关于数字孪生水利发展的几点思考

水利部信息中心原主任、中国地理信息产业协会副会长

蔡阳

　　首先，我衷心感谢此次交流机会。在参观展区后，我不禁回想起与两位前任部长的对话。鄂新平部长曾指出，我们的水利信息化感知能力尚显不足，许多工作仍依赖于传统的人工方法，这对我产生了不小的触动。

　　继任的李部长则建议我先考察两个重点工程——三峡工程和南水北调工程。在考察后，他提出了自己的看法，认为这些工程在技术层面还有待提升。他特别提到了三峡工程中水平位监测已实施，但垂直位监测尚未开展的问题。至于南水北调工程，他关注了400流量的预演情况以及黄河下游的监测状况，指出两者均未达到预期。今天，我参观后感到这些问题都已得到妥善解决。因此，我建议各位在时间允许的情况下，不妨亲自前往展区一探究竟，相信您会发现这些问题都已得到圆满解决。今天，我在此主要分享关于数字孪生水利发展的几点思考，内容涵盖建设进展和发展展望两个方面。

　　一、数字孪生水利建设进展

　　水利部将推进数字孪生水利建设作为推动水利高质量发展、保障国家水安全的实施路径。自2021年提出建设数字孪生流域以来，经过了顶层设计、技术攻关、先行先试一系列的专项行动，目前数字孪生水利的框架体系已基本完成构建，数字孪生水利技术取得突破；数字孪生水利赋能决策支持成效显著；这个是李部长去年在丹江口会议上说的，目前已进入全面推进阶段。

　　第一，层设计方面。应该说2021年6月以来，我们从四个角度行政、规划、实施、技术出台了一系列的文件，明确了推进数字孪生水利建设的路线图、时间表、任务书、责任单。

　　第二，先行先试方面。首先是2022年开始的数字孪生流域建设的先行先试，56家单位所有的单位都开展了先行，围绕着重点难点开展先试，2024年评选了28个典型的案例，4个样板，建设的成果在流域防洪、水资源管理与调配一系列的工作中发挥了重要的作用。

　　二是数字孪生水网主要是以水网先导区建设为抓手，同步推进数字孪生水网建设。目前数字孪生骨干水网的建设框架基本形成，14个省级17个市级10个县级水网先导区数字孪生水网的建设在有序推进。

　　三是数字孪生灌区主要启动了49个大中型灌区开展数字孪生的先行先试，主要是打造典型灌区，成效也非常好，前年也召开了数字孪生灌区的先导会。

　　四是测雨雷达建设与应用先行先试，这个是三道防线里面我们过去做得不多的，所以开展先行先试力度很大，也超出了我的想象。我们的展区说到二月份，到现在已经有87部测雨雷达，而且今年力度会更大。

　　第三，关键行动。首先，推进数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知能力提升专项行动，该行动正稳步进行。其次，加速水利工程建设的数字孪生化，特别是新建的大型和重点水利工程，将普遍实施数字孪生技术。目标是到2028年，所有水利工程均实现数字孪生建设。

　　三是行动关注已建工程，重点是水库、水闸和蓄滞洪区。计划到2027年，推进所有承担防洪任务的已建大型及重点中型水库、大型水闸、国家蓄滞洪区的数字孪生建设。到2030年，基本完成这些具有防洪任务的工程的数字孪生建设。

　　四是构建三道防线，目标是到2030年，基本建成覆盖暴雨洪水集中来源区、山洪灾害易发区以及水利工程防洪影响区的雨水情监测预报“三道防线”。到2035年，实现雨水情监测预报“三道防线”的耦合贯通。

　　五是智能大坝点建设。计划用三年时间，在全国范围内开展智能大坝试点，包括建设期和运行期的试点。这与推进数字孪生工程密切相关，具有极高的价值和帮助。

　　六是卓越水利工程师（数字孪生水利方向）培养工程。第一期已进入最后阶段，第二期计划于5月份启动。该培养工程采用了三段衔接、工学交融的方式。首先，学员将在高校进行为期三个月的知识更新，随后前往数字孪生建设先进的单位进行实践锻炼，最终返回本单位进行技术攻关。目前来看，成效显著。

