黄河在数字空间映射何种样貌？

腊月初七，时至隆冬，郑州黄河马渡下延控导坝头上欢声雷动，气温零下的严寒中跃动着一股振奋人心的暖流——

“李部长回信了！”河南河务局数字孪生黄河第一创新团队研发人员收到一封特别回信，水利部党组书记、部长李国英为该团队对水下根石走失传感器技术的持续攻关点赞，字里行间的关心关切让他们激动不已。

水下根石走失传感器，被一线治黄职工亲切地称作“仿真石头”，是黄河人持续攻关黄河险工及控导工程出险提前预警预判这一世界性难题的成果，也是数字孪生黄河澎湃浪潮中的一朵亮眼浪花。这股浪潮中，一条虚拟的孪生黄河即将在数字世界里奔腾畅流，古老巨川也将借助现代科技焕发崭新的青春活力。

2022年，正值《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》实施首年，一年来水利部黄河水利委员会（以下简称“黄委”）怎样做好顶层设计架构建设方案？现实中的黄河在数字空间映射何种样貌？让我们去一探究竟！

潮起

乘数字时代大势 搭顶层设计架构

党的十八大以来，习近平总书记对加快建设科技强国，实现高水平科技自立自强作出了一系列重大决策部署，强调科技创新是核心，抓住了科技创新就抓住了牵动我国发展全局的牛鼻子，并提出了提升流域设施数字化、网络化、智能化水平的明确要求。

推进智慧水利建设，建设数字孪生流域，是水利部落实中央决策部署的具体行动，是推动新阶段水利高质量发展“六条实施路径”之一，也是全面提升水安全保障能力的迫切需要。根据水利部党组部署，黄委按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设。按照“大系统设计、分系统建设、模块化链接”思路，建设涵盖黄河保护治理业务的智能协同应用体系。

“数字孪生黄河”指的是现实中的黄河全要素在数字空间的映射，通过流域多要素实时感知，数字化场景交互反馈等，将现实世界黄河中发生的各种现象在数字孪生黄河中同步迭代。

在水利部统一部署下，黄委举全委之力推动数字孪生黄河建设。2021年11月，率先成立由主要负责人担任组长的黄委数字孪生黄河建设领导小组和领导小组办公室，全面凝聚合力，高位推动数字孪生黄河建设。明确统筹协调部门，从委属有关单位抽调技术骨干组建工作专班，先行推进数字孪生黄河建设规划编制。2022年，经过多轮现状分析摸排、反复调研需求、广泛征求意见、院士专家咨询等，编制完成《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》和《数字孪生黄河建设规划实施方案》，成为七大流域管理机构中首个发布的数字孪生流域建设规划。《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》系统总结了“十三五”以来“三条黄河”建设取得的成效，在水利部数字孪生流域整体框架下，研究提出了数字孪生黄河建设框架、规划目标、建设任务、重点工程及组织实施、保障体系等，为“十四五”时期数字孪生黄河建设提供了重要依据，并展望了2030年和2035年远景目标。

2022年，水利部选取黄委编写的《数字孪生黄河建设先行先试实施方案》作为全国典型方案进行审核，方案获得与会领导专家高度肯定。《“十四五”数字孪生黄河建设方案》通过审查。此外，黄委还制定印发了数字孪生黄河建设项目管理办法，数字孪生黄河建设的顶层设计和制度标准体系初步建立起来。

潮涌

启先行先试东风 创“双优”建设典型

李国英部长的回信，不仅振奋着一线数字孪生黄河创新团队的科创之心，更是对一年多来全委数字孪生建设工作的鼓励和肯定、期望和鞭策。

黄委党组书记、主任祖雷鸣第一时间召开会议，对落实李部长相关工作要求、推动数字孪生黄河建设进行再部署，要求进行工作复盘，加强统筹组织，进一步把准应用需求，检视应用效果，查找不足，总结收获，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的数字孪生黄河，为新阶段黄河流域水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

收到回信的同一天，还有来自水利部的另一个好消息——水利部印发数字孪生流域建设先行先试中期评估意见，黄委数字孪生流域建设先行先试中期评估获得“优秀”等级，同时，应用案例“数字孪生黄河建设关键技术研究与应用”“黄河工情险情全天候监测感知预警系统”两项案例被评为“优秀案例”。

