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数字孪生流域建设技术大纲（试行）

（送审稿）

编制组

二0二二年二月

前 言

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出：构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。水利部党组高度重视智慧水利建设，提出智慧水利是新阶段水利高质量发展的显著标志和六条实施路径之一，要加快构建具有“四预”（预报、预警、预演、预案）功能的智慧水利体系。近期，水利部先后出台《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等系列文件，全面部署智慧水利建设，并将数字孪生流域建设作为构建智慧水利体系、实现“四预”的核心和关键。

数字孪生流域是一个全新的概念，其建设是一项复杂的系统工程，时间紧、任务重、难度大、要求高，涉及多家单位、多个层级、多项技术，必须加强组织，统筹协同推进，确保形成标准化、规范化、系统化有机整体，避免各自为政、低水平重复建设。为进一步明确建设任务和技术要求，水利部网络安全与信息化领导小组办公室组织编制了本大纲，对加快推进数字孪生流域建设起到规范实施和技术指导作用。

目 录

1 总则 1

1.1 定义 1

1.2 适用范围 1

1.3 目标 1

1.4 建设原则 2

2 框架与组成 4

2.1 框架 4

2.2 组成 4

2.2.1 数字孪生平台 4

2.2.2 信息基础设施 5

3 数字孪生平台 6

3.1 数据底板 6

3.1.1 数据资源池 6

3.1.2 数据模型 8

3.1.3 数据汇聚 8

3.1.4 数据治理 9

3.1.5 数据挖掘 9

3.1.6 数据服务 9

3.2 模型平台 9

3.2.1 水利专业模型 10

3.2.2 智能模型 10

3.2.3 可视化模型 11

3.2.4 数字模拟仿真引擎 11

3.3 知识平台 12

3.3.1 水利知识 12

3.3.2 水利知识引擎 13

4 信息基础设施 15

4.1 水利感知网 15

4.1.1 传统水利监测站网 15

4.1.2 新型水利监测网 16

4.2 水利信息网 16

4.2.1 水利业务网 16

4.2.2 水利工控网 17

4.3 水利云 17

4.3.1 一级水利云 17

4.3.2 二级水利云 18

4.3.3 工程管理单位计算存储 18

5 集成共享 20

附表 （规范性附表）数字孪生流域建设主要技术指标 21

1. 数据底板 21

2. 模型平台 23

3. 知识平台 30

4. 水利感知网 32

5. 水利信息网 36

6. 水利云 37

总则

定义

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映射、智能模拟、前瞻预演，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。

适用范围

本大纲主要适用于流域管理机构、省级水行政主管部门等开展大江大河大湖及主要支流、重点流域和重点区域的数字孪生流域建设。

本大纲为试行版本，将视实际情况适时调整完善。

目标

数字孪生流域建设总体目标是：按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，通过在水利一张图基础上建设完善数字孪生平台、提升信息基础设施能力，逐步建成大江大河大湖及主要支流、重点流域和重点区域的数字孪生流域，支撑“四预”功能实现和“2+N”智能应用运行，加快构建智慧水利体系，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。

具体目标是：

——算据方面。建成覆盖全国的L1级数据底板，主要江河流域和重点区域建成L2级数据底板，重点水利工程建成L3级数据底板，监测数据自动采集率明显提升，智能感知技术广泛应用，为智慧水利提供全面及时“算据”支撑。

——算法方面。建成模型平台和知识平台，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，为智慧水利提供智能实用“算法”服务。

——算力方面。实现县级及以上水利单位水利业务网全覆盖，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，实现计算存储资源按需分配、弹性伸缩，为智慧水利提供安全可靠“算力”保障。

建设原则

顶层设计，分步建设。按照《智慧水利建设顶层设计》要求，系统谋划，并根据需求迫切性、技术可行性、条件成熟性，有重点、有步骤、分阶段开展技术攻关和试点示范，形成一批可复制推广的成果，以点带线到面。

统筹推进，协同建设。按照“全国一盘棋”思路，建立健全水利部本级、流域管理机构和地方水行政主管部门、工程管理单位协作推进和共建共享体制机制，强化全流程各环节管理，加强各方面的技术衔接。

