數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設思考與實踐

Thoughts and practice on the “full-chain” construction of the Digital Twin Yellow River

于海泓

（水利部黃河水利委員會信息中心，450004，鄭州）

摘要：建設數(shù)字孿生流域是提升國家水安全保障能力的重要支撐。加快構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的數(shù)字孿生黃河體系，是貫徹落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的迫切需要，是推動新階段黃河流域水利高質(zhì)量發(fā)展、全面提升水安全保障能力的有力驅(qū)動和強力支撐。通過數(shù)字孿生黃河建設，推動黃河流域治水業(yè)務發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)變。回顧了治黃信息化建設發(fā)展歷程，分析了信息化各環(huán)節(jié)之間當前存在的協(xié)同不足等問題，闡明了數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設的背景、意義和基礎，基于數(shù)字孿生黃河建設需求提出信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)開發(fā)、運行維護“全鏈條”建設思路，明確了主要框架、邏輯關系及關鍵技術。整體框架設計劃分為構建黃河數(shù)字孿生平臺、完善黃河信息基礎設施、構建“2+N”業(yè)務應用、完善黃河網(wǎng)絡安全體系和保障體系，探討了“全鏈條”各環(huán)節(jié)的協(xié)同目標和主要建設內(nèi)容，推動打造前后銜接、左右關聯(lián)、上下貫通的有機整體，闡述了初步取得的實踐成果及經(jīng)驗，以期為數(shù)字孿生黃河及其他流域數(shù)字孿生規(guī)劃和建設提供參考。

關鍵詞：數(shù)字孿生黃河；全鏈條；協(xié)同；數(shù)字孿生水利；黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展

作者簡介：于海泓，黨委書記、主任，高級工程師，主要從事水利信息化工作和研究。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFC3209201）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.13.003

習近平總書記指出“推進中國式現(xiàn)代化，要把水資源問題考慮進去”“中國式現(xiàn)代化，也包括水利現(xiàn)代化”“沒有信息化就沒有現(xiàn)代化”。水利部堅定不移推動數(shù)字孿生水利建設，加快發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力，大力推進數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程建設。建設數(shù)字孿生流域是提升國家水安全保障能力的重要支撐。江河保護治理是一個龐大復雜的系統(tǒng)工程，必須堅持數(shù)字賦能，依托現(xiàn)代信息技術變革治理理念和治理手段。借助數(shù)字孿生黃河建設，為流域水系、水利工程、水利管理運行體系動態(tài)在線監(jiān)測提供先進感知手段，為流域管理創(chuàng)新發(fā)展提供基礎支撐，促進傳統(tǒng)防御決策向智能化發(fā)展，推動黃河流域治水業(yè)務發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)變。水利部黃河水利委員會（以下簡稱黃委）緊跟時代發(fā)展要求，積極落實水利部安排部署，全力構建全流域貫通、全領域覆蓋、全鏈條聯(lián)動的數(shù)字孿生黃河體系，為黃河保護治理工作提供信息化驅(qū)動引領和支撐保障。

近年來黃河信息化建設取得了積極成效，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術應用不斷取得新進展，但與黃河流域高質(zhì)量發(fā)展需求和水利部數(shù)字孿生水利建設整體要求相比，還存在監(jiān)測感知體系不健全、數(shù)據(jù)匯聚不全面、統(tǒng)籌建設不系統(tǒng)等問題和不足，距離形成有效銜接、統(tǒng)一高效的有機整體尚有差距。為全力構建數(shù)字孿生黃河體系，以新質(zhì)生產(chǎn)力賦能黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，亟須加強數(shù)字孿生黃河信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)開發(fā)、運行維護“全鏈條”建設，全面提升數(shù)字孿生黃河建設效能，更好賦能黃河保護治理事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

黃河信息化發(fā)展概況

黃河信息化發(fā)展歷史是在長期治黃實踐中，利用信息化技術支撐服務黃河保護治理工作的探索過程和經(jīng)驗積累，是當前開展數(shù)字孿生黃河建設的重要基礎。通過回顧信息化技術演進過程和黃河信息化發(fā)展歷史，為當前數(shù)字孿生黃河建設提供有益借鑒。

1.20世紀黃河信息化發(fā)展

淮河“75·8”大洪水后，為解決黃河下游防汛通信的迫切問題，黃委于1977年成立通信總站，1986年成立黃河防汛自動化測報計算中心（2002年為適應“數(shù)字黃河”工程建設需要，兩家單位合并組建成立目前的黃委信息中心）。到20世紀末，黃河通信相繼建成鄭州至三門峽數(shù)字微波電路、鄭州至東營微波通信干線等，開展了黃河“96·8”洪水遙感監(jiān)測，成功研制了遙測電子水尺，建成了“小花間”（小浪底水利樞紐至花園口水文斷面區(qū)間）暴雨洪水預警預報系統(tǒng)，提高了洪水預報精度、縮短了預報時間；開發(fā)了黃河下游洪水預報調(diào)度系統(tǒng)及黃河下游工情險情會商系統(tǒng)、遠程異地會商系統(tǒng)，在黃河防汛中發(fā)揮了重要作用，其中黃河下游防洪防凌決策支持系統(tǒng)獲得國家“八五”科技攻關重大科技成果獎。

