打造基于信创环境的数字孪生水利体系

r1r1数字孪生水利体系及其目标任务二数字孪生水利建设的难点及其实践二三四是什么为什么建什么怎么建定位定义形势要求实施路径r3智慧水利——全局性大目标，是大方向和趋势。数字孪生水利——实施措施，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程，构建具有第二层：实施措施，即建成具有“四预”功能的数字孪生水利体系第三层：主要任务，即“三个孪生”和”2+N”业务“四预”数字孪生水利是充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等新型基础设施，实现流域防洪、水资源管理与调配等“2+N”业务应用预报、预警、预演、预案（“四预”）功能的综合体系，提升水利治理管理数字化、网络化、智能化水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。数字孪生流域是以物理流域为流域全要素和水利治理管理活动全瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理调度的新型基础设施。数字孪生水利工程是以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理工程同步仿真运行数字孪生流域是以物理流域为流域全要素和水利治理管理活动全瞻预演，与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理调度的新型基础设施。数字孪生水利工程是以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理工程的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。预警基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值，预警基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值，拓宽预警信息发布渠道，及时把江河洪水、山洪灾害、渍涝灾空间占用、水生态环境危害及相关次生灾害等预警信息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，及时采取应急处置措施，做好防灾避险准备。预案基本内涵是依据预演确定的方案，预案的基本内涵是依据预演确定的方案，制定执行预案，主要包括水利工程运用次序、时机、规则和非工程措施，明确调度机构、权限和责任，以及信息报送流程和方式等，并组织预报预报基本内涵是以流域为单元，遵循客观规律，在总结分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上，根据业务需求，采用基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，对水安全要素发展趋势做出提高预报精度、延长预见期。预演预演基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，及时发现问题，提出防风险措施，迭代优化方案。二、形势要求—党中央国务院的决策部署习近平总书记强调，要推动数字经济和实体经济融合发展，把握数字化、网络化、智能化方向，推动制造业、服务业、农业等产业数字化，利用互联网新技术对传统产业进行全方位、全链条的改造，提高全要素生产率，发挥数字技术对经济发展的放大、叠加、倍增作用。（中共中央政治局第三十四次集中学习）党的二十大报告加快建设网络强国、数字中国《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力新型基础设施建设规划》推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设整体布局规划》构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系六条实施路径：一要完善流域防洪工程体系，六条实施路径：一要完善流域防洪工程体系，二要实施国家水网重大工程，三要复苏河湖生态环境，四要推进智慧水利建设，五要建立健全节水制度政策，六要强化体制机制法治管理。流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性。首先，流域以江河湖泊为纽带的空间单元，顺应自然；其次，我国水管理体制是以流域为单元的，适应体制；再次，水利只能在数字空间进行反复预演，数字赋能。智慧水利是水利高质量发展的显著标志。推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的6条实施路径之一。因此，通过数字孪生技术对物理流域、物理水网、物理工程的实时监控、发现问题、优化调度，最终达到风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施的目的。据法算算力新建据法算算力新建算至“十四五”末期，算建成七大江河数字孪生流域；骨干水网中的数字孪生南水北调中线基本建成，省级数字孪生水网取得突破；大江大河重要控制性枢纽基本建成数字孪生在重点防洪地区实现流域防洪“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，N项业务智能应用水平大幅提升；数据共享和网络安全防护能力明显增强；为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强升级改造P10按照“突出重点、急用先建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：珠江、松花江、辽河、太湖等主要河流、重点区域共计60条河流和20个重点湖泊的数字孪生，长度约5.5万千米、面积约21.2万平方千米。P11按照“规划先行、先导推进”的原则，“十四五”期间：骨干水网：基本建成数字孪生南水北调中线，积极推进数字孪生南水北调东线；省级水网：推进广东、浙江、第一批省级先导区数字孪生水网建设，并取得标志性成果，积极推进第二批以及市、县级数字孪生水网建设。P12按照“重点提升、同步新建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：123个重点水库，98个行蓄滞洪区，140个重点水闸，48个大中型灌区工程，47个其他重点水利工程等。P13实现“2+N”业务应用的“四预”。