整合资源，集约共享。按照“整合已建、统筹在建、规范新建”要求，充分利用现有的信息采集、网络通信、计算存储等基础设施及国家新型基础设施，有针对性补充完善升级，实现各类资源集约节约利用和互通共享，避免重复建设。

更新迭代，安全可控。按照“边建设、边应用”思路，不断进行升级迭代。根据网络安全有关要求，加强水利关键信息基础设施安全防护，强化国产软硬件应用，不断提升网络安全风险态势感知、预判、处置与数据安全防护能力。框架与组成

框架

数字孪生流域主要由数字孪生平台和信息基础设施两部分构成，其架构及与智慧水利关系如下图所示。

图2-1 智慧水利总体框架

各组成部分建设的主要技术指标具体参见附表，具体内容可根据实际业务应用需求扩展补充。

组成

数字孪生平台

数字孪生平台主要由数据底板、模型平台、知识平台等构成。

数字孪生平台各组成部分功能与关联为：数据底板汇聚水利信息网传输的各类数据，经处理后为模型平台和知识平台提供数据服务；模型平台利用数据底板成果，以水利专业模型作为前瞻预演的重要技术手段进行计算和推理，智能模型利用人工智能方法进一步提升水利业务前瞻性预演能力，利用模拟仿真引擎模拟和分析物理流域的运行状态和发展趋势，并将以上环节通过可视化模型动态呈现；知识平台汇集数据底板产生的相关数据、模型平台的仿真计算结果、历史水利知识，经水利知识引擎处理形成知识图谱以满足水利业务“四预”应用需求。

信息基础设施

信息基础设施主要由水利感知网、水利信息网、水利云等构成。

信息基础设施各组成部分功能与关联为：水利感知网负责采集数字孪生流域所需各类数据；通过水利信息网将数据传输至数字孪生平台数据底板；水利云平台负责数据的存储和计算。

数字孪生平台

数字孪生平台基于信息基础设施，利用数字仿真等技术，对物理流域全要素进行数字映射，通过模型平台和知识平台完成水利治理管理活动全过程的智能模拟和前瞻预演，支撑水利业务“四预”功能实现。

数据底板

数据底板应在水利一张图基础上升级扩展，完善数据类型、数据范围、数据质量以及优化数据融合、分析计算等功能。主要包括数据资源池、数据模型、数据汇聚、数据治理、数据挖掘和数据服务等内容。

数据资源池

数据资源池包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等内容。

数据的时间基准应采用北京时间；空间基准应采用2000国家大地坐标系（CGCS2000）；高程基准宜采用1985国家高程基准。

（1）基础数据

基础数据包括流域、河流、湖泊、水利工程、水文等各类水利对象的主要属性数据和空间数据。

（2）监测数据

监测数据包括雨情、水情、工情、水质、泥沙、灾情、地下水位、取用水、墒情、水利工程安全运行监测、视频等各类数据。

（3）业务管理数据

业务管理数据包括流域防洪、水资源管理与调配等“2+N”业务应用数据。

（4）跨行业共享数据

跨行业共享数据包括需从其他行业部门共享的经济社会、土地利用、生态环境、气象、遥感等相关数据。

（5）地理空间数据

地理空间数据是数据底板建设的重点，主要包括DOM（Digital Orthophoto Map，数字正射影像图）、DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）、倾斜摄影模型、水下地形、BIM（Building Information Model，建筑信息模型）以及相关水利专题等内容。按照数据精度和建设范围分为L1、L2、L3三级。

L1级主要是进行数字孪生流域中低精度面上建模，主要包括全国范围的DOM和DEM以及局部区域高精度DEM等数据。

L2级是在L1级基础上，结合流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理的要求，重点采用倾斜摄影等方式获取重点区域精细地表信息，进行数字孪生流域重点区域精细建模，主要包括高分辨率DOM、高精度DEM、倾斜摄影模型、水下地形以及河湖管理范围和水土保持重点对象精细化专题等数据。

