升级黄河智慧大脑支撑“四预”模拟分析
——访黄河水利委员会黄河水利科学研究院信息工程中心主任夏润亮
数字黄河在推进智慧水利建设中担当什么角色？
建设数字黄河，为智慧水利建设起到先行者和领路人的角色。
数字黄河的架构如人类的五官感知、神经传输、记忆存储、问题思考和表达能力。
数字黄河由基础设施、应用服务平台和应用系统组成，借助现代化手段及传统手段釆集基础数据，针对黄河治理开发、流域经济社会发展的相关要素，构建一体化的数字集成平台和虚拟环境，以功能完善的应用软件系统和各类专业数学模拟系统对有关方案进行模拟、分析和研究，并在可视化条件下提供决策支持，增强黄河治理开发、保护与管理决策的科学性和预见性。通俗一点理解，数字黄河的架构如同人类的五官感知、神经传输、记忆存储、问题思考和表达能力。
数字黄河具有流域管理信息化理论、框架的借鉴意义，在其引领下，水利行业掀起了业务与信息化深度融合的数字化浪潮，涌现出诸多数字流域、数字水库等应用实例。目前业内的智慧水利建设大体沿用了这个框架，在感知、存储、计算和展示的能力上进一步提升，因此，数字黄河是智慧水利的先行者。
数字黄河的建设分为“三步走”发展战略。第一步是建设基础设施和六大应用系统，第二步是建设以六大数学模型为主体的数学模拟系统，第三步是建设自然-经济-生态耦合系统。经过近20年的持续研究和建设，初步实现了第一步和第二步的战略目标，其中数学模型系统是数字黄河的灵魂与核心，在数字水利向智慧水利发展的过程中，最需要提升的就是系统的判断能力和决策能力。正因为有了数学模型系统，才能实现对未来水沙条件的预报和预警预判，才能实现不同方案的预演和预案的可量化设计，才能开展大空间尺度多物理场计算，才能建设自然-经济-生态耦合系统。因此，20年前提出的数字黄河是智慧水利的领路人。现阶段，黄河流域在加强水利防汛信息化建设中，利用了哪些科技手段提升灾害应对能力？
夏润亮：水利防汛信息化建设是数字黄河工程业务系统建设的重点领域。截至目前，黄委建设开发的水旱灾害防御应用系统主要以信息查询与管理、信息资源收集与共享服务、决策支持、会商、数学模型五大类为主。其中包括黄河水情信息查询及会商系统、水文气象综合业务系统、数据汇集平台、应用支撑平台、黄河洪水预报系统、黄河防洪调度系统、洪水风险图信息管理系统、黄河防洪调度综合决策会商支持系统等多个系统平台和数学模型体系。
近年来，一批创新性技术成果支撑信息化系统建设。黄河调水调沙理论与实践，构建了水文预报、水库时空对接技术、洪水演进模型以及反馈评价的系统建设内容，为数字黄河工程建设奠定了理论基础；聚焦黄河干支流径流泥沙预报理论与实践，提出了黄河洪水集合预报模型系统研发及应用的创新成果；聚焦水库异重流潜入、持续运行、排沙等规律和水库浑水水库输移机理，提出了小浪底水库淤积形态优选与调控的理论及技术，为小浪底水库泥沙调度运用方式拟定奠定了理论基础；提出并行计算和基于GIS的黄河下游洪水演进数学模型，构建了黄河水沙冰凌输移模型库和标准构建及模拟系统研发与应用；应急抢险视频直播和会商系统、网络传输和视频实时互联等技术，构建了黄河数据交换与共享平台，实现了黄河“一张图”应用的落地。数字孪生技术，为黄河流域做好“四预”工作提供了哪些支撑？
流域数字孪生可以实现物理状态和虚拟状态之间的同步反馈和多业务场景的“四预”过程复现，为防汛演习和会商提供了数字孪生的流域水旱灾害防御雏形。
展开全文
夏润亮：流域数字孪生可以实现物理状态和虚拟状态之间的同步反馈和多业务场景的“四预”过程复现。黄科院自主研发了开放架构的流域数字孪生平台，并以数字孪生平台为基座，搭载了黄河数学模型系统和流域决策人工智能，为防汛演习和会商提供了数字孪生的流域水旱灾害防御雏形。
在流域数字孪生平台中，可以实现流域空天地水信息和物联网感知数据的融合展示，集成了水雨情、水库属性及状态信息、河道整治工程及实时出险信息、水文站点等动态监测数据，呈现气象降雨预报、水位、流量、洪水演进流场及淹没水深等实时查询的动图。
在流域数字孪生平台中，通过集成黄河“小花间”（黄河小浪底水库以下、沁河河口村水库以下、伊河陆浑水库以下、洛河故县水库以下）的区域人工智能和传统水文预报模型、黄河中下游五库联调模型、黄河下游二维洪水演进模型，可以实现水沙预报、信息预警、方案预演和会商方案生成。
在流域数字孪生平台中，可以直观看到河道冲淤过程和下游滩区村庄、耕地和经济损失等受灾过程情况，根据雨水情和工程动态情况可对水库进行调度方案优化，并在系统上进行常规调度和优化调度方案结果的同屏比选。