重点是构建流域防洪、水资源管理与水利工程建设与运行管理、河湖管理、水土保持、农村水利水电、节水管理与服务、南水北调运行与监督、水行政执法、水利监督、水文管理、水利行政、水公共P14顶层设计：从行政、规划、工作、技术等层面出台一系列文件，明确了路线图、时间表、任务书、责任单。技术攻关：通过科技研发计划、水利部重大科技项目开展感知、模型、仿真、安全等技术攻关。先行先试：全面开展先行，在重点和难点领域选择先试，以取得重点突破。其间，技术指导人、业务指导人、责任专家持续指导把关，去年底，部已完成各单位先行先试工作中期评估，并发布中期评估结果。打造样板：在先行先试工作基础上，今年水利部将强化指导，加强调度，树立典型，努力打造样板，努力形成一批可复制、可推广的技术、方案、系统、案例等，为数字孪生水利全面建设打下坚实基础。立项建设：国家重大专项：国家水利大数据中心项目、水工程防灾联合调度系统、国家水利综合监管平台、长江流域全覆盖水监控系统、黄河下游防洪工程安全监控系统；数字孪生流域建设工程建设内容重点包括部分水利云等算力资源、数字孪生平台、水资源管理与调配智能业务应用等；水文基建、财政等其他渠道建设内容重点包括水利感知网和水利业务网。数字孪生水利工程建设主要依托工程自身建设。省区数字孪生水利建设内容重点包括省（市、县）级数字孪生流域建设。数字孪生水利体系及其目标任务二数字孪生水利建设的难点及其实践研发数字孪生平台平台自身安全多重安全防护二筑牢安全可靠环境研发数字孪生平台平台自身安全多重安全防护二筑牢安全可靠环境建设思路构建数字化场景开展智能化模拟支撑精准化决策P16P17一、研发数字孪生平台—建设思路按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，基于信创环境，以全国水利一张图为基础，通过有序汇集融合多源数据构建数字化场景，实现多要素数字映射；以数学模型为核心建设水利通用模型平台，实现物理流域同步仿真模拟。率先赋能流域防洪“预报、预警、预演、预案”，有效支撑了精准化决策，同时广泛服务于水利行业，提升水利治理管理活动的数字化、网络化、智能化水平，驱动和支撑了新阶段水利高质量发展。一、研发数字孪生平台一、研发数字孪生平台—数字化场景数据底板——数据资源数据底板——数据资源围绕“2+N”水利智能业务应用，有序汇集组织物理流域不同类型、不同形态、不同来源数据，覆盖基础、监测、业务管理、跨行业共享、地理空间等数据资源，构建多层级、高保真数字化场景。持续完善基础数据：实现水库、河道及堤防、蓄滞洪区等55类1600多万个水利对象信息联动更新。国产遥感卫星影像资源，接入水利视频资源，提升新型感知能共建共享地理空间数据：建成数据量达PB级的全国L1级地理空间数据底板，汇集大江大河及主要支流和重点水利工程倾斜P18P18生成全国范围数字流域水系，生成全国范围数字流域水系，基本实现基于“流域-干流-支流-断面”链条的水利对象多要素数字化映一、研发数字孪生平台—构建数字化场景数据底板——水利网格数据底板——水利网格P19P20水依四一、研发数字孪生平台—开展智能化模拟水依四基于信创环境，全力推进全国利一张图二三维一体化建设，托全新模拟仿真引擎，聚焦“预”功能，在数字化场景基础上，实现二三维一体化可视仿真模拟，实现看、查、测、算、演等功能，赋能水利业务应用。看测P21便捷调用灵活装配并行计算快速接入一、研发数字孪生平台—开展智能化模拟便捷调用灵活装配并行计算快速接入模型平台——水利专业模型研发产汇流、洪水演进、水库调度、河冰模拟、分布式水文、咸情分析等35个水利专业模型，完成模型微服务化部署，面向“供给、使用、管理”三侧需求，初步构建自主可控的水利通用模型平台，具备模型快速接入、灵活装配编排、并行加速计算、多方式便捷调用等能力，实现流域防洪业务智能化模拟。P22一一、研发数字孪生平台—开展智能化模拟模型平台——智能识别模型构建临河房屋、采砂场、网箱养殖和水体等典型地物遥感AI识别模型，完成全国河湖管理范围内96万余个地物图斑自动解译，支撑河湖“清四乱”智能化常态化规范化。支撑河湖”清四乱“典型地物遥感AI识别模型支撑河湖”清四乱“一、研发数字孪生平台一、研发数字孪生平台—支撑精准化决策率先赋能流域防洪“四预”应用。绷紧“降雨—产流—汇流—演进”链条，强化气象水文预报耦合和预报模型参数在线率定，实现以流域为单元短中长期预报，关键洪水预报精准可靠。2022年6月，珠江流域北江发生超百年一遇特大洪水，提前1天精准预报北江2号洪水飞来峡水库最大入库流量20000m³/s，误差仅0.5%。参数在线率定关键洪水预报精准可靠P23P24一、研发数字孪生平台—支撑精准化决策按照动态调整预警阈值、快速直达一线要求，强化气象卫星和测雨雷达短临暴雨预警、洪水干旱预警等，实现预警信息直达一线和社会公众。年均发送暴雨洪水干旱预警3000多次，覆盖病险水库2.4万座次、责任人5.5万人次。预警信息发布测雨雷达短临暴雨预警预警信息发布一一、研发数字孪生平台—支撑精准化决策绷紧“总量—洪峰—过程—调度”链条，集中攻关水工程联合调度技术难题，构建15个库群“正向”调度模型和5个库群“反向”调度模型，初步实现水工程联合调度在线优化计算推演。在2021年黄河罕见秋汛期间，累计制作126套黄河四库联合调度备选方案，为及时发现问题、优化迭代方案、制定防风险措施提供支撑。水工程联合调度方案推演P25水工程联合调度方案推演P25一一、研发数字孪生平台—支撑精准化决策绷紧“技术—料物—队伍—组织”链条，推进水工程调度规则库建设，累计收录大江大河洪水调度预案21个。2021年黄河罕见秋汛期间，在四库联合调度预演方案优选基础上，制定执行预案，实施四库联合调度，为确保重要河段不漫滩、控导工程不跑坝、河势不改变提供了指挥决策依据。制定执行预案P26洪水调度预案库制定执行预案P26P27二、筑牢安全可靠环境—平台自身安全二、筑牢安全可靠环境—平台自身安全创建全国产化地理信息应用体系，实现国产GIS平台与信创软硬件适配，成功开展全国性大规模业务化运行。全面服务器平台VSP28VSP28护性能密码服务。懂”“改不了”“走不脱”点面结合密码保护二、筑牢安全可靠环境—多重安全防护依托水利部密码基础设施提供的统一密码服务，采用“点”“面”结合的双层防护策略对重要数据进行防护，数据入库时，采用透明数据加密技术进行“面”防护，降低攻击者“拔盘”窃取数据风险。同时，为降低合法用户窃取数据的风险，采用应用内加密的方式进行“点”防护，对重要、敏感数据进行字段加密，实现行业关键数据“双保险”。P29二、筑牢安全可靠环境—多重安全防护业务深度融合算法模型业务深度融合算法模型基于网络安全大数据平台、网络安全威胁感知决策指挥系统，研发威胁检测算法、异常检测算法，以及针对具体业务访问流量、访