數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程等新型基礎(chǔ)設(shè)施�；�本形成了“天空地水工”一體化監(jiān)測(cè)感知體系，55類1600萬(wàn)個(gè)水利對(duì)象的全國(guó)水利數(shù)據(jù)底板基本建成，為加快發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力、推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展提供了支撐。

　　實(shí)現(xiàn)全線水質(zhì)12項(xiàng)指標(biāo)未來(lái)七天的預(yù)報(bào)預(yù)警

　　數(shù)字化平臺(tái)護(hù)航南水平安北上

　　南水北調(diào)中線一期工程起自漢江中上游丹江口水庫(kù)，一路北上，抵達(dá)北京，全長(zhǎng)1432公里，橫跨長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河四大流域，與沿線1200余座橋梁、700余條河流縱橫交錯(cuò)，關(guān)系著上億人的用水安全。這樣重大的水利基礎(chǔ)設(shè)施如何進(jìn)行高效管理，確保輸水的每一環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問(wèn)題？答案便是離不開(kāi)“數(shù)字孿生科技的賦能”。

　　中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司信息機(jī)電中心數(shù)字化處處長(zhǎng)鄔俊杰告訴記者，數(shù)字孿生南水北調(diào)中線是一個(gè)支持?jǐn)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新、人機(jī)交互的數(shù)字模型，是用數(shù)字化技術(shù)再造的中線工程“孿生兄弟”。在這里，工作人員可以清楚了解到中線工程在工程安全、供水安全、水質(zhì)安全方面的動(dòng)態(tài)。

　　就拿對(duì)輸水工程至關(guān)重要的水質(zhì)安全來(lái)說(shuō)，隨著中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司的工作人員打開(kāi)系統(tǒng)，點(diǎn)開(kāi)“水質(zhì)監(jiān)測(cè)”一欄，一張綠色的地圖隨之映入眼簾，全線13座水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、30個(gè)固定監(jiān)測(cè)斷面以及丹江口庫(kù)區(qū)共享的7個(gè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站等各種水質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)清晰在兩側(cè)呈現(xiàn)。據(jù)水質(zhì)專員介紹，數(shù)字孿生平臺(tái)基于專業(yè)的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，可以實(shí)現(xiàn)全線水質(zhì)12項(xiàng)指標(biāo)未來(lái)七天的預(yù)報(bào)預(yù)警。針對(duì)典型渠段，還可驅(qū)動(dòng)污染物輸移擴(kuò)散模型進(jìn)行水污染擴(kuò)散的復(fù)現(xiàn)和預(yù)演。“我們只要在平臺(tái)輸入污染物相關(guān)信息，調(diào)用污染物輸移擴(kuò)散模型，就能模擬污染物擴(kuò)散的過(guò)程，同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)給出處置建議，為我們推薦相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，有效提升應(yīng)急處置的速度和精準(zhǔn)性。”

　　構(gòu)建南水北調(diào)中線智能調(diào)度業(yè)務(wù)場(chǎng)景是數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設(shè)的重要任務(wù)之一。“我們現(xiàn)在通過(guò)這個(gè)平臺(tái)可以便捷地對(duì)渠道輸水能力進(jìn)行評(píng)估，只需要輸入預(yù)設(shè)的輸水工況和計(jì)算區(qū)間，平臺(tái)就會(huì)調(diào)用恒定流模型計(jì)算區(qū)間內(nèi)各斷面的流量和水位，還能根據(jù)不同情況下對(duì)水位的要求動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度方案，這項(xiàng)功能對(duì)日常調(diào)水工作效率提升作用很大。”南水北調(diào)中線總調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)處處長(zhǎng)靳燕國(guó)表示，“過(guò)去，調(diào)度決策往往依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)可以模擬不同情景下的調(diào)度效果，預(yù)演各種復(fù)雜工況，幫助我們選擇最佳調(diào)度方案。例如，利用一維恒定流仿真預(yù)演功能可以實(shí)現(xiàn)月輸水調(diào)度方案的輔助編制，利用一維非恒定流仿真預(yù)演功能可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急事件的方案生成。這為工程運(yùn)行安全、供水能力提升以及工作人員工作效率的提升提供了切實(shí)保障。”

　　靳燕國(guó)說(shuō)，在今年6月南水北調(diào)中線全面助力地方抗旱期間，中線公司通過(guò)數(shù)字孿生南水北調(diào)中線仿真預(yù)演系統(tǒng)輔助制定了應(yīng)急供水調(diào)度方案，生成調(diào)度遠(yuǎn)程指令共計(jì)814門次，充分利用了穿黃工程以南渠段現(xiàn)有槽蓄水量。通過(guò)緊急快速聯(lián)合調(diào)度，原本需要7天才能完成的應(yīng)急水量推進(jìn)任務(wù)只用了不到2天就完成了。