2.“數(shù)字黃河”工程建設

2001年黃委黨組提出“數(shù)字黃河”工程建設，治黃信息化進入全面、快速發(fā)展階段。編制了《“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃》，于2003年正式得到批復；遙感技術應用進一步深入，開展凌情、洪水、河勢、墑情、河道清障、河口濕地生態(tài)等遙感監(jiān)測；建成水利行業(yè)最大的通信專網(wǎng)、計算機廣域網(wǎng)和水利行業(yè)第一家數(shù)據(jù)中心；初步建成黃河防汛抗旱、水量調(diào)度、工程管理和電子政務等六大應用系統(tǒng)；提出“數(shù)字黃河”工程框架體系并獲得大禹水利科學技術獎一等獎，在國內(nèi)外產(chǎn)生深遠影響。網(wǎng)絡安全得以強化，逐步建立核心網(wǎng)絡與骨干節(jié)點的邊界訪問控制系統(tǒng)、入侵防護系統(tǒng)等。

3.信息化“六個一”推進

2016年為扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)資源碎片化和應用資源碎片化局面，黃委推動開展“一張圖”“一個數(shù)據(jù)庫”“一站式登錄”“一目了然的監(jiān)管”“‘一竿子’到底”“一個單位來抓”等信息化“六個一”重點工作，取得了扎實成效。初步搭建起統(tǒng)一的地理信息公共服務平臺和服務門戶；水文氣象等重要數(shù)據(jù)集中到黃委數(shù)據(jù)中心；開發(fā)綜合信息服務門戶系統(tǒng)，初步實現(xiàn)各類政務信息、業(yè)務信息的聚合展現(xiàn)；行業(yè)管理工作得到加強，走出一條突出應用的信息化資源整合路子。

4.數(shù)字孿生黃河建設

2021年水利部印發(fā)《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》，推進數(shù)字孿生流域建設，明確將數(shù)字孿生黃河作為建設重點。同年黃委成立數(shù)字孿生黃河建設領導小組，組織編制《數(shù)字孿生黃河建設規(guī)劃（2022—2025）》并于2022年3月正式頒布。

近年來，黃委遵循“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，推動數(shù)字孿生黃河建設不斷取得進展。感知體系方面，通過水文監(jiān)測、視頻監(jiān)控、無人機巡查、衛(wèi)星遙感等，實時采集雨情、水情、凌情、工情、險情、泥沙、水質(zhì)等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)平臺建設方面，初步建成黃河云數(shù)據(jù)中心，整合水利工程、水文、氣象等多源數(shù)據(jù)，初步實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)共享；模型構建方面，開發(fā)了降雨徑流預報、水庫群聯(lián)合調(diào)度、水沙演進、水量調(diào)度等水利專業(yè)模型，以及遙感影像和視頻圖像智能識別模型；應用系統(tǒng)開發(fā)方面，建成黃河水旱災害防御四預系統(tǒng)、水資源管理與節(jié)約保護應用系統(tǒng)等，賦能防汛、水資源管理等黃河保護治理業(yè)務。

數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設的認識與思考

黃河信息化建設雖然取得了顯著成效，但仍存在監(jiān)測感知體系不健全、算據(jù)獲取能力亟待提升、通信傳輸保障能力薄弱、數(shù)據(jù)共享機制不完善、跨部門協(xié)作存在壁壘、業(yè)務信息化管理體系不健全、業(yè)務應用智能化水平仍需提高、運維體系不完善、網(wǎng)絡安全防護能力不足，以及建設分散、標準不統(tǒng)一等問題。同時各環(huán)節(jié)之間協(xié)同不足問題越來越凸顯，影響了數(shù)字孿生黃河整體效能，包括：信息采集與通信傳輸、數(shù)據(jù)存儲脫節(jié)，采集設備協(xié)議不統(tǒng)一導致數(shù)據(jù)傳輸效率低從而影響實時性，數(shù)據(jù)分散、不能及時入庫導致數(shù)據(jù)孤島和應用割裂；通信傳輸與數(shù)據(jù)管理對接流程優(yōu)化不足導致關鍵信息入庫延遲，模型更新、系統(tǒng)應用滯后；數(shù)據(jù)管理與系統(tǒng)開發(fā)結合不夠緊密，數(shù)據(jù)格式與業(yè)務系統(tǒng)兼容性不夠，開發(fā)需要對數(shù)據(jù)重復清洗加工，拖累響應速度；各環(huán)節(jié)與運維缺乏高效協(xié)同，信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、應用系統(tǒng)的運維自動化程度有待提升，流程不夠順暢，系統(tǒng)開發(fā)預留的運維接口兼容性不足，全方位高效運維保障還需進一步提升等。