平台在黄河流域防汛会商中进行了演练，动态清晰地向决策者提供所需的大量信息，大大提高会商的决策效率。黄河智慧大脑是如何做到智能化辅助决策的？
在水文预报、水工程调度方面，可以起到智能预报和调度辅助作用。实现水循环“预报”能力，展示不同方案的“预演”能力，实现黄河流域水循环过程的数字刻画。开发具有自主知识产权的防汛知识图谱，利用机器自学习决策过程指导后续工作。
夏润亮：黄河智慧大脑和模拟器是目前黄河科研着重立项的研究重点。现阶段，黄河智慧大脑仍在实验室阶段，尚未达到智能化决策，但是一些前沿研究在防御大洪水演练中已经开始逐步发挥智能化辅助决策的作用。
一是在水文预报方面，利用传统水文模型和人工智能预报模型可达到“天上看见一朵云、地上预测一片水”的智能预报能力；在水工程调度方面，可起到“闸门自动控水量、河道洪水水位精准预测、应急抢险及时反馈闸控”的智能调度辅助作用。
二是开发并集成了覆盖流域气象降雨、洪水演进、水库调度、冰凌预报、河口潮波等数学模型体系，实现水循环“预报”能力，展示不同方案的“预演”能力，以及实现黄河流域水循环过程的数字刻画，为智能决策提供模型支持。
三是依托大数据和人工智能技术，开发具有自主知识产权的防汛知识图谱，利用机器自学习决策过程指导后续工作，实现智慧调度决策智能辅助。
在防汛大洪水中，智慧防汛平台建设将发挥哪些作用？
流域智慧防汛平台实现了信息采集、处理、预报、调度、仿真、决策等环节有机结合，将各类防汛信息和防汛形势的宏观特征呈现在会商现场，为相关部门提供及时准确的参考。
流域智慧防汛平台集成气象、水位、流量等动态监测大数据内容，综合预警流域防汛形势，可实时发布预警信息。提供的模型引擎驱动预测、联调和演进等多模型，输出的二维流场动态展示在数字孪生场景中，预演了不同方案大洪水在河道中的传播过程、水深及流速变化、分洪运用等丰富内容，利用类人脑的机器自学决策，实现智慧调度决策智能辅助，最终形成可执行的黄河防汛预案。
平台实现了信息采集、处理、预报、调度、仿真、决策等环节有机结合，通过数字孪生的三维建模，将各类防汛信息和防汛形势的宏观特征呈现在会商现场，为相关部门提供及时准确的参考，提供了智慧决策辅助支撑。
下一步智慧黄河建设有着怎样的构想？
实现黄河水沙情势可感知、水资源配置可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同，全面提升黄河智慧化管理水平。
夏润亮：智慧黄河要立足于黄河治理的基本需求和时代信息技术的支撑，应贯彻落实“十六字”治水思路要求，实现黄河水沙情势可感知、水资源配置可模拟、工程运行可掌控、调度指挥可协同，全面提升黄河智慧化管理水平。
从业务应用服务上考虑，要用一体化的平台打通所有业务领域，既有信息基础设施、平台和软件等服务的统一，又有数据共享交换、信息处理存储等应用的综合；从数据与能力服务上考虑，既要有传统的基于机理的过程模拟，也要有人工智能的决策信息支持，构建基于统一数据平台的多决策智能服务；从感知和控制层上考虑，既要保证原有监测数据的可用性，也要加强动态智能感知能力提升，构建空天地一体化的监测体系；从安全架构上考虑，既要有系统和信息的安全保密措施的统一，又要考虑留有升级改造的余地。
在核心业务上逐步实现多目标。一是黄河水沙情势的全面感知和智能预测，实现不同情景下的黄河水沙变化预测。二是流域水资源、水灾害联合调度与智能决策，实现降雨、产汇流、河道洪水演进、水库调度的全过程模拟；根据流域情势的变化，不断优化各类方案，为决策者提供动态的智能的实时决策辅助。三是重大水工程建设与运行精准化管理，实现实时、动态台账管理，做到安全隐患精准定位与分析、可能危险提前评估，保证工程风险全面可控，实现工程的精准化管理。四是流域涉水事件的智慧化监管，广泛应用低空遥感装置快速感知河湖水系；构建精细数字三维点云模型，利用人工智能自动快速对比观测和初始样本的差异，智能分析河湖岸线变化；基于图像识别智能识别非法采砂和违建工程，提升水利行业强监管能力。五是基础网络、安全和数据存储建设，对现有基础网络体系进行升级，建立黄河大数据中心；通过云计算和虚拟化技术，实现计算弹性服务、存储按需服务，降低系统建设和日常运维成本，有力支撑智慧黄河工程业务应用。
审核丨陈锐
监制丨樊弋滋
责编丨杨晶
特别声明
本文仅代表作者观点，不代表本站立场，本站仅提供信息存储服务。