從高空俯瞰，南水北調(diào)中線一期工程如一條長龍，穿山越河，迤邐而來。數(shù)字孿生南水北調(diào)中線建設(shè)賦予了這條長龍新的內(nèi)涵，它變得更具生命力更加安全、智慧、從容、智能。數(shù)字孿生賦能的這條中線，與實體工程完美融合相輔相成，中線一期工程如獲重生，羽翼豐滿，工程運行管理如虎添翼，南水北調(diào)工程安全、供水安全、水質(zhì)安全綜合保障能力大幅度提升。

打造數(shù)字孿生南水北調(diào)，是中國南水北調(diào)集團深入貫徹落實習(xí)近平總書記重要講話重要指示批示精神的實際行動。近年來，中國南水北調(diào)集團積極融入現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢，加快建設(shè)數(shù)字孿生南水北調(diào)，圍繞“安全監(jiān)管、智能調(diào)度、水質(zhì)保護、智能運維”業(yè)務(wù)領(lǐng)域，建設(shè)了數(shù)字孿生南水北調(diào)中線一期1.0版，在多維空間賦能中線，已經(jīng)在多個典型業(yè)務(wù)場景中發(fā)揮實效, 入選數(shù)字孿生水利建設(shè)十大樣板。              

數(shù)字賦能后的中線更具生命力 

南水北調(diào)工程是實現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。截至目前，中線工程輸水超過620億立方米，直接受益人口超過1.08億，是沿線26座大中城市200多個縣市區(qū)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的生命線。 

數(shù)字孿生水網(wǎng)是以物理水網(wǎng)為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理水網(wǎng)全要素和建設(shè)運行全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理水網(wǎng)同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，實現(xiàn)對物理水網(wǎng)的實時監(jiān)控、聯(lián)合調(diào)度、風(fēng)險防范。 

中線一期工程全長1432公里，橫跨長江、淮河、黃河、海河四大流域，規(guī)模宏大、輸水過程狀況復(fù)雜、控制節(jié)點多、技術(shù)要求高，且渠道蓄水能力有限，依靠沿線上百座節(jié)制閘，中國南水北調(diào)集團中線公司（以下簡稱“中線公司”）對全線輸水進行統(tǒng)一調(diào)度，保障總干渠安全運行。 

通過數(shù)字孿生科技賦能中線工程，使其具備完善感知能力和自主學(xué)習(xí)能力，運行管理更加智能化。面對突如其來的自然災(zāi)害，能夠迅速集成應(yīng)用時空數(shù)據(jù)和高性能算力平臺，實現(xiàn)在數(shù)字世界中感知、模擬和預(yù)測中線工程的運行狀態(tài)，達到預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等功能，確保輸水調(diào)度更加科學(xué)精準和安全，全面提高中線工程應(yīng)對自然災(zāi)害的防護能力。 

中線一期工程正式通水以來，中線公司積極推進信息化建設(shè)，加快布局物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的應(yīng)用，形成了覆蓋工程安全、供水安全、水質(zhì)安全和企業(yè)經(jīng)營管理各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息化體系，積累了大量的監(jiān)測及運行管理數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生中線工程建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。 

按照水利部“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總體要求，中線公司形成了長距離引調(diào)水工程典型建筑物的工程安全結(jié)構(gòu)分析、工程防洪、跨流域多水源多目標聯(lián)合調(diào)度、長距離明渠輸水工程水質(zhì)保護、冬季輸水安全保障等典型智慧應(yīng)用場景，為工程運行打造了一個智慧管理的大腦，中線一期工程擁有了更加強大的生命力。 

數(shù)字賦能后的中線更加安全 

中線一期工程沿線布設(shè)10萬余支（套）各類監(jiān)測感知設(shè)備和1萬余臺視頻安防攝像頭，這些監(jiān)測設(shè)備形成了海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)。“以前，這些數(shù)據(jù)僅僅停留在本身。現(xiàn)在，數(shù)字孿生中線安全監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用集成了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)理統(tǒng)計預(yù)警預(yù)測模型和基于機理驅(qū)動的結(jié)構(gòu)仿真分析模型，徹底盤活了數(shù)據(jù)。”中線公司科技管理部郝澤嘉說。 