L3级在L1、L2级基础上进行数字孪生流域关键局部实体场景建模，重点覆盖重要水利工程坝区、库区及其下游影响区域，主要包括航空DOM、高精度DEM、倾斜摄影模型、水下地形、BIM等数据。详见《数字孪生水利工程建设技术导则》。

数据模型

多维多尺度时空数据模型包括水利数据模型、水利网格模型、水利工程BIM模型。

水利数据模型是面向水利业务应用多目标、多层次的复杂需求，构建的完整描述水利对象的空间特征、业务特征、关系特征和时间特征一体化组织的数据模型。

水利网格模型是根据行政区划、自然流域、水资源功能区和数值计算等需求建设的网格化管理模型，实现流域防洪、水资源管理与调配等水利网格化感知联动。

水利工程BIM模型是重要建筑设施、机电设备BIM的融合成果。

数据汇聚

数据汇聚通过构建涵盖业务数据汇集、视频级联集控、遥感接收处理等数据管理的平台化能力，为数字孪生流域提供数据支撑。

业务数据汇集实现覆盖主要业务数据资源汇集调度的统一管控，满足汇集重要业务数据的需求。

视频级联集控实现跨层级水利视频联网，并与现有水利视频会议系统互联互通支持多级应用。各级应接入本级所辖现有水利视频资源，推进接入其他部门共享视频，对于重点区域或重点工程视频监控能力不足的，进行补充建设实现对重点对象或突发涉水事件的在线视频查看。

遥感接收处理在现有卫星遥感数据统一管理基础上完善，为各级水利业务应用提供数据级和产品级服务。各具体业务应用可在此基础上，根据实际需求建设遥感应用系统。

数据治理

数据治理对汇集后的多源数据进行统一管理，提升数据的规范性、一致性、可用性，避免数据冗余和冲突。包括水利数据标准编制、数据血缘关系建立、数据质量评价体系构建、数据开发管理、数据安全管理等。

数据挖掘

数据挖掘通过图形、图像、地图、动画等方式展现数据中存在的关系、特征或趋势。包括描述性、诊断性、预测性和因果性分析等功能。

数据服务

数据服务依托已有国家和水利行业的数据共享交换平台，实现各类数据在各级水利部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的共享。包括地图服务、数据资源目录服务、数据共享服务和数据管控服务的完善等。

模型平台

按照“标准化、模块化、云服务”的要求，模型平台宜采用三层框架，并以微服务方式提供统一调用服务，建立模型的通用化开发封装技术及模型的标准化接口，供各级单位进行调用，实现跨级共享。主要包括水利专业模型、智能模型、可视化模型和数字模拟仿真引擎。

水利专业模型

水利专业模型主要有水文模型、水力学模型、泥沙动力学模型、水资源模型、水环境模型、水土保持模型、水利工程安全模型等。水文模型主要包括降雨预报、洪水预报、冰凌预报等；水力学模型主要包括洪水演进、河口演变、工程联合调度、流域降水径流模型等；泥沙动力学模型包括坡面产流产沙、沟坡区重力侵蚀、水库淤积、沟道水沙演进等；水资源模型主要包括水资源量分析评价、水资源调配模拟、水资源承载力评价、区域与行业节水潜力评估、用水效率评价、地下水水量数值模拟、地下水超采分析评价、水资源管理调度模拟等；水环境模型主要包括污染物输移扩散、水生态模拟等；水土保持模型包括土壤侵蚀预报、 淤地坝洪水预报等；水利工程安全模型主要包括建筑物安全评价和引水、蓄水、输水方式安全等。

水利专业模型组件的划分原则：每个模型组件涉及的角色尽量单一；模型组件内部各对象的关联度尽量最大；各模型组件之间的耦合度尽量低。

智能模型

智能模型是将人工智能与水利业务场景相结合的创新性方法，实现对水利对象特征的自动识别、规律发现或趋势预测，进一步提升水利业务前瞻预演能力。

智能模型包括智能分析模型和智能识别模型。智能分析模型包括利用AI等技术从海量数据中发现复杂规律/模式，进行分析预测的水利大数据分析模型，以及应用AI技术对传统水利专业模型进行升级改造的智能化水利模型。智能识别模型是利用机器学习等算法从遥感、视频、音频等数据中实现对水利对象特征自动识别，包括遥感识别、视频识别、语音识别等。