鑒于對黃河信息化發(fā)展歷程及以上存在問題的認識，當前科學構建數(shù)字孿生黃河體系，應摒棄局部分散、各自為政的建設方式，運用發(fā)展、全面、系統(tǒng)的思維提升數(shù)字孿生黃河建設效能，加快發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力，為黃河保護治理提供信息化驅(qū)動引領和支撐保障。

1.“全鏈條、全周期、全業(yè)務”建設思路

按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，錨定“構建全流域貫通、全領域覆蓋、全鏈條聯(lián)動的數(shù)字孿生黃河體系”目標，通過統(tǒng)一架構、智能中臺、閉環(huán)反饋等手段強化技術、標準和管理協(xié)同，打造信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)開發(fā)、運行維護“全鏈條”，服務規(guī)劃設計、建設管理、應用賦能“全周期”，支撐水災害、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水文化“全業(yè)務”，持續(xù)推動數(shù)字孿生黃河建設。

從信息化專業(yè)性角度分析，打造“全鏈條”數(shù)字孿生黃河體系的信息化建設業(yè)務流程，是先將業(yè)務數(shù)據(jù)化、再將數(shù)據(jù)業(yè)務化的過程。建設數(shù)字孿生黃河需要注重“全鏈條”覆蓋和聯(lián)動，切實提升各鏈條的專業(yè)能力與水平。打造“全鏈條”須突出專業(yè)精通、技術精湛和上下貫通，熟悉信息化專業(yè)、水利專業(yè)以及它們結合起來的有關專業(yè)和技術，全面提升信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)開發(fā)、運行維護各環(huán)節(jié)科研能力和技術水平；打造前后銜接、左右關聯(lián)、上下貫通的有機整體；強化科技創(chuàng)新與產(chǎn)品研發(fā)，聚焦業(yè)務需求、生產(chǎn)需要、技術瓶頸等開展技術攻關與實踐探索；在科研和技術上精益求精，以創(chuàng)新驅(qū)動培育發(fā)展信息化新質(zhì)生產(chǎn)力。

2.數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設框架

數(shù)字孿生黃河建設總體框架劃分為構建黃河數(shù)字孿生平臺、完善黃河信息基礎設施、構建“2+N”業(yè)務應用、完善黃河網(wǎng)絡安全體系和保障體系（見下圖）。一是構建黃河數(shù)字孿生平臺，內(nèi)容包含黃河數(shù)據(jù)底板、黃河模型平臺、黃河知識平臺等方面。二是完善黃河信息基礎設施，包括通信傳輸、水利感知網(wǎng)、黃河業(yè)務網(wǎng)、黃河云、基礎環(huán)境等方面。三是構建“2+N”業(yè)務應用體系，通過黃河數(shù)字孿生平臺，調(diào)用數(shù)字孿生流域相關業(yè)務的算據(jù)、算法、算力等資源，實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化。四是完善黃河網(wǎng)絡安全體系，包括黃河網(wǎng)絡安全管理體系、技術體系、運營體系等。五是完善黃河保障體系，包括組織管理、標準規(guī)范、技術創(chuàng)新、運維體系、人才隊伍和宣傳交流等。

▲數(shù)字孿生黃河建設總體架構

在總體框架下，以“采集-傳輸-數(shù)據(jù)-系統(tǒng)-運維”為核心鏈條，注重各環(huán)節(jié)貫通、協(xié)同與聯(lián)動，構建全生命周期、全要素聯(lián)動的智能化治理體系。在建設過程中，信息采集在實現(xiàn)全域覆蓋、全要素實時監(jiān)測，提升高精度動態(tài)監(jiān)測及極端環(huán)境下采集能力的基礎上，強化采集數(shù)據(jù)的高效傳輸、存儲和應用；通信傳輸在實現(xiàn)全覆蓋、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸，強化補盲、強鏈，打通通信“最后一公里”以及提升極端環(huán)境下通信韌性的基礎上，優(yōu)化關鍵信息數(shù)據(jù)實時傳輸保障；數(shù)據(jù)管理在實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合與智能分析，提升算據(jù)、算力支撐服務能力的基礎上，加強全流域數(shù)據(jù)共享與應用，提升對各信息系統(tǒng)的支撐服務能力與水平；系統(tǒng)開發(fā)在建設具有“四預”（預報、預警、預演、預案）功能的智能化應用系統(tǒng)、提升多目標協(xié)同優(yōu)化及虛實交互控制能力的基礎上，強化對數(shù)據(jù)的高效處理與調(diào)用，提升系統(tǒng)響應水平；運行維護在實現(xiàn)全生命周期系統(tǒng)健康管理，提升自動化運維、標準化運維能力的基礎上，加強與各環(huán)節(jié)的深入結合，提升運維效率和快速反應能力。主要包括以下建設內(nèi)容。

