科创中国

数字孪生流域是通过综合运用全局流域特征感知、联结计算（通信技术、物联网与边缘计算）、云边协同技术、大数据及人工智能建模与仿真技术，实现平行于物理流域空间的未来数字虚拟流域孪生体。通过流域数字孪生体对物理流域空间进行描述、监测、预报、预警、预演、预案仿真，进而实现物理流域空间与数字虚拟流域空间交互映射、深度协同和融合。

数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。推进数字孪生流域建设是贯彻落实重要讲话指示批示精神和党中央、国务院重大决策部署的明确要求，更是强化水利流域治理管理的迫切要求。

数字孪生基于水利信息基础设施，利用视频孪生技术，对江河湖泊、水利工程、水利治理管理对象、影响区域等物理流域进行实时数字映射，利用模型平台和知识平台实现智慧模拟、仿真推演，支撑“2+N”水利业务应用。近年来，我国全面推进数字中国建设，其中包括：数字孪生水利工程，数字孪生可视化发展，数字孪生流域等方面，深入实施网络强国战略。数字孪生智慧水利作为水利高质量发展的显著标志大力推进，先后实施国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源管理系统、水利政务服务平台等一批重大信息化项目。大力推进数字孪生流域建设推动新阶段水利高质量发展。

近年来，互联网等信息技术发展在全球范围内掀起了数字化转型的浪潮，数字孪生作为当前数字化转型以及数字经济发展的重要支撑技术，可充分利用传感器全方位获取真实世界数据信息，结合多物理场仿真、数据统计分析和机器学习、深度学习等功能，使真实世界在孪生世界中完成数字化映射，进而实现物理空间与数字空间的实时双向同步映射及虚实交互。目前数字孪生已成为多个行业创新发展的强大牵引力，特别是在智能制造、智慧城市、医学分析等领域，数字孪生技术已被认为是一种能够实现业务数字信息与物理世界交互融合的有效手段。

随着水利进入新发展阶段，高质量发展已成为水利工作的主题。根据水利部推进智慧水利建设部署，建设数字孪生流域已经成为当前智慧水利建设的核心任务与目标。数字孪生流域是数字孪生技术在流域水资源综合管理层面的广泛应用，通过新一代信息技术在虚拟数字世界中创建一个与真实世界物理实体相互映射、协同交互的数字孪生体。其作用在于：通过要素虚拟化、状态实时化与可视化技术，在虚拟世界中模拟和再现水流及涉水相关要素的关联关系，解析要素时空动态演化规律，实现流域水模拟、水工程调度及其影响快速响应与精准分析，并将感知获取的信息和计算分析的成果转换为流域管理和经济社会发展相关的分析评价要素，通过对规则和知识的应用，实现决策方案的智能推送与实施。数字孪生流域不仅是实体流域在虚拟空间的数字映射，也是支撑新一代水利高质量发展的复杂综合技术体系，它支撑并推进着形成一个共享全方位、应用高效能的流域水资源多元共治发展新格局。

数字孪生流域是新一代信息通信技术与传统流域管理技术深度融合的创新应用。其关键技术包括：

1. 面向复杂环境的低功耗新型传感技术及综合阵列传感技术

流域运行状态的全面、准确数字化表征是构建数字孪生流域的基础。为此，以重点流域水环境阵列传感技术传感器为数据来源，以多源数据融合为技术手段，是打造数字孪生流域的首要关键。传感器类型包括：水文测报传感器、水质传感器、水环境传感器等。

2. 边缘智能与协同技术

边缘计算是面向流域智能化需求，构建基于流域海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑流域泛在连接、弹性供给、高效配置的流域边缘计算节点。其本质是通过构建精准、实时、高效的数据采集，建立面向流域轻量级大数据存储、多传感器数据融合、特征抽取等基础数据分析与边缘智能处理及流域云端业务的有效协同。