作为水利部数字孪生流域建设先行先试工作的重点单位，黄委拥有坚实的数字化实践基础。早在2001年，黄委就提出建设“三条黄河”，即“原型黄河”“模型黄河”和“数字黄河”，其中“数字黄河”的建设目标是借助现代化手段，对黄河流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。因此可以说，“数字孪生黄河”正是对“数字黄河”的延续和发展。

今天，新一轮数字化技术浪潮奔涌而来，这条“装在计算机里的黄河”也再次迭代升级。

“就好比一对‘双胞胎’，数字孪生黄河是现实黄河的虚拟对照体。”黄委数字办负责人形象比喻，“虚拟黄河这个‘孪生兄弟’能够提前预判现实黄河的一举一动，为‘预报、预警、预演、预案’提供智力决策支持，目前已在黄河洪水防御和水资源管理与节约保护方面得到了有效应用。”

黄河主汛期，数字孪生黄河建设的重要成果之一——黄河防汛会商预演系统成为防汛会商决策的重要支撑手段。通过该系统，雨量预报、洪水预报预警、水库调度及工程险情等会商内容得以清晰呈现和预演。“天气预报、水雨情预报、水库调度方案预演、工程险情预警……与防汛密切相关的各类信息与功能，包括流域产汇流模型等预报调度模型计算与洪水风险图成果，一体化集成耦合在预演系统中，实现预报、预警及预案选择功能，以及预报与调度的动态交互。‘正向’可通过预演发现问题，‘逆向’可通过推演优化方案，成为该系统的关键核心和最大特点。”黄委信息中心工作人员介绍，“我们致力于全面构建黄河保护治理主要业务的应用数字化场景，围绕治黄主责主业，聚焦‘四预’，建设流域防汛、水资源等业务应用系统，为流域治理管理‘四统一’工作提供支撑。”

在黄委防汛调度中心，防御局一名年轻技术人员熟练地移动着鼠标：点击预演系统中左侧“雨情”栏下的“雨量预报”， 7日内的降雨预测情况跃然屏幕之上；点击“水情”栏下的“水情告警”，“一张图”上即闪烁提示超警戒水位站点等信息；点击“水情”栏“洪水预报”中的某重要站点，该站点当前及未来15日内的预报水位、流量曲线随即生动展现在眼前……“实线表示当前情况，虚线表示未来预测情况……”技术人员指着系统显示的曲线图解释道。

在黄委水调局，初步建成的黄河水资源管理与节约保护应用系统1.0版本也已投入使用。“就好像有了一个黄河水资源的‘数字大管家’，在水资源信息服务系统的数字化场景里，全流域1万个取水口在‘黄河一张图’上尽收眼底。”该局工作人员点开应用系统告诉记者，“系统强化‘四预’功能对黄河水资源管理的支撑作用，并开发了黄河干流实时调度及典型灌区需水预测等专业模型，为更高效利用水资源、节约保护水资源提供了帮助。”

既能防住每场突发的洪水，也要管好河道里的每一滴水——这就是数字孪生黄河赋能洪水防御及水资源管理与节约保护的“数字魔法”。这些数字化的管理系统能够施展威力，其中一项基础支撑，就来自于大河干支流上的水文测站提供的精准的水情监测信息。

2022年11月5日，央视科教频道专题报道了黄河水利委员会山东水文水资源局数字孪生水利建设情况。跟随镜头画面能够看到，多旋翼无人机搭载三维激光扫描仪腾空而起，对河道两岸进行扫描；无人水文测船搭载多波束测深仪乘风破浪，对水下要素进行收集。黄委水文局技术人员介绍，“数字孪生黄河水文感知网正在加紧建设，我们把河流、山川、桥梁、房屋等三维坐标等精确扫描，构建起对应的虚拟模型，最终呈现在防汛决策人员面前，为智慧水利建设提供有力支持。”

潮新

破关键技术难关 展黄河特色亮点

“云河地球”、“智河视界”三维仿真引擎、“黄河模拟器”、“仿真石头”、“三个全覆盖”信息感知网……一年多来，越来越多科技感满满的新名词进入了治黄职工的视野，数字孪生黄河建设多项关键技术不断取得突破性进展，不少适用于黄河特有水利场景下的创新亮点也应运而生。   

“我们围绕数字孪生黄河建设的总体思路和实施路径，全面开展数字孪生流域与数字孪生工程相关基础研究、应用技术及产品研发和科技攻关工作，着力黄河各类业务数学模型和流域人工智能决策算法研发，开展前沿技术与数字孪生黄河的深度融合，研发‘智河视界’‘智河防汛’‘智河物联’‘黄河模拟器’等特色产品，实现了关键技术自主。”黄科院技术人员介绍。