（1）信息采集

持續(xù)推進“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系建設。拓展衛(wèi)星遙感應用的廣度和深度，強化水利遙感衛(wèi)星在防洪防凌、水資源管理等業(yè)務中的應用與提升。提高遙感采集能力，開展遙感智能提取技術研究，擴展智能識別模型，豐富遙感智能提取要素。研究開發(fā)遙感智能解譯提取平臺，創(chuàng)新遙感智能提取與在線協(xié)同一體化作業(yè)方式，提升解譯自動化和智能化水平。升級黃委無人機應用管理平臺，提升無人機工程巡檢智能識別能力。優(yōu)化視頻管理平臺，推進流域內(nèi)視頻資源整合接入，優(yōu)化平臺運維統(tǒng)計分析功能，研發(fā)視頻平臺的智能識別模塊，打通從智能識別到信息告警的全流程。

（2）通信傳輸

提高防汛通信能力，研究5G通信/無線新技術應用，解決黃河下游“最后一公里”的信息傳輸瓶頸。開展黃河下游信息網(wǎng)絡無盲區(qū)、無死角互聯(lián)探索和黃委干線微波5G技術升級改造試驗，利用黃河下游“十四五”防洪工程安全監(jiān)測與信息化項目開展4G LTE信號補盲試點工作。優(yōu)化通信傳輸優(yōu)先級，確保關鍵數(shù)據(jù)存儲管理與應用無延遲。優(yōu)化計算機骨干網(wǎng)絡，推進黃委各單位無線網(wǎng)絡覆蓋，推進終端準入系統(tǒng)建設，加強黃委核心網(wǎng)準入集中管理。

（3）數(shù)據(jù)管理

推進多源異構算力資源池建設，打造流域管理機構數(shù)據(jù)歸集平臺。加強數(shù)據(jù)安全保障，構建黃河數(shù)據(jù)安全保護體系。推進“一數(shù)一源一路徑”整合，推動形成多源異構化數(shù)據(jù)匯聚、標準化數(shù)據(jù)治理、精細化數(shù)據(jù)服務的“全鏈條”數(shù)據(jù)管理體系。推進多源數(shù)據(jù)共享使用，匯聚更新黃河流域各類數(shù)據(jù)，完善取水口、堤防、水閘等主題數(shù)據(jù)倉庫建設。提升黃委水利大模型算據(jù)支撐能力，優(yōu)化黃河數(shù)據(jù)中心基礎平臺與服務門戶，提升數(shù)據(jù)服務能力。

（4）系統(tǒng)開發(fā)

夯實以黃河“一張圖”為基礎的流域數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，持續(xù)整合流域L2級、L3級地理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化展示。面向“2+N”業(yè)務管理，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和空間信息服務資源共享。完善提升“2+N”業(yè)務應用系統(tǒng)。水旱災害防御方面，不斷升級完善流域防洪業(yè)務應用。水資源管理方面，持續(xù)完善流域水資源管理與節(jié)約保護業(yè)務應用，完善取水口監(jiān)管專題圖，優(yōu)化流域取用水管理平臺。N項業(yè)務應用方面，持續(xù)優(yōu)化河防工程管理系統(tǒng)，深化河湖管理應用系統(tǒng)，完善黃委政府網(wǎng)站。做好紀檢監(jiān)督、水土保持、水利監(jiān)督和水利遺產(chǎn)管理等信息化支撐工作。加快推進人工智能大模型搭建，提升智能化支撐能力。優(yōu)化系統(tǒng)運維接口兼容性，保障與運維平臺的順暢銜接，提升運維效率。

（5）運行維護

完善信息系統(tǒng)運維管理平臺，統(tǒng)一運維標準、流程和服務，提升各類基礎設施和應用系統(tǒng)的運維自動化水平。完善預案，強化演練，加強黃河通信專網(wǎng)汛前檢查和防汛防凌視頻監(jiān)控點巡檢維護。保障網(wǎng)絡平穩(wěn)安全運行及黃委各類視頻會議會商順利開展。強化移動會商支撐，以“現(xiàn)場應急視頻指揮”為使用場景，推進集智能車載起降無人機、衛(wèi)星通信、移動視頻會商于一體的“黃小通”建設。加強黃委網(wǎng)絡安全攻防演練，強化日常和重要活動期間網(wǎng)絡安全保障。優(yōu)化核心網(wǎng)安全體系，持續(xù)推進網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知平臺建設，逐步實現(xiàn)全河覆蓋。開展網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知功能模塊智能化研究，提高監(jiān)測精準率，推動構建黃委網(wǎng)絡安全全時“金鐘罩”。

3.關鍵技術

數(shù)字孿生黃河是通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化手段對黃河流域進行全要素、全過程的虛擬映射和動態(tài)模擬，以實現(xiàn)精準治理和科學決策的復雜系統(tǒng)工程，其關鍵技術涵蓋以下諸多領域。