　　第四，全面推进。一是全面推进数字孪生流域建设，主要是靠国家投资，在这方面主要是要推动国家数字孪生水利工程一期立项建设。当然水利部也在积极推进国家地下水监测工程二期的建设，也是促进数字孪生水域建设包括水下数字孪生的建设。

　　二是对于数字孪生水网建设我们以水网先导区建设作为抓手，目前数字孪生国家骨干水网建设持续推进，各地结合水网先导区在抓紧落实，下一步应该以数字孪生水网平台建设为抓手，来推进数字孪生水网建设，构建国家水网分级系统调度指挥体系。

　　三是数字孪生水利工程常态化推进，

　　四是数字孪生标准编制，水利部这两年推进标准的力度非常大，三年有30多部由中心组织的标准制定和出台。

　　二、谈谈一些发展的思考

　　这个是数字孪生水利总体的架构图，可以看到现在的数字孪生更容易被大家认可，因为人工智能也是算力、算据、算法，所以我们2021年部里面就提出了加快推进三算建设，实现“四预”功能。我认为还是要夯实算据的基础、突破算力的关键、做实算力的支撑，强化“四预”应用。

　　第一，夯实算据的基础。？监测感知建设是算据主要来源，也是突出短板。围绕业务需求，积极采用现代信息技术，按照“需求导向、应用牵引？，标准先行、集约发展？，立体感知、全域覆盖，技术创新、装备升级”的原则，构建“天空地水工”监测感知体系，并形成在时空、范围、精度和频次等方面协同融合及互补协同的一体化技术体系，实现对象监测感知一体化、业务监测感知一体化、共建共享一体化、数据融合一体化。？形成“？需求定方向→标准筑基底→技术强支撑→安全保底线？”的闭环体系，推动监测感知能力从“碎片化”向“系统化”跃升，夯实数字孪生水利基础。

　　李国英部长明确指出：“天空地水工”一体化监测感知体系是数字孪生水利的重中之重，应摆在其建设第一位，要想尽一切办法建成建好、发挥作用。

　　围绕算据基础主要从“天空地水工”谈谈一些考虑。

　　一是天：一是构建水利卫星应用星座。整合水利专业卫星+现有遥感卫星资源，构建水利遥感卫星应用星座，填补水位、流速、土壤水、降水、地下水、工程安全等水利要素遥感监测空白，同时提升东西向河流监测能力；因为现在的卫星主要还是南北端的，对河流的监测不利的，现在我们用倾斜轨道卫星监测强化东西向河流感知。

　　充分利用北斗卫星功能。北斗卫星大家用得最多的短报文系统，受天气等不可控因素影响较小，同时，具有精准授时、精确定位、高精度导航等功能，这些我们已经在水利系统的工程里面对于形变监测、位移监测已经进行了试点，而且我想下一步应该有很大的市场。利用低轨卫星互联网提升测站报汛能力。因为它可以提供大带宽、低时延、高质量的卫星互联网服务，这就是美国用的星链，我们国家是星网，现在可以适用全覆盖。这对偏远地区和应急中断情况下的信息报送会提供很有效的通信手段。

　　二是空，一是推进测雨雷达建设与应用。利用气象卫星和测雨雷达强化预报预警，首先是预警的作用，因为它可以外推1到3小时甚至是5、6小时，同时通过与区域降雨预报模型联合运用，实现“云中雨”监测预报。加强无人机应用。无人机技术日新月异，可用于水利日常河湖监测、地理空间数据测绘、应急突发事件监测，这几年我们在应急突发事件遥感的应用特别好，同时整合行业无人机资源，完善水利部无人机监测共享服务平台，支撑日常应用和应对突发事件处置能力。一个是利用卫星，另外一个利用无人机，卫星毕竟有时效的原因，无人机可以随时进行监测感知。

