数字孪生南水北调工程建设浅析

孙永平，侯 煜，侯召成

（1.中国南水北调集团有限公司，100097，北京；2.中国南水北调集团东线有限公司，100038，北京）

一、数字孪生技术发展

作为一种数字化理念和技术手段，数字孪生以数据与模型集成融合为基础与核心，通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射，基于数据整合与分析预测来模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程， 最终形成智能决策的优化闭环。 近年来，数字孪生技术在工业、城市管理等领域持续渗透， 并向交通、健康医疗等垂直行业拓展，实现机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等应用价值，成为经济社会产业数字化转型的通用技术之一。

从国家政策层面，数字孪生写入国家“十四五”规划，与大数据、人工智能、5G 等一并成为国家数字化战略中的新技术，成为推进经济社会数字化进程的重要抓手；从行业应用层面，数字孪生成为垂直行业数字化转型的重要赋能技术，在经济社会各领域的渗透率不断提升，行业应用持续走深向实；从市场前景层面，数字孪生存在巨大的发展空间；从企业主体层面，数字孪生被众多企业纳入战略规划，成为数字领域技术和市场竞争的新赛道。

二、数字孪生南水北调工程建设的必要性

作为国家战略性基础设施，南水北调工程是优化水资源配置、保障群众饮水安全、 复苏河湖生态环境、畅通南北经济循环的生命线工程，是国家水网工程的主骨架和大动脉，事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。 南水北调东中线一期工程全面通水7年多，已累计向北方输送水量超过540 亿m3， 直接受益人口达1.4亿人，在受水区供水安全、水生态保护、地下水超采治理等方面发挥了重要作用，现已成为京津冀豫鲁苏皖地区经济社会发展的生命线。

根据水利部推进数字孪生流域建设总体部署，南水北调工程被列入水利部重点推进的11 项数字孪生水利工程，2022年要初见成效。 数字孪生南水北调建设成为中国南水北调集团有限公司（以下简称南水北调集团）“十四五”时期信息化工作的重中之重。

三、建设目标及原则

“十四五”时期数字孪生南水北调工程建设总体目标：按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，贯彻“先进高效、实用适用、安全兼容”总原则，以数字孪生南水北调标准规范体系建设为引领，以总部信息系统深化设计和数据治理体系建设为驱动，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以工程线路为单元、国家水网为目标，通过建设一张物联感知网、一个数据治理湖、一朵计算存储云，构建国家水网一张图， 打造南水北调智慧大脑，基本建成数字孪生南水北调1.0 版，发挥数字化支撑保障、 驱动引领作用，提升集团公司治理体系和治理能力现代化水平。

建设原则有以下四个方面：

1.统筹规划，示范引领

按照大系统设计、分系统建设、模块化链接基本理念统筹数字孪生南水北调建设方案编制和整体建设工作，强化顶层设计，制定统一规范，构建功能完备、协调一致的数字孪生南水北调有机整体。 结合先行先试工作要求，根据需求迫切性、技术可行性、条件成熟性，选择典型工程开展技术攻关和试点示范，形成一批可复制推广的成果，以点串线带面推进数字孪生南水北调工程建设。

2.需求导向，突出重点

紧密围绕南水北调集团和各工程实际业务管理需求，以精确精准调水、确保“三个安全”为核心需求，深入分析业务现状、问题，针对东中线、引江补汉工程不同工程特性设定差异化重点建设任务，通过数字化的思维方式与技术手段，找准重点，突破难点，解决痛点，打造亮点，发挥信息化数字化手段对工程建设和运行管理的支撑、优化、提升能力，切实提升南水北调工程现代化治理水平和治理能力。

3.技术先进，安全可靠

要充分研究物联网、 云计算、大数据、 北斗卫星导航、5G、AI、BIM 等先进技术，深入探索南水北调业务融合应用场景，打造技术领先、功能完备、实用高效的数字孪生平台。 贯彻落实网络安全和数据安全等方面的法律法规要求，严格执行网络安全与信息化建设“同步规划、同步建设、同步运行”原则，确保数字孪生应用系统安全合规、运行可靠。 紧跟国家信创工作总体部署，积极稳妥推进国产自主可控技术应用。

4.集约共享，开放兼容

按照“整合已建、统筹在建、规范新建”总体要求，充分利用南水北调工程已有的信息采集、网络通信、计算存储等基础设施， 统筹考虑已有模型和知识体系对现有业务的支撑能力以及未来应用升级扩展需求，统一规划，集约建设。 基于统一标准体系推进数字孪生南水北调工程建设， 按照模块化链接的总体思路建设统一标准接口， 确保各工程段之间， 各工程与南水北调集团总部以及与数字孪生流域之间有效衔接、数据共享。

四、总体框架

1.总体布局

本次数字孪生南水北调工程建设范围主要包括中线工程、东线工程和引江补汉工程。 中线工程主要通过封闭式渠道全程自流输水，东线工程13 级泵站逐级提水北上，两线工程已全面建成通水运行超7年。 引江补汉工程是深埋长隧洞输水工程， 已于2022年7月开工建设。三段工程规模庞大、特点分明，为数字孪生南水北调工程提供了丰富的应用场景，同时也给建设统筹工作带来巨大挑战。

