科技日報記者 吳葉凡
“我們要運用科技手段，不斷提升雨水情監測、判斷能力。數字孿生技術是推動水利工程建設數字化轉型升級的重要抓手。”在近日舉行的第76期科學咖啡館活動上，主講人、中國水利水電科學研究院防洪抗旱減災工程技術研究中心原主任呂娟說。
近期，臺風引起的暴雨、洪水，給災害防御工作帶來挑戰。面對災害，數字孿生水利技術成為支撐防汛的堅實科技力量。
實時同步仿真
數字孿生技術以數字化方式描述物理實體，建立全息動態虛擬模型。通過虛擬模型對數據的仿真、模擬、分析，可實現對實體屬性和行為的監控、預測、控制。呂娟介紹，這一技術在航空航天、工業產品設計、工程全生命周期管理、城市建設等領域已有成熟應用。
具體到水利領域，數字孿生技術將大數據、云計算、人工智能等信息技術和水利業務深度融合，形成數字孿生水利。數字孿生水利將江河湖泊、水利工程實時映射到數字世界，提供精準預報、超前預警、快速預演、制定預案等服務，是防洪、水資源管理等水利工作的“智慧大腦”。
近年來，我國大力推進數字孿生水利建設。水利部印發《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》等文件，從數字孿生流域、數字孿生水網和數字孿生工程三個層面，推動數字孿生水利建設。其中，數字孿生流域是重點建設內容。“數字孿生流域是物理流域在數字空間的映射，它通過信息基礎設施和數字孿生平臺，實現與物理流域的同步仿真運行、虛實交互、迭代優化。目前，數字孿生流域在水利領域處于探索和推進階段。”呂娟說。
算法算力增強
對于數字孿生水利，聰明的算法和強大的算力至關重要。
“算法是數字孿生的‘心臟’，我們要不斷提升算法的精準度，讓模型能準確、科學反映水利系統的物理機制。”呂娟說。
這方面已取得積極進展。呂娟舉例說，中國水利水電科學研究院建立了數值模擬與人工智能雙引擎的城市洪澇模擬技術體系，實現對降雨產流—地表坡面匯流—管網匯流—河網匯流—防洪排澇工程調度的城市洪澇全過程一體化模擬，并且建立了一整套潰壩過程及下游洪水演進分析模型理論及快速分析技術。“這些模型可有效對洪澇災害進行模擬，實現對災害的快速預報預警。”呂娟說。
與此同時，在我國算力基礎設施建設不斷提速、算力規模不斷增長的背景下，數字孿生水利算力水平也進一步提升。“2014年國家投資2300萬元，用于山洪災害預警的高性能并行加速計算中試基地建設，為防洪抗旱及水利大規模并行加速計算和網絡化業務應用服務打下基礎。”呂娟說，“現在，我們能做到2分鐘一次的全國山洪溝水文模擬。”
技術落地見效
記者了解到，數字孿生技術已多次運用于防洪防汛。
在去年海河“23·7”流域性特大洪水期間，相關部門綜合利用氣象、水文、水動力等模型，對流域產匯流、洪水演進過程進行超前推演，精準預報永定河等洪水過程，提前3天做好東淀等蓄滯洪區啟用準備。
今年，數字孿生三峽1.0版在長江第1號、第2號洪水防御和團洲垸決口險情處置中得到應用。
“山東重點流域防洪聯合調度決策支持服務項目已升級為3.0版，‘以虛預實’功能可實現時效分析和孿生預演。同時，3.0版可提供模型高效智能模擬分析、智能感知、智能輔助決策服務。”呂娟說，不斷迭代的洪澇模擬技術和數字孿生技術可有效支持洪澇災害防御的各個場景或環節，助力防汛工作更高效、精準、科學。
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