“黄河设计院始终将技术创新作为发展的原动力，充分融合设计院技术长链条优势，组建重点产品研发团队，自主研发了云河数字孪生平台以及小禹智慧防汛、淤地坝安全管理、工程安全监测、堤坝渗漏监测、堤坝坍塌图像识别、基于BIM+GIS工程全生命周期管理等30余项智能采集、智慧工程、智慧水利系列‘拳头’产品，信息化核心竞争力逐步增强。”

“支持多源数据的高效融合、可视化与交互漫游；支持全时空一体化管理，从流域大场景到设备零部件小场景、从历史回溯到未来预演；支持多种水利专业模型的高效便捷加载、模拟推演和实时渲染，为智慧化模拟、精准化决策提供通用可视化平台。”“云河地球”“智河视界”等，这些数字孪生三维仿真引擎系列标志性成果，都是2022年黄委在数字孪生黄河建设中取得的关键性技术突破。数字办专班技术人员介绍，“引擎核心技术自主研发，安全可控，目前已取得国家发明专利4项，已推广应用于黄河下游防汛、水调、小浪底等数字孪生建设中。”

此外，黄河特色的人工智能算法应用，也正在赋能下游保护治理的具体实践。

在郑州黄河马渡下延，河南河务局数字孪生黄河第一创新团队研发的以“仿真石头”为载体的坝岸险情预警系统，经过上百次试验改良、迭代升级，现已在91处靠河易出险工程上得到有效应用。“所谓仿真石头，就是系统里的传感部分，里面嵌入了芯片和电池，当根石或坝坡发生位移变化或坍塌时监测系统就会发出报警。”团队成员王琴自豪地说，“该系统实现了对河道工程险情的24小时全天候实时监测预警，目前已获得5项专利，应用以来，在险情的及时预警、处置等方面发挥重要作用，实现了对险情的在线监测，做到了对险情的抢早抢小，确保工程安全。”

第一创新团队取得的创新成果，是河南河务局实施数字孪生黄河建设的一个缩影，他们注重基层，聚焦一线，切实用数字化手段解决基层一线的痛点、难点问题。该局成立以3个技术攻关小组为主的“河南河务局数字孪生黄河创新团队”，依托河南智慧黄河研究院，与华为、浪潮等国内知名企业和河南大学、黄科院等科研院所深入合作，持续推动“产学研用”创新力量的深度融合。711千米的河南黄河两岸，“智慧巡河”新模式不断为水利数字赋能注入新动力，在防御大洪水实战演练、调水调沙、防汛抢险中成功进行了该项目的预警预报，取得了良好的效果。

在山东垦利河务局护林管理段的黄河岸边，技术人员孙长江手举无人机，冲着记者竖起了大拇指：“现在有了无人机帮忙，我们真正实现了巡查区域的全覆盖。正值凌汛期，管理段每周开展2次无人机巡查，巡查完成后将视频资料进行整理，填写无人机巡查记录表，发现问题利用截图、录像等方式及时上报冰凌观测系统，利用自主研发的冰凌密度智能算法初步实现冰凌自动观测、智能识别和动态预警。”

视频监控全覆盖，河道巡查有了“千里眼”；无人机巡视全覆盖，河道保护有了“空中鹰眼”；远程会商全覆盖，基层工作有了“传令官”……山东河务局积极推进智慧山东黄河建设，在全委率先建成视频监控、无人机、远程会商“三个全覆盖”，构建起“天空地河”一体化信息感知网。目前，山东河务局已建成视频监控点2627处，覆盖山东黄河堤防、险工、控导工程、跨河桥梁等重点工程部位，统一接入视讯管理平台；配备无人机219架，覆盖8个市局、30个县局及121个基层段所，满足“云黄河（山东）”各系统平台接入需求；建成远程会商系统176套，为121个基层段所配备视频会议终端设备，实现5级视频会商，推动视频会议和远程会商常态化应用。一系列新技术的研发和运用，为补齐数据采集短板、构建数字孪生黄河数据底板提供了坚实基础。

每一次洪峰涌来、每一斗黄沙波动，每一个防洪工程、每一座水利枢纽、每一片丰饶灌区……未来，随着数字孪生黄河加快建设，大河上下每一缕宏大或微小的脉动，都将映射在数字孪生黄河的新世界之中，赋能推动新阶段黄河水利高质量发展的先进引领力和强劲驱动力。