數字孿生 智慧賦能 共護河湖——四川成都市智慧水務建設探索與實踐
2023年11月13日 18時35分來源: 四川河湖微信公眾號【字體：大 中 小】
摘要：保護江河湖泊、全面推行河長制，事關人民群眾福祉，是推動成渝地區雙城經濟圈建設的重要保障，而保護治理工作是一個龐大復雜的系統工程，“如何依托現代信息技術變革治理理念和治理手段賦能河長制管理”成為實現社會主義現代化道路上的必答題。為深入貫徹“十六字”治水思路，全面鞏固擴展智慧水務發展成果，以智慧化驅動河長制高效管理，成都市整合多方資源，著手推進水務智慧化建設，不斷探索優化，并逐步探索出了一條數字孿生驅動河長制管理工作新模式，全面實現了“智慧”管水、“智慧”護水。
關鍵詞：成都 河長制 數字孿生 智慧化
引言：成都市深入踐行“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水思路，以建設踐行新發展理念的公園城市示范區為統領，以構建水務高質量發展戰略格局為抓手，以“全域感知、動態監測、精準調控、協同管理和高效應用”為導向規劃布局智慧水務體系，以“謀頂層架構、建標準規范、強統籌推進、布神經感知、筑數據支撐、強應用賦能”為抓手，構建數字孿生為底座的智慧水務平臺，賦能河長制精細化管理，協力提升超大城市敏捷治理、科學治理水平。
一、背景情況
成都位于長江上游，屬長江流域岷沱江水系，岷江及沱江干流穿越市境，都江堰灌區渠系與自然水系縱橫交錯形成了成都平原水網。2017年2月，成都市委市政府深入貫徹落實習近平生態文明思想，積極踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，全面推行河長制，建立市、縣、鄉、村4級河長體系，并設立“河道警長”，全市河流、水庫、渠道、山溪溝全部納入河長制管理范圍。
但在工作過程中，逐漸暴露出一些問題：一是監測感知站網覆蓋不全面、監測感知手段不智能。各類水務信息獲取主要依靠自下而上的逐級人工填報和審核來完成，不能利用信息手段和信息管理系統精準、及時、發現問題，沒有實現動態管理。二是數據資源支撐不夠，地理空間數據不完善。存在縱向上市、區（縣）匯集困難、橫向上數據對接不通暢等問題，造成數據資源分散、更新機制缺失、開發利用率低等問題。三是業務系統建設不全面、應用智能化不達標。目前一些河長制管理業務方面還未建設應用系統，標準規范不統一，缺少智慧化管理手段。因此，如何進一步提高河長制管理工作效率，促進人工管理向智慧化管理轉化成為亟待解決的問題。
二、主要做法
2019年，成都市優化制定了智慧水務頂層設計方案，確定了“全域感知、動態監測、精準調控、協同管理和高效應用”建設目標，明確了“水資源、水安全、水生態、水凈化、水管理、水文化”六大模塊建設內容。2020年，智慧水務正式啟動建設，按照“三統三分”的建設模式，即“統一規劃、統一標準、統籌項目、分工負責、分塊實施、分步推進”，統籌錦江水生態治理智慧管理項目、九道堰流域信息化建設項目和基層防汛預警等涉水信息化項目，全面啟動智慧水務建設。2022年，制定《成都市“十四五”智慧水務發展規劃》，推進以數字孿生為驅動的智慧水務體系建設，賦能河長制智慧化管理。
（一）強化智能互聯，建設空天地一體水務感知網絡
建設統一物聯感知平臺，通過“共享+自建”的方式結合，完善外場感知點位。目前已接入生態環境、公安、水文等部門和水務自建的外場感知監測站，包括：水質監測站276個、視頻站18萬余個、水位流量站301個、水庫水位站281個、雨量站1445個、下穿隧道189個、管道監測2698個、無人機2臺、單兵50臺、無人船1艘，基本實現多目標、多要素的實時在線感知監測。