可视化模型

可视化模型主要包括自然背景、流场动态、水利工程、水利机电设备、“四预”过程等，真实展现物理流域中各种水利业务场景。其中，自然背景包括河流、湖泊、侵蚀沟、地下湖、地下河、植被、建筑、道路等；流场动态包括水流、泥沙运动、潮汐、台风等；水利工程包括水库、水闸、堤防、水电站、泵站、灌区、调水、淤地坝、坡耕地等；水利机电设备包括水泵、水闸等；“四预”过程包括预报、预警、预演、预案。

数字模拟仿真引擎

数字模拟仿真引擎以数据底板为基础，以虚拟现实（VR，Virtual Reality）、增强现实（AR，Augmented Reality）、混合现实（MR，Mixed Reality）和全息现实（HR，Holographic Reality）为支撑，实现数字孪生流域与物理流域同步仿真运行，包括模型管理、场景配置、模拟仿真等功能。

知识平台

知识平台利用机器学习等技术感知水利对象和认知水利规律，为数字孪生流域提供智能内核，支撑正向智能推理和反向溯因分析，主要包括水利知识和水利知识引擎。

知识平台应关联到可视化模型和仿真引擎，做到各类信息之间关系的可视化和知识推理结果的可视化。

水利知识

水利知识以知识图谱为技术框架，融入预报调度方案、业务规则、历史场景和专家经验，为决策分析提供知识依据。

预报调度方案库是根据物理流域特点、水利工程设计参数、影响区域范围等，结合气象预报、水文监测、工程安全监测等信息，通过对历史典型洪水预报、水资源调度预案的信息自动化、文本化和知识化处理，结合预案关键信息检索与索引，构建迭代式预报调度方案库，主要包括方案标准化、调度规则管理、调度流程创建等。

知识图谱库用于描述真实世界中的江河水系、水利工程和人类活动等实体、概念及其关系，实现水利业务知识融合。通过对水利行业的相关知识进行结构化分类，便于领域知识的快速检索和定位。主要包括水利知识表示、水利知识抽取、水利知识融合、水利知识推理以及水利知识存储。

业务规则库通过将业务文档内容结构化处理，形成一系列可组合应用的结构化规则集。主要包括业务法律法规、规章制度、技术标准、管理办法、规范规程等规则抽取、规则表示、规则管理等。

历史场景库是通过对历史场景发生的关键过程及主要应对措施进行复盘，基于场景目标确定主题，挖掘提取历史过程相似性形成的历史事件典型时空属性及专题的特征指标组合，通过推演分析不同场景下的演变场景，为同类事件的精准决策提供知识化依据。 主要包括调度执行方案数字化和暴雨洪水特征挖掘等。

专家经验库是基于专家经验决策的历史过程，通过文字、公式、图形图像等形式固化专家经验，结合AI算法，形成专家经验主导下的融合元认知知识，实现经验的有效复用和持续积累，促进个人经验普及化、隐性经验显性化。主要包括重点流域历史场景预报调度经验挖掘、过程再现、经验验证、经验修正等。

水利知识引擎

水利知识引擎主要实现水利知识表示、抽取、融合、推理和存储等功能。知识表示利用人机协同的方式构建水利领域基础本体和业务本体，实现陈述性和过程性知识表示；知识抽取采用迁移学习和监督学习等方法，结合场景配置需求和数据供给条件，构建实体—关系—属性三元组知识，对水利领域实体类别及相互关系、领域活动和规律进行全方位描述；知识融合针对多源知识的同一性与异构性，构建实体连接、属性映射、关系映射等融合能力；知识推理通过监督学习、半监督学习、无监督学习和强化学习等算法，构建水利推理性知识；知识存储采用图计算引擎管理和驱动水利知识，实现超大规模数据存储。 信息基础设施