　　“隨著數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，讓我們對(duì)工程實(shí)時(shí)水情、工情有了更準(zhǔn)確的把握，減少了工程意外事故的發(fā)生幾率�；�于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策過(guò)程讓我們?cè)诿鎸?duì)復(fù)雜情況時(shí)更加有信心。”靳燕國(guó)表示，目前，投入應(yīng)用的數(shù)字孿生中線還只是1.0版本，正在同步推進(jìn)數(shù)字孿生南水北調(diào)中線2.0版建設(shè)，力爭(zhēng)在今年年底完成并具備試運(yùn)行條件。

　　實(shí)現(xiàn)對(duì)各河段來(lái)水量的分鐘級(jí)預(yù)判

　　都江堰灌區(qū)有了自己的“智慧大腦”

　　四川省都江堰市，奔流的岷江之上，世界著名的水利工程都江堰守護(hù)著成都平原的安寧。千年之前，古人用智慧創(chuàng)造出這一偉大工程；而千年后的今天，現(xiàn)代建設(shè)者用大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)在數(shù)字世界里創(chuàng)造出一個(gè)數(shù)字孿生都江堰，為都江堰灌區(qū)的安瀾貢獻(xiàn)科技力量。

　　在都江堰灌區(qū)指揮中心，LED大屏上顯示著幾個(gè)醒目的大字：“都江堰渠首數(shù)字孿生”。工作人員只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，數(shù)字孿生平臺(tái)便會(huì)逐一呈現(xiàn)出綜合概覽、運(yùn)行監(jiān)控、工程調(diào)度三個(gè)模塊的內(nèi)容。通過(guò)這一系統(tǒng)，工作人員不僅可以清楚看到岷江和都江堰各個(gè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，以及各類水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算分析，還可以對(duì)汛期的泄洪等操作進(jìn)行提前模擬演練，制定調(diào)度方案。今年夏天，都江堰渠首遭遇十年來(lái)最大一次過(guò)境洪峰，正是數(shù)字孿生平臺(tái)的模擬推演幫助都江堰工程成功抵御了這次洪峰。

　　都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員表示，有了數(shù)字孿生平臺(tái)，工作起來(lái)會(huì)更加有底。數(shù)字孿生平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各河段來(lái)水量的分鐘級(jí)預(yù)判，在問(wèn)題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，輸入水庫(kù)的預(yù)估下泄流量，平臺(tái)系統(tǒng)會(huì)給出各條河流在各個(gè)時(shí)間段的流量數(shù)值，還能根據(jù)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案和指揮中心的調(diào)水計(jì)劃，自動(dòng)生成調(diào)度方案�？梢哉f(shuō)，都江堰渠首數(shù)字孿生就是都江堰灌區(qū)的“智慧大腦”。

　　之所以有如此強(qiáng)大的功能，源于技術(shù)的多方賦能。都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，融合都江堰渠首樞紐23處水閘BIM模型、水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，充足的數(shù)據(jù)為都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)的智慧運(yùn)算和分析等提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　能夠做到對(duì)灌區(qū)的一切情況了如指掌，將灌區(qū)“搬到”數(shù)字世界，得益于都江堰渠首數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)量眾多的前方“眼線”與“觸角”。“數(shù)字孿生的都江堰渠首有著強(qiáng)大的視頻監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，還有一個(gè)灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以說(shuō)是耳聽(tīng)八方、眼觀六路。”據(jù)都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員介紹，視頻監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)對(duì)全灌區(qū)1411臺(tái)監(jiān)控?cái)z像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行整合，并按照管理單位、渠系、行政區(qū)劃來(lái)對(duì)這些畫(huà)面進(jìn)行分組。點(diǎn)開(kāi)其中一個(gè)畫(huà)面，還可以進(jìn)行回放、畫(huà)面輪巡等操作，無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)，就能了解灌區(qū)的詳細(xì)情況。此外，灌區(qū)還安裝了水位監(jiān)測(cè)設(shè)備、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)備等共計(jì)一千多臺(tái)，這些設(shè)備每天都會(huì)傳輸幾十萬(wàn)條數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，有了這些數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程閘門控制等多維度管理。

　　不過(guò)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)防汛等重大事件的演練預(yù)防，讓數(shù)字孿生都江堰渠首真正具有“智慧”，還要靠人工智能大模型的支持。“我們的系統(tǒng)包括許多智能模型，這些模型是我們能夠在電腦上再現(xiàn)或模擬調(diào)度實(shí)際場(chǎng)景，做到更精準(zhǔn)決策的重要依托。”都江堰灌區(qū)指揮中心的工作人員表示，“我們的模型平臺(tái)包括了水利專業(yè)模型、可視化仿真模型、智能模型、模型管理系統(tǒng)及仿真引擎。比如說(shuō)，可視化仿真模型，它里面包含了一些水工建筑物模型、機(jī)電設(shè)備模型還有渠首的自然背景、天氣等等，我們就可以用這個(gè)來(lái)給我們的模擬演練提供一個(gè)很接近真實(shí)的場(chǎng)景。所有這些模型要素加進(jìn)去，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)渲染等，就會(huì)打造出一個(gè)數(shù)字化的孿生都江堰渠首。”