（1）數(shù)據(jù)采集與感知技術

多源遙感技術是數(shù)字孿生黃河建設的重要數(shù)據(jù)獲取手段，通過衛(wèi)星遙感、無人機遙感及航空遙感，實現(xiàn)對黃河流域大范圍、高頻次的動態(tài)監(jiān)測。黃河全長5464km，流域面積75.2萬km2，范圍廣、監(jiān)測難，遙感通過衛(wèi)星、無人機實現(xiàn)全域覆蓋，彌補地面站點不足，通過高頻監(jiān)測動態(tài)追蹤洪水、凌情、河道變遷和水土流失，實現(xiàn)“天空地”一體化分析，支撐黃河保護治理。其中，衛(wèi)星遙感可提供宏觀、周期性的黃河流域地表覆蓋情況、植被指數(shù)、水體變化等信息，適用于黃土高原水土流失監(jiān)測、河道演變分析等；無人機遙感則具備高分辨率、靈活機動的特點，可應用于關鍵河段局部洪澇災害評估、黃河河道工程巡查等場景。物聯(lián)網(wǎng)技術通過在黃河大堤及水庫壩體等河道工程部署各類智能傳感器，實現(xiàn)對雨水情、泥沙輸移、工程安全等要素的實時監(jiān)測感知，該技術應用大幅度提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性和準確性，為黃河洪水預報、水資源調(diào)度和工程安全預警提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。視頻智能識別技術結合AI算法，利用高清攝像頭、紅外熱成像儀等設備，實現(xiàn)對黃河堤防、閘壩等防洪工程，以及水位、流量、冰凌等的實時監(jiān)視及智能預警，顯著提升黃河防洪減災的智能化水平，為工程管理和災害防控提供高效的技術手段。

（2）三維建模與仿真技術

建筑信息模型（BIM）與傾斜攝影建模技術是支撐黃河流域智慧化治理的核心數(shù)字化手段。在黃河保護治理中，BIM技術通過參數(shù)化建模精確構建小浪底水利樞紐、三門峽水利樞紐等關鍵工程的數(shù)字化鏡像，集成結構應力、泄洪能力等工程參數(shù)，實現(xiàn)從規(guī)劃設計到運行維護的全生命周期管理。傾斜攝影建模則通過無人機搭載多鏡頭相機，沿黃河主河道及重點支流進行多角度航測，采集高分辨率影像，經(jīng)三維重建生成黃河流域高精度實景模型。結合數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM），可構建流域地表的高保真三維場景，分辨率可達厘米級，適用于黃河河道河勢演變分析、洪水淹沒模擬等應用。基于多源數(shù)據(jù)融合開發(fā)黃河專業(yè)仿真系統(tǒng)，耦合水沙動力學模型、冰凌演進預測模型、生態(tài)流量評估模型等核心算法模塊，通過高性能計算，可動態(tài)模擬不同來水來沙條件下河道沖淤變化過程，預測72小時內(nèi)洪水演進態(tài)勢，評估調(diào)水調(diào)沙工程方案的潛在影響，為黃河保護治理決策提供量化分析工具。

（3）邊緣計算與數(shù)據(jù)匯聚技術

邊緣計算技術在黃河保護治理中構建“云-邊-端”協(xié)同的新型監(jiān)測體系。針對黃河流域地形復雜、監(jiān)測站點分散的特點，在重點水文站、防洪工程等關鍵節(jié)點部署邊緣計算設備，實現(xiàn)對水位、流量、含沙量等核心參數(shù)的高效處理。數(shù)據(jù)本地化處理可顯著改善黃河基礎數(shù)據(jù)傳輸延遲情況，提升關鍵業(yè)務的響應速度。基于黃河多源異構數(shù)據(jù)特點構建的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中臺，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、計算治理層及服務應用層等，通過構建多源異構數(shù)據(jù)的全鏈路管理體系，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯聚治理應用，為黃河調(diào)水調(diào)沙、防洪調(diào)度等核心業(yè)務提供分鐘級的數(shù)據(jù)服務響應能力，支撐黃河流域全要素數(shù)字化映射。這種“邊緣實時感知—中臺智能分析—全域協(xié)同決策”的技術架構，將顯著提升黃河保護治理的精準化水平和應急響應效率。

（4）高性能計算與大數(shù)據(jù)分析技術

高性能計算與大數(shù)據(jù)分析技術已成為現(xiàn)代治黃工作的核心支撐，其應用顯著提升了黃河保護治理的智能化水平和決策效率。通過構建異構計算架構，水利數(shù)值模型的運算效率得到數(shù)量級提升。在數(shù)字孿生黃河建設中，高性能計算與人工智能計算的融合應用為復雜水沙關系求解提供每秒百億次的算力支撐。通過時空大數(shù)據(jù)挖掘，對流域內(nèi)眾多監(jiān)測站點的實時數(shù)據(jù)進行智能分析，智慧化賦能黃河保護治理。大數(shù)據(jù)分析技術在黃河流域的應用體現(xiàn)在多源異構水情數(shù)據(jù)的融合處理與智能挖掘等方面。集成氣象、水文、遙感等各類數(shù)據(jù)源，構建黃河PB級時空數(shù)據(jù)庫。通過開發(fā)具有水利專業(yè)特色的分析算法，顯著提升黃河水文預報精度、水資源調(diào)度效率和工程風險管理能力等。