　　三是地，我认为应该强化产用一体化监测感知的解决方案，融合视频、雷达、激光等技术实现水位、雨量、视频监控等一体的采集。在前端完成视频识别、数据处理，实时回传非法闯入、堤防管涌等关键结果，这也是我们下一步的方向。强化水利物联网应用。水利物联网的应用在水利应用还不是很普及，应该推广应用，针对山区水库、分散河道、灌区等大范围监测不同场景，采用ZigBee节点组成Mesh网络、LoRa网关、NB-IoT传感器直连运营商基站等方式构建传输网络。它可以采用休眠唤醒机制、能量收集、数据压缩与聚合传输等技术，实现低功耗、长寿命、高可靠的前端监测传输分析网络。同时配备太阳能电池板、蓄电池、物联网关等，实现自供电和冗余通信，这一点已经好几个省这样做，效果很好。

　　四是水，还是要持续提高水文要素的自动化水平。利用雷达波在线测流系统、ADCP、激光多普勒测速（LDV）等非接触式测流技术，提高水文要素的自动在线监测水平，这方面我们有了很明确的提升，特别是南科院的展区基本上很全。强化水下监测感知应用。采用无人机倾斜摄影、激光雷达测量对河道出水部分岸线航拍测量，采用多波束、单波束和无人船结合的方式，对河道水下地形进行测绘。水下机器人搭载高清摄像头和先进的传感器，并配备可调节灯光亮度的照明灯，进行水下拍摄与测量，生成清晰、逼真的水下地形图。同时利用通信铁塔搭建高空视联网。

　　五是工程，最重要还是在一开始建的时候要布设安全建设站点，那个是主要的基础的工作，利用卫星遥感、北斗、激光雷达、无人机、视频等现代化新型监测技术，完善安全监测感知系统、加强自诊断和外监测技术应用、建设应急通信信道等，实现大坝的“天空地水工”一体化感知体系。通过布设无人机巢并搭载高清、雷达、热红外摄像头，开发边缘计算模块等设备增强空间监控能力，可识别危及库容及水质安全的行为，支撑实时监测、告警、派单、核查闭环处置。

　　第二，算法是关键。算法在高效支撑数字孪生业务上存在明显不足。包括模型复用难度大；缺乏统一的模型开发和映射标准规范；我们的知识平台尚处于起步阶段。

　　一是构建通用模型库。针对缺少大型国产通用水利专业模型的状况，构建适用于各级水利管理部门相关业务的通用模型库，这一点部里面在牵头开展这方面的工作。模型平台建设可解决同一模型在不同管理单位重复开发和同一业务需求时模型重复开发的问题，构建需求侧，供给侧，管理侧协同，做到部本级和流域管理机构1+7共建共用共享。我建议下一步应该继续推广。

　　二是研发专业模型库。除建设通用模型外，还要建设流域特色模型。

　　三是建设机理数据知识融合的水利专业模型。在这方面，李部长一直强调应该在机理模型上发力，但是对于我们业务部门要想做这一块还是有一些难度，我认为目前我们要强化机理、数据、知识的融合，这也是一条出路。在水利专业模型建设中，以水利业务知识库和物理规律为基础，结合深度学习、强化学习等人工智能技术，构建兼具物理可解释性与数据适应性的混合建模框架？。

　　四是研究行业大模型助力构建知识平台。突破算法关键推动实现对自然现象精准复演、模拟和预测。

　　围绕这些方面时间关系我主要讲讲关于行业大模型的问题，一是要研发水利行业大模型的框架， 以通用大模型为基座，通过微调融入水利行业知识、业务经验、领域逻辑等构建水利行业大模型。同时采用微调、蒸馏、量化等技术，将行业大模型转变为领域小模型，使其具备行业大模型的基本能力，应用灵活程度更高，既具有大模型的基本能力，同时灵活的程度更高，这样形成通用大模型—行业大模型—领域小模型—智能应用场景的四级水利大模型体系，形成基座模型可替换、行业模型与领域模型自由定制的技术路线。