借助這兩套模型，中線公司工作人員可以在千里之外可視化分析展現(xiàn)全線的重點建筑物安全風(fēng)險變化過程，對異常安全監(jiān)測點預(yù)測和預(yù)警提示，對關(guān)鍵監(jiān)控指標進行模擬計算和結(jié)構(gòu)安全性態(tài)評估，實現(xiàn)各類調(diào)度工況工程運行狀態(tài)的安全復(fù)核等。 

“數(shù)字孿生中線安全監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用提升了工程安全分析預(yù)警水平，精準服務(wù)了安全運管的業(yè)務(wù)需求。”郝澤嘉說。在55公里的示范段，中線公司充分應(yīng)用三維可視化孿生引擎，可以更為直觀地掌握建筑物的運行性態(tài)。依托工程安全模型，有效支撐輸水調(diào)度、應(yīng)急退水以及交叉建筑物洪水過流安全影響的動態(tài)復(fù)核計算分析和建筑物結(jié)構(gòu)安全復(fù)核分析。 

“數(shù)字孿生中線工程防洪業(yè)務(wù)應(yīng)用則提升了中線公司對洪水的預(yù)報預(yù)測能力，預(yù)報更加精準，為工程防洪決策提供重要支撐。”中線公司工程維護部副主任郝一峰說。通過接入國家氣象中心和水利部信息中心的降雨、水庫調(diào)度、河道水勢等水文數(shù)據(jù)，以產(chǎn)匯流模型和河道水動力學(xué)模型等專業(yè)模型為引擎，中線公司構(gòu)建了洪水預(yù)報模型、洪水演進模型，實現(xiàn)了“降雨-產(chǎn)流-匯流-演進”全鏈條應(yīng)用，構(gòu)建起防汛“四預(yù)”功能。 

2021年河南鄭州發(fā)生“7·20”特大暴雨洪水災(zāi)害，中線公司利用數(shù)字孿生平臺開展全過程模擬，計算洪水到達時的水情，給出預(yù)警提示，并推薦處置措施，為復(fù)盤總結(jié)防洪處置經(jīng)驗創(chuàng)造了條件。 

數(shù)字賦能后的中線更加智慧 

“中線工程運行管理以來，我們一直在探索輸水調(diào)度模式，不斷優(yōu)化輸水調(diào)度方案，初步構(gòu)建了一套自動化輸水調(diào)度系統(tǒng)。”中線公司總調(diào)度中心靳燕國說。

隨著中線工程供水目標逐步增加，針對輸水調(diào)度重點和難點，中線公司研發(fā)了數(shù)字孿生中線智能調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用，集成水情數(shù)據(jù)智能清洗模型、自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型、一維水動力快速精準仿真模型3個模型，初步具備自主生成目標方案、輸水狀態(tài)的仿真預(yù)演和水力效果的調(diào)控模擬等能力，不僅能夠根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行自主水情數(shù)據(jù)的智能清洗、穩(wěn)態(tài)識別，還可以對重要水力參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)進行自動反演。 

“過去，中線工程各類調(diào)度方案需要憑借經(jīng)驗，全面把握中線輸水特點，人工計算完成。現(xiàn)在，智能調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺隨時對中線工程渠道輸水能力進行評估，只要輸入預(yù)設(shè)的輸水工況和計算區(qū)間，它便會自動計算區(qū)間內(nèi)各斷面的流量和水位，根據(jù)水位對調(diào)度方案進行動態(tài)調(diào)整。”靳燕國高興地說，“這套系統(tǒng)不僅科學(xué)指導(dǎo)日常調(diào)度方案，配合建筑物局部檢修，還能優(yōu)化供水方案提質(zhì)增效，如今人人都是專家！” 

數(shù)字孿生中線冰期輸水業(yè)務(wù)應(yīng)用效果最為顯著。它集成了統(tǒng)計學(xué)模型、預(yù)報和精細模擬兩套模型，在水溫和冰情預(yù)測預(yù)報上互為參考，相互驗證，不僅可以預(yù)測預(yù)報未來3天、5天、7天、10天、15天的各渠段位置的水溫、冰情，還可以在達到臨界值時及時預(yù)警，模擬不同輸水工況下的氣溫、水溫和冰情，探索無冰輸水的邊界條件。 