（二）夯實數據底板，打造融合共享的數字孿生基座
建成融合共享的水務智慧大腦，全面打造全域智慧流域總框架、總平臺、總中樞、總核心。
1.建設成都水系一張圖，采用人工與程序、內業分析與外業踏勘相結合的方式，形成一套空間覆蓋全面、屬性填寫完整的基礎數據，錄入全量河流（525條）、斗渠以上渠道（2726條）、山溪溝（445條）、全量水庫（235座，含省管紫坪鋪水庫、張家巖水庫和磨兒潭水庫3座）、重點塘壩（44座）、過河橋梁（3428座）、人工湖（43座）、水電站（302座）、水閘（1937座）。
2.完成數據匯聚與共享，堅持以業務需求為導向，以“無條件歸集、有條件共享”為原則，全面推進水務數據資源集約共享開放，匯聚全量動態監測、業務管控、視頻監控等海量數據。共匯集水務數據4780GB，數據庫存儲總量6.87億條，形成206條資源目錄，向外部單位及各區（市）縣和局內各處室，提供共享接口累計調用1.1億次。
3.構建數字孿生模型平臺。搭建三維可視化模型、水利專業模型、智能識別模型三類模型引擎，建設沱江水文預警、中心城區網格化降雨預報、中心城區內澇預測等專業模型，建設L2級河道和L3級水利工程設施的三維模型底座，建設視頻分析智能識別模型，為各類應用提供三維可視化、預測預報分析等共性支撐。
4.構建水務專業知識平臺。利用知識圖譜和自然語言處理等技術，實現對水務關系、規律等知識的抽取、管理，構建預案、物聯感知、標準知識庫，為水務知識查詢和關聯關系分析提供輔助支撐。
（三）聚焦業務核心，構建協同創新的智慧應用體系
分期建成AI智能巡河、防汛減災、水資源智能調度等業務應用，為河長制管理的業務工作提供智慧支撐。
1.通過水質監測站、沿河視頻、排口視頻等前端感知終端和無人機遠程巡檢，智能發現各類涉水問題，讓河長的主要工作重心由發現問題向處置問題轉換。如河道防溺水事件，在部分河道邊安裝帶有AI識別算法的智能攝像頭，自動識別下河游泳等涉水不安全行為，自動生成“防溺水”事件推送至屬地區（縣）事件中樞和城運水務分中心，實現了從智能發現到問題處置全過程閉環管理。
2.建設成都市防汛指揮系統。應用物聯感知一張網實現成都市全域雨情、水情和汛情的實時動態監測；將關鍵指標與時間、空間態勢相結合，打造業務時空一張圖；應用防汛相關預報數學模型實現江河洪水和城市內澇的預測預報；對應急人員和車輛搭載北斗終端定位設備，實現“120式”的災情點位、救援物資、人員和車輛智能匹配，實現高效指揮調度。
3.建設錦江流域水資源智能調度系統。利用水利模型和閘壩遠程控制，可實現河道生態水量、景觀蓄水、通航水位的精準研判和智能調度；平臺通過模型計算，自動化生成水量配置方案，指令下發閘站值班人員，實施閘門啟閉，可實現錦江上6個閘壩群智慧調水，大大提升了流域水質水量的精細化、智慧化管理水平。
4.建設供水監管系統。實現了從水源取水、水廠制水、管網輸水到居民用水的全過程智慧管理。如上游水源地發生污染，系統會自動啟用備用水源保供；系統依托大數據、云計算等搭建的數理模型，可根據一定時間段供水量變化趨勢，實現供需兩級峰值預警，確保城市供水安全。
（四）突出區域協同，推動成都都市圈河長制協同治理