3. 流域通信与数据传输技术

针对数字孪生流域的物联网感知数据传输问题，需要探索覆盖重点流域断面、支撑多源数据传输的无线通信技术，为数字孪生流域多源数据传输提供安全可靠保障。

(1）面向数字孪生流域的智能传感器安全接入

流域终端传感设备作为物联网的感知层，承担着流域数据采集重要任务，保证终端传感设备安全接入、防止系统被非法侵入是保证数字孪生流域物联网安全的重要环节。传统的智能设备接入认证方案和身份认证协议在大规模物联网场景下的认证效率和安全性上存在严重不足。基于区块链的分布式认证为数字孪生流域物联网安全接入提供了新的解决方法和思路，然而区块链融入端边云架构时，会面临系统架构、数据隐私安全、参与节点资源和共识等多方面的挑战。

(2）支撑多源数据传输的流域无线通信技术

针对建设数字孪生流域的需求，结合流域场景特点，探索面向流域无线专网通信技术，设计不同场景下流域无线专网深度覆盖，为数字孪生流域数据高效传输提供支撑。目前，5G网络以大带宽、低时延、广连接为智慧水利场景的立体化感知、互联、智慧管理提供了多维度信息通信服务。然而由于流域范围大、距离长、气候差异大，使得5G覆盖范围受限。未来随着低轨道卫星和6G的发展，构筑天空地水一体化融合组网技术，将具备更广阔的流域覆盖范围和泛在通信服务能力，将为数字孪生流域提供可靠的通信与数据传输。

4. 流域数字孪生体构建与数据驱动及仿真技术

流域孪生体的构建需要采集流域各要素数据、构建各类型模型，并进行数据、模型集成融合，以实现流域孪生体与物理实体精准映射镜像。其中从流域实景三维建模到动态数据驱动的数字孪生流域模型以及数字孪生模型的反向推演仿真成为数字孪生流域的核心技术。

数字孪生流域关键技术由于流域场景大范围、长距离、环境构成的复杂性，流域数字孪生体构建需要建立以流域边缘计算汇聚数据为特征的流域特征要素状态与行为。因此，在数据融合与数据驱动建模、流域机理建模、虚拟仿真等方面均存在很大困难。对此，需要研究数字孪生流域的特征要素数据驱动技术、高保真孪生体构建与仿真技术。数字孪生平台构建与数据驱动及仿真技术。

总体建设目标是：按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径 [5]，在水利一张图 [6] 基础上构建全国统一的数据底板，升级扩展三维展示、数据融合、分析计算、动态场景等功能，建设完善数字孪生平台、提升信息化基础设施能力，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，支撑“四预”（预报、预警、预演、预案）功能实现和“2 +N”智能应用运行，提升水利决策与管理的科学化、精准化、高效化能力和水平，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

为充分发挥新一代信息技术的支撑驱动作用，针对算据要素和精度尚不满足要求、模型算法距高保真目标有差距、计算存储算力不强等问题 [7]，实现以下具体目标：

（1）算据方面。算据是物理流域及其影响区域的数字化表达，是构建数字孪生流域的数据基础，包括自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会等信息。构建全国统一、及时更新的数据底板，建成覆盖全国的 L1 级数据底板，主要江河流域重点区域建成 L2 级数据底板，重点水利工程建成 L3 级数据底板，保持数字孪生流域与物理流域的精准性、同步性、及时性，为数字孪生流域提供全面及时算据支撑。

（2）算法方面。算法是物理流域自然规律的数学表达，是构建数字孪生流域的关键，包括模型和知识等平台内容。建成模型和知识平台，提升模型的标准化和集约化水平，进一步加强与业务的深度融合，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行模拟仿真和前瞻预演，确保数字孪生流域的模拟和物理过程实现高保真，为数字孪生流域提供智能实用算法服务。

（3）算力方面。算力是数字孪生流域高效稳定运行的重要支撑，包括计算、通信、存储等基础设施资源。按照“集约高效、共享开放、按需服务”的原则，实现县级及以上水利单位水利业务网全覆盖并有效服务各类信息及时高效传输应用需要，IPv6在水利业务网实现规模化部署和应用，建成省级及以上水行政主管部门水利云，支撑计算存储资源按需分配、弹性伸缩，为数字孪生流域提供安全可靠算力保障。