（5）大模型加持技術

構建基于千億參數(shù)大模型的黃河治理認知引擎，深度融合黃河流域水文、氣象、地質(zhì)等多學科知識圖譜，實現(xiàn)復雜治理問題的語義化理解和推理。通過持續(xù)學習歷史治黃經(jīng)驗和實時數(shù)據(jù)，形成動態(tài)演進的“黃河保護治理知識大腦”，構建具有認知智能的黃河保護治理決策支持系統(tǒng)。實現(xiàn)流域態(tài)勢智能感知（實時處理衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等多元數(shù)據(jù)）、風險概率預測（含泥沙淤積、冰凌洪水等典型場景）和治理策略優(yōu)化生成（綜合考慮水利工程調(diào)度、生態(tài)補水等約束條件），推動黃河流域保護治理從經(jīng)驗驅(qū)動向“數(shù)據(jù)驅(qū)動+AI仿真”的智慧決策模式轉(zhuǎn)型。

（6）智能決策與可視化技術

融合虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）及數(shù)字孿生技術，構建高精度、沉浸式的黃河流域三維全景可視化場景。依托衛(wèi)星遙感、無人機航測、水文監(jiān)測站等多源數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)黃河流域地形、水文動態(tài)、水利工程設施的毫米級建模與實時渲染。通過建設具備“四預”功能的智能決策支持系統(tǒng)，結合水文模型、機器學習預測算法及多目標優(yōu)化分析，為黃河洪水調(diào)度、生態(tài)補水、泥沙治理等關鍵業(yè)務提供動態(tài)決策輔助。在黃河下游防洪調(diào)度、小浪底水庫優(yōu)化運行等場景中，有效延長洪水預報預見期，提升應急響應效率，提高黃河流域治理的精準化與智能化水平。

（7）安全與可靠性技術

基于縱深防御體系架構，構建覆蓋物聯(lián)網(wǎng)終端、邊緣計算節(jié)點、云端數(shù)據(jù)中心的立體化網(wǎng)絡安全防護系統(tǒng)，重點保障數(shù)字孿生黃河關鍵基礎設施安全運行。針對黃河流域內(nèi)眾多物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端，部署輕量化入侵檢測系統(tǒng)及可信執(zhí)行環(huán)境，實現(xiàn)設備身份雙向認證與數(shù)據(jù)加密傳輸，確保水位、流量、工情險情等核心數(shù)據(jù)安全傳輸；在沿黃重大水利樞紐邊緣計算節(jié)點建立區(qū)域安全防護中心，通過AI異常檢測實時阻斷違規(guī)訪問；云端構建覆蓋全流域的網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知平臺，重點防護小浪底等核心工程控制系統(tǒng)，采用SM9算法實現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)安全共享。在網(wǎng)絡層采用軟件定義邊界技術，建立動態(tài)訪問控制機制；在數(shù)據(jù)中心層運用AI驅(qū)動的安全態(tài)勢感知平臺，實時監(jiān)測APT攻擊、DDoS等高級威脅。通過國密算法SM4/SM9實現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期加密，結合區(qū)塊鏈技術確保重要數(shù)據(jù)的不可篡改性。系統(tǒng)可靠性方面，采用雙活數(shù)據(jù)中心架構與異地容災備份，保障黃河關鍵業(yè)務系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

4.組織保障

為保證數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設順利推進，需加強組織保障。強化組織領導，發(fā)揮黃委數(shù)字孿生黃河建設領導小組及辦公室作用，優(yōu)化資源、整合力量、高位推動。加強建設管理，貫徹項目建設的項目法人負責制、招標投標制、工程監(jiān)理制和合同管理制，高標準高水平推動建設。完善體制機制，建立項目審批、建設質(zhì)量監(jiān)督和后評估等制度。注重多方合作，充分發(fā)揮“外腦”優(yōu)勢。

數(shù)字孿生黃河建設的實踐成效

按照水利部對數(shù)字孿生流域建設的安排部署，黃委持續(xù)推進數(shù)字孿生黃河建設，取得了階段性成效。

1.信息采集體系初步建立

黃委與中國資源衛(wèi)星應用中心建立了高速數(shù)據(jù)直連通道，共建“水利遙感技術聯(lián)合實驗室”，初步構建了以衛(wèi)星遙感監(jiān)測為龍頭、無人機監(jiān)測和視頻監(jiān)視為支撐的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系。平均每年采集處理衛(wèi)星遙感影像5000余景，影像最高分辨率達亞米級。在防汛關鍵期實現(xiàn)重點河段遙感監(jiān)測“每日一圖”，記錄洪水發(fā)生、發(fā)展、消退的時空變化過程，為洪水防御會商決策提供了詳實數(shù)據(jù)支撐。開展流域（片）河湖庫遙感監(jiān)測圖斑解譯，為流域“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”重點工作提供了有力支撐（見下圖）。

