什么是工程的數字孿生？

        簡(jiǎn)而言之就是工程的數字“克隆體”

        也是智慧水利建設的核心

        近日，黃河勘測規劃設計研究院有限公司，

        中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司

        黃河水利委員會(huì )黃河水利科學(xué)研究院聯(lián)合體

        以8320萬(wàn)元中標數字孿生小浪底水利樞紐項目

        這是水利部數字孿生頭號試點(diǎn)工程

        也是國內投資額最大的水利工程數字孿生

        數字孿生也被稱(chēng)為數字映射、數字鏡像，是智慧科學(xué)領(lǐng)域最熱門(mén)、最前沿的概念，其顯著(zhù)特征是對實(shí)體對象的動(dòng)態(tài)仿真。

        水利工程數字孿生，是以實(shí)體水利工程為單元、時(shí)空數據為基礎、數學(xué)模型為核心、水利知識為驅動(dòng)，在數字空間對水利工程全要素、全過(guò)程的數字化映射、智能化模擬，虛擬再現真實(shí)水利工程，支持與物理水利工程同步仿真運行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化的信息系統，包括信息基礎設施和數字孿生平臺。

        ▲數字孿生案例

        小浪底水利樞紐工程是黃河干流上的一座集減淤、防洪、供水灌溉、發(fā)電等為一體的大型綜合性水利工程，是治理黃河的關(guān)鍵性工程。通過(guò)數字孿生技術(shù)，可實(shí)現對工程管理精細化、趨勢預測精準化、決策科學(xué)化，將有力保障小浪底水利樞紐安全穩定運行，保障其綜合效益的發(fā)揮，提升小浪底管理中心綜合管理能力，完善黃河抵御自然災害的強大防線(xiàn)，對服務(wù)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展國家戰略具有重大意義。

        水利部《"十四五"期間推進(jìn)智慧水利建設實(shí)施方案》提出要以構建數字孿生流域為核心，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅動(dòng)。通過(guò)構建數字孿生水利工程，可以實(shí)現防洪興利智能預報調度、工程安全智能分析預警、生產(chǎn)運營(yíng)智慧綜合管理、庫區智慧巡查監管、三維展示與會(huì )商決策等業(yè)務(wù)數字化轉型和智能化升級。

        根據招標文件，本項目具體建設內容：

        (1) 完成小浪底、西霞院工程(含西溝水庫等附屬工程，下同)及庫區流域范圍的空間數 據集構建，形成多維多尺度數據底板，通過(guò)與現有信息系統融合工程全要素感知數據、業(yè)務(wù) 管理數據和其他相關(guān)數據，搭建小浪底水利樞紐數字孿生場(chǎng)景。其中庫區流域達到L1級， 庫區管理范圍、滑坡體、取水建筑物等達到L2級，工程建筑物及地質(zhì)構造達到L3級，大壩、 泄洪孔洞、閘門(mén)、機組等重要設施設備達到L3 級。

        (2) 完成數字孿生模擬仿真引擎建設，實(shí)現數字孿生小浪底空間數據管理、空間分析、三維模擬仿真展示等。

        (3) 完成小浪底、西霞院水庫的來(lái)水預報模型、水庫泥沙水動(dòng)力學(xué)模型、蓄水淹沒(méi)模型、 庫區洪水演進(jìn)模型、潰壩分析模型、工程安全分析預警模型及其他與預報、預警、預演、預 案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)四預)相關(guān)的計算模型研發(fā)。完成基于視頻AI識別、大數據分析等人工智能 算法模型構建，對大型漂浮物、閘門(mén)運行狀態(tài)、流道破損、核心區域人員進(jìn)出、庫區違章行 為等進(jìn)行智能識別預警。

        (4) 完成水利知識平臺建設，構建水利知識引撃，實(shí)現預案庫、經(jīng)驗庫、文檔庫，實(shí)現各 類(lèi)預案、文檔及歷史經(jīng)驗數據的有效管理及應用。實(shí)現基于空間地理信息，系統管理、調用 工程各類(lèi)重要圖紙、文檔、影音數據。

        (5) 完成小浪底、西霞院工程及庫區投入運行以來(lái)(小浪底工程為1999年以來(lái)、西霞院工 程為2007年以來(lái))各類(lèi)感知數據、業(yè)務(wù)管理數據和其他相關(guān)數據治理、數據匯集工作。全 面梳理各類(lèi)數據，構建數據標準，結合應用需求，形成標準統一、結構合理、分類(lèi)科學(xué)的髙 質(zhì)量專(zhuān)題數據庫。

        (6) 基于數字孿生小浪底平臺，完成防汛調度、泥沙治理、大壩安全、閘孔安全、庫區安 全、生產(chǎn)安全、發(fā)電運行、設備資產(chǎn)管理、安保反恐、發(fā)電檢修仿真培訓、旅游管理、決策 駕駛艙、應急指揮、宣傳展示、會(huì )商預演決策等相關(guān)業(yè)務(wù)應用及移動(dòng)應用開(kāi)發(fā)。