信息基础设施按照“整合已建、统筹在建、规范新建”原则统筹规划，提升对物理流域状态进行监测和智能感知的能力，加强存储和计算资源的集约化利用，为水利业务应用提供基础支撑环境。主要技术指标具体参见附表。

水利感知网

水利感知网应围绕数字孪生和“2+N”水利业务应用需求，利用传感、定位、视频、遥感等技术，扩大对物理流域的监测范围，补充完善监测要素类型和数据内容，实现感知物联化。主要包括传统水利监测站网和新型水利监测网，宜采用有线、无线等专网为主，北斗短报文、6G、5G、NB-IoT、ZigBee、LoRa等为辅的通信方式，与水利信息网建立安全连接。在时间敏感、数据敏感或带宽资源占用巨大的监测告警、智能图像、增强现实等物联网应用场景中宜构建边缘计算网络，与集中云平台等计算资源互联互通，有机结合。

传统水利监测站网

通过加强水文基础设施建设、优化水土保持监测站点布局、开展中小型水库水文监测预警设施建设等完善水文监测体系，升级改造传统监测系统，增设监测要素、增加数据传输频次，推进自动在线监测，实现信息采集提档升级。

应结合业务应用需求进一步完善现有监测站网雨情、水情、工情监测站点，合理新建站点，考虑模型和参数率定等因素，明确各类数据采集方式、采集范围、采集频次。

新型水利监测网

加强卫星遥感、高清视频、无人机、无人船、地面机器人、水下机器人等新型监测手段应用，提升水利管理活动的动态感知能力，满足水利业务对数据和信息在空间尺度、时间频次等方面的需求。

除日常业务场景外，还应根据应急情况下快速掌握溃坝、决堤、滑坡、堰塞湖及超标洪水等险情信息能力的迫切需求，进一步提升水利应急监测装备能力。

水利信息网

水利信息网主要包括水利业务网和水利工控网。

水利业务网

水利业务网包括广域网、城域网、部门网，其中广域网包括骨干网、流域省区网、地区网等。应充分利用现有各级国家电子政务外网和水利业务网，通过租赁专线、自建光纤、卫星通信等多种方式，扩展网络覆盖范围，提高网络带宽，实现水利部本级、流域管理机构、各地水行政主管部门与相关单位的全面互联，支持日常通信传输和应急通信服务保障。

依托骨干网和流域省区网，开展水利信息网通信能力提升建设，优化调整网络结构，进行IPv6适配改造。扩大互联网连接带宽，支撑与社会公众、企业的信息交互与服务。整合共享互联网接入，缩减互联网接入端口数量。

充分考虑面向下一代网络和扩容需求，积极利用网络新技术优化网络结构、增强资源动态调配能力。在实现互联互通的基础上，按照业务应用需求对网络流量进行自适应引导和质量保证，提高业务灵活调度能力，实现好用、管用。

水利工控网

水利工控网详见《数字孪生水利工程建设技术导则》。

水利云

水利云可采用政务云和专有云相结合方式，主要包括一级水利云、二级水利云及水利工程管理单位计算存储资源。

一级水利云

基础计算与存储

应实现计算、存储资源按需弹性分配和软件定义网络，提供云 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 态及溃口流量、淹没区的水位及淹没范围监测

现场人工监测

适时某某



37







水资源节约与保护

突发水污染、水生态事件发生地的水质、水生态情况监测

现场人工监测

适时某某



水利信息网

序号

建设主体

建设内容

指标参数/技术要求



1

水利部/流域管理机构

水利业务网

广域网

骨干网

带宽≥200Mbps，全面支持IPv6互联，支持资源动态调配。



2







流域省区网

带宽≥100Mbps，全面支持IPv6互联，支持资源动态调配。



3







地区网

带宽50~100Mbps



4





城域网

覆盖各级直属单位



5





部门网

***区，连接水利骨干网、互联网和国家电子政务外网



水利云

序号

建设主体

建设内容

指标参数/技术要求



1

水利部/流域管理机构

一级水利云

水利部：具有不少于4000颗CPU处理器，不少于150PB存储能力；

流域管理机构：根据数字孪生流域的算力需求补充。



2



二级水利云

-





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