黃河流域（片）河湖庫遙感監(jiān)測平臺

建設黃委無人機應用管理平臺（見下圖），具備了無人機裝備統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)匯聚能力。在2024年洽川-吳王浮橋跑舟事件中，衛(wèi)星和無人機動態(tài)跟蹤跑舟位置與分布情況，“黃小通”將現(xiàn)場情況實時傳送至黃河防汛調(diào)度中心，為事件應急處置提供了有力支撐。建設黃河視頻綜合管理平臺，整合接入各類視頻系統(tǒng)資源7300余路，可根據(jù)需要對水位、流速、漂浮物等進行智能識別，研發(fā)光電測沙儀、“智能石頭”、“壩岸衛(wèi)士”等，開展堤防隱患探測技術應用等，在黃河保護治理中發(fā)揮了重要作用。

黃委無人機應用管理平臺

2.通信傳輸網(wǎng)絡初具規(guī)模

黃河通信網(wǎng)建成SDH微波干線站30個、微波支線站109個、寬帶無線接入站123個、通信鐵塔153座，無線線路總長約4500km，形成了“公網(wǎng)為主、公專結合”的通信傳輸體系。建設寬帶無線接入系統(tǒng)及衛(wèi)星應急通信指揮車，為搶險現(xiàn)場臨時指揮部提供全天候全天時通信保障和視頻會商環(huán)境。開展鄭濟微波河南渠村至山東劉莊站5G改造，帶寬升至1000M。在河南段建設2處4G LTE網(wǎng)絡試點，各項技術指標均大幅度高于4G公網(wǎng)接入攝像機，應用效果良好，為后續(xù)黃河通信專網(wǎng)改造提供了技術驗證。

黃委逐步建成了以委機關為核心，上聯(lián)水利部、下接委屬各單位、外聯(lián)流域各省（自治區(qū)）水利廳，涵蓋委級、省級、市級、縣級、一線班組的五級計算機網(wǎng)絡（見下圖）。其中駐鄭州單位通過同城光纖實現(xiàn)1000M互聯(lián)，鄭州外單位通過公網(wǎng)、專線或微波等方式互聯(lián)，共接入終端20000余臺，承載了黃河防汛、水資源調(diào)度、視頻會商等重要業(yè)務應用。

黃委計算機網(wǎng)絡拓撲

3.數(shù)據(jù)治理能力不斷加強

目前黃委基本形成了以黃河數(shù)據(jù)中心為核心、各單位分級負責的數(shù)據(jù)存儲管理體系。持續(xù)推動全河數(shù)據(jù)資源整合，先后制定了《黃委數(shù)據(jù)資源目錄及元數(shù)據(jù)標準》《黃委信息資源共享管理辦法》《黃河一張圖數(shù)據(jù)共享與使用管理辦法（試行）》等，匯聚整編黃委各類數(shù)據(jù)資源目錄。基于黃河云研發(fā)黃河數(shù)據(jù)中心基礎平臺（見下圖），實現(xiàn)委級基礎數(shù)據(jù)的全面匯聚、高效治理。按照“一數(shù)一源一路徑、一數(shù)多用”原則，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)的治理融合。建設水庫、堤防、水閘等9個主題數(shù)據(jù)倉庫，將6836萬條原始數(shù)據(jù)治理生成1561萬條成果數(shù)據(jù)。實現(xiàn)3712個國產(chǎn)物理計算核心和88TB國產(chǎn)存儲資源的統(tǒng)一管理。建成涵蓋國產(chǎn)化與非國產(chǎn)化的算力資源體系，形成多元算力融合黃河云框架體系，保障了黃委100余項業(yè)務系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