　　記者了解到，目前，國(guó)內(nèi)像都江堰渠首數(shù)字孿生這樣的數(shù)字孿生灌區(qū)已在不少地區(qū)建設(shè)成功。“十四五”期間，我國(guó)對(duì)2500多處大中型灌區(qū)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)和改造，選擇了49個(gè)灌區(qū)推進(jìn)數(shù)字孿生灌區(qū)先行先試。通過(guò)數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，推動(dòng)灌溉智慧化水平明顯提升。

　　系統(tǒng)計(jì)算生成當(dāng)前最優(yōu)樞紐調(diào)度方案

　　黃河防汛更加科學(xué)智能

　　數(shù)字孿生流域是數(shù)字孿生水利建設(shè)的一個(gè)重要方面。近年來(lái)，我國(guó)加快構(gòu)建長(zhǎng)江、黃河、淮河等江河數(shù)字孿生平臺(tái)，為流域內(nèi)的防洪調(diào)度管理提供了重要支撐。以我國(guó)第二大長(zhǎng)河——黃河來(lái)說(shuō)，從收集河流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)到構(gòu)建全方位的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，強(qiáng)大的數(shù)字孿生技術(shù)一步步將黃河“搬進(jìn)”了計(jì)算機(jī)。

　　在虛擬的數(shù)字世界里，數(shù)字孿生黃河與現(xiàn)實(shí)中的黃河同步運(yùn)行，各項(xiàng)指數(shù)實(shí)時(shí)更新。這些數(shù)據(jù)來(lái)自于前端密集而高效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)：飛航一體測(cè)繪無(wú)人船實(shí)現(xiàn)常態(tài)化安全巡檢，還能進(jìn)入水下進(jìn)行地形測(cè)量；自計(jì)水尺實(shí)時(shí)測(cè)量黃河水位，智能設(shè)備守護(hù)壩體安全，衛(wèi)星遙感技術(shù)在防汛和流域內(nèi)河湖管理中廣泛應(yīng)用；現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)囊括了145處水文站、93處水位站、900處雨量站、17處水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)……而在黃河水利委員會(huì)黃河水量總調(diào)度中心大廳，巨幅電子屏幕上，沿黃�。▍^(qū)）及黃河干流重要水庫(kù)、水文站的實(shí)時(shí)信息以及干流沿線涵、閘的取用水情況等均清晰呈現(xiàn)，黃河中下游防汛會(huì)商預(yù)演系統(tǒng)可以預(yù)演雨量預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警、水庫(kù)調(diào)度及工程險(xiǎn)情等內(nèi)容，為黃河的保護(hù)治理賦能。

　　小浪底水利樞紐工程地處黃河干流，有著減淤、防洪、防凌、供水灌溉等多項(xiàng)功能，控制著黃河91.2%的徑流量和將近100%的黃河輸沙量，是治理開(kāi)發(fā)黃河的關(guān)鍵性工程。過(guò)去，黃河的水沙調(diào)控是一個(gè)難點(diǎn)，如今，小浪底水利樞紐管理中心打造出數(shù)字孿生小浪底平臺(tái)。依托數(shù)字孿生小浪底平臺(tái)，科學(xué)制定防汛調(diào)度和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用方案，實(shí)現(xiàn)了下泄水量的精準(zhǔn)調(diào)控。

　　今年7月，小浪底水利樞紐啟動(dòng)本年度首次排沙，這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮了重要作用。排沙前，工作人員在數(shù)字系統(tǒng)中對(duì)未來(lái)3天的水庫(kù)水位、出入庫(kù)流量變化情況以及水庫(kù)出沙時(shí)間、含沙量變化過(guò)程進(jìn)行了推演，并利用系統(tǒng)計(jì)算生成了當(dāng)前最優(yōu)的樞紐調(diào)度方案。按照系統(tǒng)的方案，在洪峰到來(lái)之前，小浪底的泄洪排沙孔洞就已經(jīng)進(jìn)入備用狀態(tài)。數(shù)千個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)“上報(bào)”河流的水位、含沙量等數(shù)值變化，直至7月20日8時(shí)，含沙量終于達(dá)到預(yù)定值，工作人員立即下達(dá)指令，3條排沙孔洞順勢(shì)打開(kāi)，順利實(shí)現(xiàn)首次排沙。

　　打開(kāi)數(shù)字孿生小浪底操作界面，一個(gè)三維立體、細(xì)節(jié)清晰的虛擬小浪底映入眼簾。得益于數(shù)字孿生技術(shù)，工作人員能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)實(shí)條件下無(wú)法呈現(xiàn)的場(chǎng)景，并獲得相關(guān)分析數(shù)據(jù)和應(yīng)對(duì)方案，來(lái)更好應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情。據(jù)了解，數(shù)字孿生小浪底目前已經(jīng)初步建成防汛調(diào)度和工程安全“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”應(yīng)用，數(shù)字孿生讓黃河防汛更科學(xué)、更智能。