        (7) 完成數字孿生小浪底平臺建設，融合數字孿生場(chǎng)景、監測感知數據、模型庫和知識平 臺，通過(guò)模擬仿真引擎實(shí)現虛擬工程與實(shí)體工程同步仿真運行。完成與上級單位系統、委托 人現有各專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)系統的集成，實(shí)現與水利部、流域機構數據共享和交互，實(shí)現與委托人現 有系統數據共享和交互。

        (8) 完成軟件平臺和硬件設備的釆購、安裝和調試。

        (9) 基于建設成果和上級要求，完成5項水利行業(yè)技術(shù)標準編寫(xiě)，其中3項為數字孿生水利工程編碼導則、數字孿生水利工程數據底板建設指南、數字孿生水利工程數據集成標準，剩余2項由委托人根據項目實(shí)施需要另行明確。

        數字孿生水利發(fā)展重要事件

        一、2021-11-29日【關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設的指導意見(jiàn)】

        意見(jiàn)提出：以數字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構建數字孿生流域為核心，全面推進(jìn)算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“四預”）功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅動(dòng)。

        到2025年，通過(guò)建設數字孿生流域、“2 N”水利智能業(yè)務(wù)應用體系、水利網(wǎng)絡(luò )安全體系、智慧水利保障體系，推進(jìn)水利工程智能化改造，建成七大江河數字孿生流域，在重點(diǎn)防洪地區實(shí)現“四預”，在跨流域重大引調水工程、跨省重點(diǎn)河湖基本實(shí)現水資源管理與調配“四預”，N項業(yè)務(wù)應用水平明顯提升，建成智慧水利體系1.0版。

        構建數字孿生平臺。升級擴展全國水利一張圖，建設基礎數據統一、監測數據匯集、二三維一體化、三級貫通的數據底板，建設包含水文、水力學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)、水資源、水環(huán)境、水土保持、水利工程安全7大類(lèi)專(zhuān)業(yè)模型的標準統一、接口規范、分布部署、快速組裝、敏捷復用的模型平臺以及結構化、自?xún)?yōu)化、自學(xué)習的知識平臺。按照統一的要求和標準建設重大水利工程的數字孿生工程。

        二、2021-12-23日，水利部召開(kāi)推進(jìn)數字孿生流域建設工作會(huì )議

        部長(cháng)李國英出席會(huì )議并講話(huà)，強調大力推進(jìn)數字孿生流域建設，積極推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。李國英指出，數字孿生流域是以物理流域為單元、時(shí)空數據為底座、數學(xué)模型為核心、水利知識為驅動(dòng)，對物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程的數字化映射、智能化模擬，實(shí)現與物理流域同步仿真運行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。

        加快推進(jìn)數字孿生流域建設，實(shí)現預報、預警、預演、預案功能。一是獲取數據。要錨定構建數字化場(chǎng)景的目標，建立天空地一體化水利感知網(wǎng)，構建全國統一、及時(shí)更新的數據底板，保持與物理流域交互的精準性、同步性、及時(shí)性。二是優(yōu)化算法。要錨定智慧化模擬的目標，推進(jìn)水利專(zhuān)業(yè)模型技術(shù)攻關(guān)，構建水利業(yè)務(wù)知識庫，建設水利業(yè)務(wù)智能模型，確保數字孿生流域模擬過(guò)程和流域物理過(guò)程實(shí)現高保真。三是提升算力。要根據數據處理、模型計算的需要，擴展計算資源，升級通信網(wǎng)絡(luò )，完善會(huì )商環(huán)境，提升高效快速、安全可靠的算力水平。四是建設數字孿生水利工程。要錨定安全運行、精準調度等目標，開(kāi)展工程精細建模、業(yè)務(wù)智能升級，保持數字孿生水利工程與實(shí)體水利工程的融合性、交互性、同頻性。五是支撐業(yè)務(wù)應用。要錨定精準化決策的目標，樹(shù)立大系統設計、分系統建設、模塊化鏈接的系統觀(guān)念，強化應用思維，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、創(chuàng )新業(yè)務(wù)模式，構建流域防洪、水資源管理調配等覆蓋水利主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能化應用和管理體系。六是守住安全底線(xiàn)。完善水利網(wǎng)絡(luò )安全體系，增強關(guān)鍵信息基礎設施和重要數據防護能力，確保數字孿生流域運行安全。

        三、2022年2月水利部副部長(cháng)劉偉平調研小浪底管理中心安全生產(chǎn)、數字孿生工程建設等工作

        劉部長(cháng)提出：加快數字孿生小浪底建設，推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。把數字孿生小浪底建設作為重點(diǎn)任務(wù)，統籌謀劃、分步實(shí)施，同步抓好網(wǎng)絡(luò )安全，形成標準體系，爭取做到行業(yè)內示范引領(lǐng)。