黃河數(shù)據(jù)中心基礎平臺

4.系統(tǒng)開發(fā)能力穩(wěn)步提升

建成全河統(tǒng)一的地理信息服務平臺黃河“一張圖”，初步建成“2+N”水利業(yè)務應用體系和綜合辦公政務應用體系。水旱災害防御方面，建設黃河水旱災害防御四預系統(tǒng)（見下圖），強化預報調(diào)度業(yè)務協(xié)同，在防洪防凌會商、調(diào)水調(diào)沙等實戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。水資源管理方面，建設水資源管理與節(jié)約保護應用系統(tǒng)，完成流域范圍6600余個地表水一級取水口上圖，實現(xiàn)對流域127個國家重點地表水水質(zhì)站的動態(tài)掌握，為保障流域省（自治區(qū)）用水提供了有力支撐。水行政執(zhí)法與河湖管理方面，建成水政執(zhí)法遙感應用系統(tǒng)、執(zhí)法巡查監(jiān)控系統(tǒng)和水事違法案件處置系統(tǒng)，實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)—跟蹤—處理”全過程閉環(huán)管理，形成“天上查、地上跟、網(wǎng)上辦”的信息化處理機制。工程建設與運行管理方面，開展水庫矩陣平臺和三維數(shù)字化場景構建。政務管理方面，完成黃委機關及委屬事業(yè)單位電子政務國產(chǎn)化改造，構建黃委國產(chǎn)化環(huán)境下統(tǒng)一的政務辦公平臺。同時，在防洪規(guī)劃、人事考核、水利監(jiān)督、安全生產(chǎn)、水文化建設等方面也建設了相應的應用系統(tǒng)，提供了有效的信息化支撐。推進人工智能大模型應用，建立政務、防汛、水庫矩陣管理檢索增強（RAG）知識庫，初步建成黃委統(tǒng)一水利大模型應用服務門戶，實現(xiàn)黃委辦公及業(yè)務問題智能檢索、交互問答、方案建議等。

黃河水旱災害防御四預系統(tǒng)

5.運行維護能力持續(xù)增強

初步建成了具備實時監(jiān)控、資產(chǎn)管理、可視化展示等功能的智能運維監(jiān)控平臺（見下圖），實現(xiàn)對832項信息基礎設施和重要業(yè)務系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理。云視訊平臺實現(xiàn)黃委與水利部及委屬118個單位的互聯(lián)互通，在鄭州“7·20”特大暴雨洪水、2021年黃河秋汛洪水、疫情防控等關鍵時期發(fā)揮了至關重要的作用。完成黃委網(wǎng)絡安全能力提升與IPv6網(wǎng)絡設備改造，核心網(wǎng)網(wǎng)絡安全基礎防御和監(jiān)測預警能力有效增強。開展核心網(wǎng)網(wǎng)絡資產(chǎn)清查，建立“白名單”準入制度。加強關鍵信息基礎設施和重要信息系統(tǒng)等級保護工作，完成黃委103個已建重要信息系統(tǒng)定級備案。建立黃委網(wǎng)絡安全通報機制，強化網(wǎng)絡安全日常監(jiān)測和重要時期防守。

智能運維監(jiān)控平臺

結語與展望

在回顧總結黃河信息化發(fā)展歷程的基礎上，結合當前數(shù)字孿生黃河建設現(xiàn)狀及問題，圍繞如何提升數(shù)字孿生黃河建設效能，研究提出信息采集、通信傳輸、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)開發(fā)、運行維護“全鏈條”建設思路，闡述了“全鏈條”的概念、框架及邏輯關系，對開展“全鏈條”各環(huán)節(jié)協(xié)同建設的目標及內(nèi)容進行了初步探討。簡述了近年來數(shù)字孿生黃河建設實踐成果，一定程度上驗證了“全鏈條”建設的實際成效。未來，聚焦“全鏈條”建設，如何全面提升數(shù)字孿生黃河建設效能，持續(xù)培育發(fā)展黃河流域高質(zhì)量發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，仍待進一步研究和完善。

Abstract: Building digital twin basins is a vital means of enhancing national water security. Accelerating the development of a digital twin Yellow River system equipped with forecasting, early warning, rehearsal, and contingency planning functions is an urgent requirement for implementing the national strategy of ecological protection and high-quality development in the Yellow River basin. It serves as a strong driver and support for advancing high-quality water conservancy development in the basin and improving water security capabilities in the new stage. By constructing the Digital Twin Yellow River, water management in the basin is being transformed toward digitalization, networking, and intelligent operations. This paper reviews the historical evolution of informatization in Yellow River governance, analyzes existing issues such as insufficient coordination among different stages of information systems, and clarifies the background, significance, and foundation of the “full-chain” construction of the Digital Twin Yellow River. Based on construction needs, a “full-chain” development concept encompassing information collection, communication transmission, data management, system development, and operation and maintenance is proposed. The core framework, logical structure, and key technologies are defined. The overall architecture includes building the digital twin platform, upgrading information infrastructure, developing “2+N” business applications, and improving network security and support systems. The paper further explores the synergy objectives and major tasks of each link in the “full chain”, aiming to create an integrated, coherent, and interconnected system. Preliminary achievements and practical experiences are presented to serve as a reference for planning and constructing digital twin systems for the Yellow River and other river basins.

KeywordsDigital Twin Yellow River; full chain; coordination; digital twin water conservancy; ecological protection and high-quality development of the Yellow River basin

本文引用格式：

于海泓.數(shù)字孿生黃河“全鏈條”建設思考與實踐[J].中國水利，2025（13）：14-23.

責編李博遠

校對董林玥

審核王慧

監(jiān)制趙洪濤

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應并做處理，再次感謝您的閱讀與關注。