建成“四個統一”的成德眉資河長制E平臺，推動成都都市圈河湖治理管護高質量發展、共筑長江上游生態屏障。通過健全“一套制度”、構建“一張底圖”、建立“一個平臺”、形成“一套標準”，提升了“四地同城”河湖現代化治理管護能力，為全國都市圈河湖共管共護提供了先試先行的范本。截至2023年5月底，成德眉資河長制E平臺注冊河長共計12856名，匯聚4市河長制巡河業務數據9278.1 萬條，發現河湖水環境問題103066個，協調處置問題101549個。
（五）建立標準規范，構建統籌共建的建設實施體系
制定《成都市水務局網絡信息安全管理辦法》《成都市水務局數據資源管理辦法》《成都市水務局信息化項目建設管理辦法》，規范和促進政務數據資源管理、共享和應用，規范信息化項目的建設和管理。制定《成都市水系數據建庫標準》《成都市智慧水務數據資源目錄分類編碼標準》《成都市智慧水務數據采集與交換系統采集技術標準》《成都市智慧水務評價指標體系標準》，明確相關技術標準和規范，保證各項技術在實施過程中的統籌作用。
三、主要成效
智慧水務建設以物聯感知、智慧大腦、智能應用、區域協同、標準規范為重點，有效提升了水務管理“視”“匯”“算”“預”“控”的能力。
1.物聯感知基本實現重點區域全覆蓋。通過運用視頻監控、感知終端、無人機等多種方式，在河道管理、水源地監測、水質監測、水位監測、智能水表等多個業務領域，開展了基于物聯感知的數據采集與分析應用。
2.數據資源開發不斷深化。開展全市水務數據治理攻堅行動，完成水務數據資源目錄編制、數據接入、梳理、匯聚、治理與交換共享。
3.智慧治理水平不斷提升。利舊與新建相結合，分批建成多個智慧應用場景并投入使用，基本完成全業務鏈條的數字化轉型，提升了河長制工作的智慧化管理水平。
四、經驗及啟示
總結本項目歷年進程，對全面推行河長制智慧化建設工作，主要有以下幾點經驗啟示。
(一)夯實算據是基礎。錨定數字化場景目標，構建天、空、地一體化水務感知網，通過優化提檔水文、水資源、河床演變、水務工程等地面監測，完善地下水監測站網，加強衛星、無人機、無人船等載體遙感監測，提升應急監測能力，推進物理流域監測系統的科學建設和高頻乃至在線運行，為數字孿生流域提供精準物理參數和現實約束條件，保持數字孿生流域與物理流域的精準性、同步性、及時性。
（二）算法模型是關鍵。錨定智慧化模擬目標，深入研究流域自然規律，充分利用大數據、人工智能等新一代信息技術，融合流域多源信息，升級改造流域產匯流、水資源調配、工程調度、內澇預報等模型，研發新一代高保真水務專業模型，統籌運用好基于機理揭示和規律把握的數學模型，以及基于數理統計和數據挖掘技術的數學模型，確保數字孿生流域模擬過程和流域物理過程實現高保真。
（三）算力水平是支撐。擴展計算資源，按照“集約高效、共享開放、按需服務”的原則，依托成都超算中心、智算中心算力，提升物理分布、邏輯集中、協同工作的高性能算力，滿足數據處理、模型計算的需要。要升級通信網絡，實現水務系統網絡無盲區無死角互聯，滿足各類信息及時高效傳輸，并充分利用北斗、5G等新一代網絡技術，保障監測站網在極端惡劣環境下的安全可靠傳輸。
（四）“四預”能力是目標。在數字孿生流域中強化預報、預警、預演、預案能力，實現風險提前發現、預警提前發布、方案提前制定、措施提前實施，確保水務決策精準安全有效。提高超前預報精度。通過“四預”環環相扣、層層遞進，提升流域治理管理的數字化、網絡化、智能化水平，在預演結果基礎上進行分析評估，滾動調整水工程運行、應急調度、人員防災避險等應對措施，迭代優化運行調度方案，有效提高預案的科學性和可操作性。