　　二是构建水利领域的知识库。在水利领域知识库构建方面，应用大模型辅助的知识挖掘技术，构建多业务融合知识图谱，从多时空多尺度对水利对象和要素进行数字化描述，完成基于大模型的水利领域知识库构建。

　　在大模型构建与应用方面，以知识图谱为引导对大模型进行优化训练，构建推理链路增强推理准确性，使大模型在语义理解基础上实现水利业务流程推理能力。并对模型推理能力进行全面评估、持续优化升级，确保模型高效服务水利业务。

　　三是大模型与专业模型的联动应用。我认为水利行业如果不拥抱大模型肯定不对的，如果我们想靠大模型来解决水利方面大多数问题和主要的问题，这也是不现实的。因为真正大模型应用得好都是在网上可以随时找到方案和资料的行业，但是水利行业属于业务逻辑性极强的计算密集型行业，我们应利用大模型擅长语言推理、多任务处理能力等技术特点驱动水利业务逻辑分解和水利专业模型调用编排，赋能水利政务和业务决策场景，同时发挥小模型物理机理精准性、实时响应能力、场景适配性特点，同时强化大模型与小模型融合，打造数字孪生水利建设新动能新引擎新优势。

　　比如说通过多轮对话、水利业务思维链等智能解析用户意图、完成任务分解，自动构建降雨模拟、水文水力学等数学模型的正向计算链条。利用智能体技术将水利专业模型和外部交互工具封装成大模型的工具函数，开展不同降雨条件下产汇流及洪水演进的专业模型计算，我们这些方面的技术让小模型来计算，并将计算结果以上下文的形式传递回大模型，使大模型了解水利专业模型的计算结果，重新组织语言回答用户的问题。这样就可以避免一些幻觉的问题，避免一本正经胡说八道的问题。

　　第三，做实算力支撑。算力是支撑。随着我们开展数字孪生水利和大模型的应用，我们的算力已经成为瓶颈，特别是区域降水预报模式和预演的需要，计算需求猛增。

　　一是扩充计算资源。通过建设专有云、高性能计算集群、智算中心等，重点满足相控阵雷达、区域气候模式预报、分布式水文模型、网格化水力学模型等超大规模方程迭代解算，这方面我们也遇到了一些难度，智算中心的建设总体希望利用国家的，这方面怎么找到比较合适的方面应该去研究和琢磨。

　　二是升级通信网络。实现水利系统网络无盲区无死角互联，满足各类信息及时高效传输，同时保障监测站网在极端恶劣环境下的安全可靠传输，尤其是针对断电、断网、断路的情况要强化，比如说特大洪水的时候7月31日上午10点多钟所有的信息全部没有了，因为水源站被冲了，这对我们来说进行决策是非常被动的，在这方面我们一定要强化韧性建设，部署应急通信系统、利用低轨卫星的措施确保在恶劣条件下测得到、报得出、报得准。

　　三是全国产化适配。这既是国家的要求，同时也是我们自身发展的需要。

　　第四，强化“四预”应用。“四预”应用方面预报上要实现两个转变：一是实现由落地雨预报向空中雨预报的转变，有效延长预见期；二是实现由要素预报向影响预报的转变，不仅要预报出要素的大小与量级，还要能预报出影响对象与程度。这样人家才可以为预警提供资源。

　　对于预警来说，由传统的阈值预警向风险预警转变，预演是关键，在实现正算功能的同时，强化反算功能，并开展“正算--反算--正算”。后面的正算是突发应急情况的时候要做正算，预案主要是强化落实，强化可操作。

　　一是延长预见期，就是要强化水利区域预报模式的建设，这方面区域预报模式可以实现三天逐小时、空间分辨率3km ×3km短期，未来10天逐3小时9km×9km中期和未来20天逐6小时9km×9km延伸期降水预报，这三个时间段同时强化水文气象耦合。

