数字孪生水利建设中应把握的重点和难点

数字孪生水利建设中应把握的重点和难点

 王建峰, ,王博文

 河南省人民胜利渠保障中心  河南省新乡市  453000

摘要：数字孪生水利主要由数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等组成。当前，水利部正在开展数字孪生流域建设先行先试工作，全国各级水行政主管部门也均在大力推进数字孪生水利建设，如何较好地保障数字孪生水利建设工作已成为亟待解决的问题。为此，提出数字孪生水利建设保障体系，并在数字孪生流域建设先行先试工作中进行应用，以期为推进数字孪生水利建设工作提供参考和借鉴

关键词：数字孪生；水利建设；重点；难点

引言

随着大数据、互联网、5G等信息技术的迅速发展，各类无人驾驶飞机设备及软件模拟技术被大量采用，随着各种工业领域的发展，各种仿真技术及应用成果不断出现，各种实体物体也逐步进入虚拟空间。于是，“数字孪生”的概念便顺理成章地被提了出来。尽管数字孪生技术在水利工程中的应用还处于初级阶段，但已经成为当前水利工程研究的热点。在此基础上采用数字孪生技术对工程进行实时仿真与监控，实现工程运营状态的全面感知，使工程效益最大化。同时，通过数字孪生技术，能够有效地对工程进行动态预测、深入分析、全面规划。因此，有必要对数字孪生技术在水利工建设中应把握的重点和难点展开研究。

1数字孪生技术的应用准则

当前，数字孪生技术手段在工业生产中得到广泛应用，充分显示出了其良好的应用效果。数字孪生技术的基本应用原则就是要在计算机的软件终端设备的帮助下，来实现三维模型的构建，并利用智能化的逻辑推理和自动感知技术来为其提供必要的支持。对于一个特定的真实物体来说，建立一个精确的三维空间模型，保证了对真实物体的各种特性进行精确的表达和描述，这是数字孪生技术的实际意义所在。综上所述，在正确应用数字孪生技术的基本原则与先决条件，就是要保证物理世界以及虚拟化的数字建模系统能够保持一致性与协调性，然后再将人工智能的现代技术手段相结合，从而完成数据挖掘、数据积累、仿真建模以及结论分析的全过程。

2数字孪生技术在水利工程中的应用特征

2.1赋能全息可视

数字孪生水利工程的建设提供了一种全新的人机交互模式，通过虚拟现实与物理场景或孪生场景的空间叠加，提升可视化效果，实现虚实互动、真实映射，为使用者与管理者提供沉浸、精准的交互体验。旨在解决直观、美观、便捷、真实的问题，尤其在高工作强度、危险和恶劣等工作环境下，取代人工现场踏勘，在全息孪生场景内实施调度等管理内容，也能实时掌握工程运行状态，使工程安全稳定运行。

2.2赋能业务融合

数字孪生水利工程的建设打破了各等级、各部门和各行业管理业务协同的专业壁垒。政务云和云计算技术为业务融合提供了泛在便捷的协同、存储与算力资源，通过将数据、模型、知识等资源及其管理、表达、驱动这些资源引擎组成的服务平台可视化，提供在网络空间虚拟再现真实水利工程能力，为工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度等业务应用提供支撑。

3数字孪生水利建设应把握的重点

3.1获取算据

算据是物理流域及其影响区域的数字化表达，包括自然地理、干支流水系、水利工程基础数据，监测数据，业务管理数据，地理空间数据，经济社会信息等各类数据。算据是构建数字孪生水利的基础，必须加大建设力度。锚定构建数字化场景的目标，建立“天空地”一体化水利感知网，构建全国统一、及时更新的数据底板，保持与物理流域交互的精准性、同步性、及时性。其中，重点是数据底板建设。水利部本级建设覆盖全国的L1级数据底板，主要包括STRM（航天飞机雷达地形测绘任务）高程数据、2m空间分辨率的数字正射影像图（DOM）、30m空间分辨率的流域下垫面地表覆盖数据、优于30m格网数字高程模型（DEM）及局部重点区域数字表面模型（DSM）。流域管理机构和省级水行政主管部门建设覆盖大江大河大湖及其主要支流江河流域的重点区域的L2级数据底板，长度约为5万km，面积约为18万km²。此外，水利部本级制定统一的水利数据和网格模型，并与各流域管理机构和省级水行政主管部门协同建设数据引擎。

3.2守住网络安全底线

安全是底线，应完善水利网络安全体系，增强关键信息基础设施和重要数据安全保护能力，确保数字孪生水利运行安全。既要树立系统观念，强化应用思维，层层压实主管、建设、运行、使用等单位的安全责任；又要构建管理、技术、运营、保障四部分组成的水利网络安全综合防御体系。重点是确保重要数据安全，尤其是地理空间数据安全合规应用，保障数字孪生水利产生的海量数据的安全，保证水利工程控制系统类关键信息基础设施的安全。

4数字孪生水利建设的难点及应对思路

4.1技术标准方面

难点：涉及数字孪生水利建设的标准非常空缺，传统标准不适应数字孪生水利的需要。应对思路：围绕数字孪生水利对全要素、全过程水利治理管理活动的要求，补充或修订监测感知类标准，编制数据底板、模型平台、知识平台及资源共享类标准。对于一些着急使用但还没有经过大规模应用的标准，先以技术文件形式印发，通过规模化应用，完善标准，待运用成熟后再上升为行业技术标准。

4.2资金投入方面

难点：数字孪生水利建设需要必要的建设和运行维护等资金的投入，但仅靠国家投入显然无法完成这么浩大的工程。应对思路：应抓住水利基础设施加快建设的机遇，积极争取中央资金的投入，推进建设方案所列重点项目前期工作。坚持多轮驱动，充分发挥政府资金引导、带动作用，创新多元化投/融资模式，更多运用市场手段和金融工具，扩大地方政府专项债券利用规模，更大力度利用中长期贷款和政策性开发性金融工具，深入推进水利基础设施政府与社会资本参与规范发展，数字孪生水利是重点支持项目，可建立合理回报机制，吸引更多社会资本参与数字孪生水利建设运营。结合国家水网建设，推进已建水利工程智能化改造和在建水利工程智能化建设，确保新建水利工程在项目预算中有信息化和网络安全建设资金投入安排。

结束语

总而言之，数字孪生技术具备了建立信息化模型的基础和实际特点，可以利用动态化和立体化的建模技术方法，来精确地反映水利工程的系统运营和使用情况。水利工程的管理负责人员，若可以科学、合理地应用数字孪生技术手段，将会更加充分地体现出水利工程的综合效益。在这样的条件下，当前，水利工程的管理技术人员要更加重视对数字孪生技术的不断改进，对现行的水利工程基础设施进行管理和维护，从而使水利工程能够更好地发挥其整体效益。

参考文献

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