首先，它能夠根據(jù)水溫預(yù)測情況，確定冰期輸水的起止時間，優(yōu)化調(diào)度方案，大幅提升中線工程冬季輸水能力。截至2月29日8時，中線公司通過預(yù)測預(yù)報模型動態(tài)優(yōu)化調(diào)度方案，實現(xiàn)冰期供水16.9億立方米，比計劃多供水3.4億立方米。其次，它能夠根據(jù)水溫、冰情的預(yù)測預(yù)報，控制融冰、擾冰設(shè)備的啟閉和應(yīng)急隊伍的進退場時間。最后，它提升了冰期防范應(yīng)對工作的科學(xué)性和精準性。2023年12月12日至23日，中線工程沿線多地出現(xiàn)低溫歷史極值，模型預(yù)測的未來3天水溫與實際水溫平均差值在0.35攝氏度以內(nèi)。  

數(shù)字賦能后的中線更加從容 

中線水質(zhì)安全關(guān)乎超1.08億人民群眾的飲水質(zhì)量。 

數(shù)字孿生中線水質(zhì)保護業(yè)務(wù)應(yīng)用基于已建的水質(zhì)監(jiān)測-預(yù)警-調(diào)控決策支持綜合管理平臺，動態(tài)掌握中線水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)污染物擴散模擬和應(yīng)急調(diào)控舉措在數(shù)字化場景中的仿真再現(xiàn)，集成了水質(zhì)預(yù)測、污染物擴散模擬及退水3套模型。 

“有了這個應(yīng)用平臺，我們擁有了中線13個水質(zhì)監(jiān)測自動站、30個固定監(jiān)測斷面以及丹江口庫區(qū)共享的7個水質(zhì)自動監(jiān)測站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以預(yù)測全線水質(zhì)9項指標未來7天的水質(zhì)變化情況。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)一旦超過臨界值，將自動預(yù)警。”中線公司水質(zhì)與環(huán)保中心劉信勇說。 

借助這個應(yīng)用平臺，中線公司可以對全線 1059座橋梁、69個左排跨渠渡槽、20類238種污染物進行預(yù)演，在線計算演進過程，自動生成處置預(yù)案，推薦應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。 

過去，一旦發(fā)生水質(zhì)污染突發(fā)事件，現(xiàn)場人員需要找專家，查資料，協(xié)調(diào)退水閘等等，形成處置方案需要花費大量時間。劉信勇說，現(xiàn)在，業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺會對現(xiàn)場應(yīng)急物資倉庫、退水線路等作出最佳選擇，自動推送應(yīng)急處置方案，“拿到處置方案最快只需要三分鐘，應(yīng)急變得更加從容不迫！” 

數(shù)字賦能后的中線更加智能 

利用AI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù)，中線公司構(gòu)建數(shù)字孿生中線智能運維業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)了供電、機電金結(jié)等設(shè)備運行及風(fēng)險狀態(tài)趨勢分析研判，能夠從主動性、計劃性和預(yù)防性的角度提出運行維護建議，降低設(shè)備運行風(fēng)險。 

以惠南莊泵站試點為例，基于泵站設(shè)備綜合風(fēng)險分析及劣化分析模型，依托在泵站機組安裝的440余個振動傳感器、溫度傳感器、水壓傳感器、流量計、轉(zhuǎn)速傳感器，可以實時評估、預(yù)測關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)，為維護人員提供動態(tài)維護建議。 

基于金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險分析模型，能夠?qū)崿F(xiàn)在閘門動作過程中對閘門運行風(fēng)險的實時監(jiān)測和預(yù)測，集成視頻智能識別模型，輔助日常水位監(jiān)視，為惠南莊泵站園區(qū)安防管理提供有力支撐。基于惠南莊泵站流量優(yōu)化分配模型，可以對泵站運行方案進行不斷優(yōu)化…… 

數(shù)字孿生南水北調(diào)建設(shè)運營任重而道遠。中國南水北調(diào)集團將牢記習(xí)近平總書記的囑托，加快推進數(shù)字孿生南水北調(diào)建設(shè)和迭代升級，通過數(shù)字賦能推進實現(xiàn)高端化、智能化、綠色化發(fā)展，全面助力南水北調(diào)“三個安全”，確保工程發(fā)揮更大的社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和安全效益，全面提升國家水網(wǎng)大動脈的安全保障能力。