　　二是提高预报精度，研发适用于不同水文气候分区和下垫面条件的洪水预报调度模型。同时可以基于同化模拟的模型精度提升，这也是一种有效的途径，主要通过对模型参数、结构和状态3个方面的同化模拟提升模型模拟精度，这方面包括参数的同化、机构的同化、状态的同化。

　　三是建设现代化雨水情监测预报三道防线。李部长认为既要延长预见期又要提高预报精度这个是比较有效的办法，就是构建三道防线。

　　第一道防线，主要是实现“云中雨”监测预报并延伸产汇流及洪水演进预报。主要解决多少降雨问题，主要是支撑超前部署，在海河洪水的时候真正降雨是28号，23号我们就研判海河将会有强降雨，这就是靠超前部署第一道防线。

　　第二道防线主要是解决“落地雨”监测并开展洪水形成演进预报。主要解决产生多少洪水的问题，主要是支撑洪水防御实时指挥；

　　第三道防线主要是解决洪中水的预报，主要解决洪水河道演进的问题，是支撑洪水防御关键决策。

　　对于预警来说，预警主要是要动态制定预警的信息直达一线，比如说我们要动态确定山洪临界雨量，因为第一场降雨和第二场降雨土壤的保护度不一样，这个时候不能用一个词去衡量去预警，我们要动态决定，同时要科学制定江河洪水枯水、分类分区分作物制定干旱阈值，同时预警的信息直达水利防御部门，直达病险水库三个责任人，直达社会公众，由传统的阈值预警向风险预警转变。

　　预演，正向的预演大家都比较熟，这些年我们反向的预演取得了长足的进步。自下而上的顺序，先给定下游防洪控制节点的控制条件，再综合考虑水库的空间位置、空闲库容、入库洪水过程及后续降雨4个因素，自动生成上游工程群的安全运行边界条件。这里面目标是河道安全泄量用足、水库防洪库容留足，同时我们调度的工程主要包括水库、堤防、蓄滞洪区，主要的约束通过水量平衡、下泄 能力、最高水位、水位变幅等。

　　数字孪生水利建设带来了很好的发展机遇，同时也面临严峻的挑战，这个发展机遇数字孪生水利是我们水利高质量发展的显著标志，迎来了非常发展机遇，我们定位非常高远，水利高质量发展，水利新质生产力的显著标志是六条路径之一。

　　现在水利部应该说在政治上倾斜发展数字孪生水利，顶层设计全生命周期的谋划，从规划阶段、设计阶段、建设阶段、运行阶段都对数字孪生提出了明确的要求，全生命周期的谋划。行业的标准制定现在陆陆续续地出台，技术攻关也是作为一个重点，人才培养这几年也是着力在做。

　　我们的前景也很广阔，加大了这方面的投入，水利这几年的投入还是非常好，连续三年超过1万亿，去年1.32万亿，这里面有多少数字孪生水利的份额。举个例子，其中有一个厂家跟我讲他的一些考虑，他说2000年的时候当时在做的量是现在2024年的两倍，但是当时所占的比例份额是现在的两倍，现在他占的份额少了，但是绝对值是高了，可以看出来我们数字孪生水利的市场投入还是比较大的。

　　同时我们的氛围，现在每一次展览，水博会最明显，周部长就跟我说现在的水博会60%以上是数字孪生，氛围非常好，我们也面临严峻的挑战。这个挑战是首先是门槛高，技术要求是高的，不像过去随便哪一个厂家都可以进来，这上面还是有一定的门槛，另外我们的竞争还是激烈的，现在五大运营商都进入到水利，中电建、中交建、中铁建、中能建都进入到水利，对于我们来说也是好事，但是我们的竞争更加激烈。

　　希望大家抓住机遇，迎接挑战，共同打造市场、培育市场，不要搞价格战，发挥各自的优势，共同推动数字孪生水利健康发展。不对的地方请大家批评指正，谢谢大家！

　　（以上内容根据嘉宾发言速记整理）