为一体推进各段工程数字孪生建设，构建有机融合的南水北调工程数字孪生体，本次建设工作采用“总体规划、分段建设、 统筹集成”的“总—分—总”建设模式，紧密围绕各段工程建设和运行管理需求，在集团统一组织下，各工程管理单位协同推进，基于统一规范标准和接口，链接、集成、共享各段工程数字孪生建设成果，结合当前工程管理体制，构建“1+3+5”分层次、立体化数字孪生南水北调工程体系（如图1 所示）。

图1 数字孪生南水北调工程体系

2.系统框架

数字孪生南水北调工程总体包括工程和集团两个层级建设内容。工程层级为基础， 侧重于相对功能完整、运行独立的数字孪生体建设，主要服务于工程建设和运行管理核心业务“四预”能力建设。 集团层级为平台， 侧重于建设成果的汇集共享与融合应用， 主要服务于集团对工程的统一监管和资源的共建共享。 依据水利部《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》，数字孪生南水北调工程总体框架包括信息化基础设施、数字孪生平台、典型应用，以及网络安全体系和保障体系等方面（如图2 所示）。

图2 数字孪生南水北调工程总体系统框架

3.重点建设内容

一是建设信息基础设施体系，为数字孪生南水北调业务应用提供完善的信息化基础支撑； 二是打造数字孪生平台和知识库； 三是构建功能完备的“四预”业务体系；四是建立横向到边、 纵向到底的网络安全体系；五是构建技术标准体系，保障数字孪生南水北调建设系统性、科学性和先进性。

五、实施路径

数字孪生南水北调建设是一项复杂的巨系统工程， 存在建设范围广、专业领域多、技术难度大、建设周期长等诸多挑战， 合理安排建设进度、统筹组织建设任务是确保建设工作有序实施、建设成果发挥实效的重要措施。 按照水利部关于数字孪生流域建设总体安排和先行先试工作具体要求，结合南水北调工程建设和运行管理实际，按照“边建设边应用、边示范边推广”的基本思路，将按照“打基础、上平台、强应用”三个阶段有序推进数字孪生南水北调建设。

1.打基础

①加强顶层设计。以数字孪生南水北调建设方案为重点， 同步开展集团总部信息系统深化设计， 编制数据治理总体方案， 开展技术标准建设， 为构建集团数字孪生平台奠定基础， 为后期建设工作开局起步搭好总体框架。

②抓好先行先试。 聚焦中线惠南庄泵站及上游部分渠道，东线洪泽泵站、邓楼泵站、邱屯枢纽，引江补汉勘察设计应用等典型工程和典型应用，启动先行先试工作，探索验证建设模式、实施路径、技术路线，2022年内初见成效。

2.上平台

①完成先行先试。完成先行先试工程建设任务， 初步实现试点工程数字化场景与实体工程的信息动态交互。 全面总结先行先试经验教训，完善数字孪生南水北调总体框架体系，分步实施、有序推进信息基础设施、数据孪生平台、业务应用等建设工作。

②推进平台建设。 面向全生命周期数字孪生南水北调工程建设，持续迭代、补充完善数字孪生南水北调工程建设技术导则和主要技术标准。 基本建成国家水网一张图和南水北调工程数据底板框架， 基本建成中线、东线、 引江补汉工程L3 级数据底板框架，建立数据互联互通和动态更新机制。 网络安全体系建设取得明显进展，重要数据保护达到要求。

3.强应用

①全面提升能力。 基本建成全生命周期数字孪生南水北调工程技术体系和全领域技术规范，并持续迭代演进。 天空地一体化监测感知体系更加完善，全域立体智能感知能力逐步形成。 网络通信覆盖面和传输能力有效支撑全域感知体系和数据互联互通，建成贯通不同管理层级的工程大数据中心体系。 多层次数据底板更加完善， 实现基础数据定期同步更新，监测监控数据实时或动态汇集，实现与水利部和地方水利数据底板建设的共建共享。 平台支撑体系和支撑能力日益增强， 重点扩展模型类型、积累数据样本、 增强模型服务能力，形成初具规模的专业模型库。 工程智能管理管控水平、“四预” 能力显著提升。 网络安全防护能力得到根本提升， 关键信息基础设施安全可控，建成重要数据保护体系。

②持续强化应用。 持续推进信息基础设施， 完善L2、L3 级数据底板，重点在水利专业模型、 智能模型、可视化模型等方面取得突破，强化模型库、知识库研究应用，构建具有南水北调特色的数字孪生应用，初步实现与确保“三个安全”、精确精准调水紧密相关的主要业务“四预”功能，打造南水北调智慧大脑，基本建成数字孪生南水北调1.0 版。

六、结 语

数字孪生南水北调工程建设是贯彻落实水利部党组数字孪生流域建设工作部署的具体实践， 是南水北调事业高质量发展的内生需求，是集团公司夯实国家水网建设国家队和领军者地位的重要技术保障，是集团公司作为国资央企履行政治责任、社会责任、经济责任的必然选择。 本文提出的建设目标、 建设原则、总体框架、实施路径，紧扣水利部关于数字孪生流域建设总体工作部署， 契合南水北调实际和建设及运行管理需要，可操作性强，具有良好的推广应用价值。 ■