從高空俯瞰，南水北調中線一期工程如一條長龍，穿山越河，迤邐而來。數(shù)字孿生南水北調中線建設賦予了這條長龍新的內涵，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，南水北調工程安全、供水安全、水質安全綜合保障能力大幅度提升。

打造數(shù)字孿生南水北調，是中國南水北調集團深入貫徹落實習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，中國南水北調集團積極融入現(xiàn)代信息技術發(fā)展形勢，加快建設數(shù)字孿生南水北調，圍繞“安全監(jiān)管、智能調度、水質保護、智能運維”業(yè)務領域，建設了數(shù)字孿生南水北調中線一期1.0版，在多維空間賦能中線，已經(jīng)在多個典型業(yè)務場景中發(fā)揮實效, 入選數(shù)字孿生水利建設十大樣板。              

數(shù)字賦能后的中線更具生命力 

南水北調工程是實現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎設施。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)學模型為核心、水利知識為驅動，對物理水網(wǎng)全要素和建設運行全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預演，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)合調度、風險防范。 

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、輸水過程狀況復雜、控制節(jié)點多、技術要求高，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習能力，運行管理更加智能化。面對突如其來的自然災害，能夠迅速集成應用時空數(shù)據(jù)和高性能算力平臺，實現(xiàn)在數(shù)字世界中感知、模擬和預測中線工程的運行狀態(tài)，達到預報、預警、預演、預案等功能，確保輸水調度更加科學精準和安全，全面提高中線工程應對自然災害的防護能力。 

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，加快布局物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的應用，形成了覆蓋工程安全、供水安全、水質安全和企業(yè)經(jīng)營管理各業(yè)務領域的信息化體系，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奠定了堅實基礎。 

按照水利部“需求牽引、應用至上、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水工程典型建筑物的工程安全結構分析、工程防洪、跨流域多水源多目標聯(lián)合調度、長距離明渠輸水工程水質保護、冬季輸水安全保障等典型智慧應用場景，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10萬余支（套）各類監(jiān)測感知設備和1萬余臺視頻安防攝像頭，這些監(jiān)測設備形成了海量的基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)?！耙郧?，這些數(shù)據(jù)僅僅停留在本身?，F(xiàn)在，數(shù)字孿生中線安全監(jiān)測業(yè)務應用集成了基于數(shù)據(jù)驅動的數(shù)理統(tǒng)計預警預測模型和基于機理驅動的結構仿真分析模型，徹底盤活了數(shù)據(jù)?！敝芯€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險變化過程，對異常安全監(jiān)測點預測和預警提示，對關鍵監(jiān)控指標進行模擬計算和結構安全性態(tài)評估，實現(xiàn)各類調度工況工程運行狀態(tài)的安全復核等。 

“數(shù)字孿生中線安全監(jiān)測業(yè)務應用提升了工程安全分析預警水平，精準服務了安全運管的業(yè)務需求?！焙聺杉握f。在55公里的示范段，中線公司充分應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，有效支撐輸水調度、應急退水以及交叉建筑物洪水過流安全影響的動態(tài)復核計算分析和建筑物結構安全復核分析。 

“數(shù)字孿生中線工程防洪業(yè)務應用則提升了中線公司對洪水的預報預測能力，預報更加精準，為工程防洪決策提供重要支撐?！敝芯€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模型等專業(yè)模型為引擎，中線公司構建了洪水預報模型、洪水演進模型，實現(xiàn)了“降雨-產(chǎn)流-匯流-演進”全鏈條應用，構建起防汛“四預”功能。 

2021年河南鄭州發(fā)生“7·20”特大暴雨洪水災害，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，給出預警提示，并推薦處置措施，為復盤總結防洪處置經(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度模式，不斷優(yōu)化輸水調度方案，初步構建了一套自動化輸水調度系統(tǒng)?！敝芯€公司總調度中心靳燕國說。

隨著中線工程供水目標逐步增加，針對輸水調度重點和難點，中線公司研發(fā)了數(shù)字孿生中線智能調度業(yè)務應用，集成水情數(shù)據(jù)智能清洗模型、自主學習訓練模型、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)的仿真預演和水力效果的調控模擬等能力，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)甚至模型結構進行自動反演。 

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

數(shù)字孿生中線冰期輸水業(yè)務應用效果最為顯著。它集成了統(tǒng)計學模型、預報和精細模擬兩套模型，在水溫和冰情預測預報上互為參考，相互驗證，不僅可以預測預報未來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)水溫預測情況，確定冰期輸水的起止時間，優(yōu)化調度方案，大幅提升中線工程冬季輸水能力。截至2月29日8時，中線公司通過預測預報模型動態(tài)優(yōu)化調度方案，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、冰情的預測預報，控制融冰、擾冰設備的啟閉和應急隊伍的進退場時間。最后，它提升了冰期防范應對工作的科學性和精準性。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。  

數(shù)字賦能后的中線更加從容 

中線水質安全關乎超1.08億人民群眾的飲水質量。 

數(shù)字孿生中線水質保護業(yè)務應用基于已建的水質監(jiān)測-預警-調控決策支持綜合管理平臺，動態(tài)掌握中線水質監(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急調控舉措在數(shù)字化場景中的仿真再現(xiàn)，集成了水質預測、污染物擴散模擬及退水3套模型。 

“有了這個應用平臺，我們擁有了中線13個水質監(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個水質自動監(jiān)測站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以預測全線水質9項指標未來7天的水質變化情況。水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和預測數(shù)據(jù)一旦超過臨界值，將自動預警?！敝芯€公司水質與環(huán)保中心劉信勇說。 

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

過去，一旦發(fā)生水質污染突發(fā)事件，現(xiàn)場人員需要找專家，查資料，協(xié)調退水閘等等，形成處置方案需要花費大量時間。劉信勇說，現(xiàn)在，業(yè)務應用平臺會對現(xiàn)場應急物資倉庫、退水線路等作出最佳選擇，自動推送應急處置方案，“拿到處置方案最快只需要三分鐘，應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，中線公司構建數(shù)字孿生中線智能運維業(yè)務應用，實現(xiàn)了供電、機電金結等設備運行及風險狀態(tài)趨勢分析研判，能夠從主動性、計劃性和預防性的角度提出運行維護建議，降低設備運行風險。 

以惠南莊泵站試點為例，基于泵站設備綜合風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、轉速傳感器，可以實時評估、預測關鍵設備的運行狀態(tài)，為維護人員提供動態(tài)維護建議。 

基于金屬結構風險分析模型，能夠實現(xiàn)在閘門動作過程中對閘門運行風險的實時監(jiān)測和預測，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)字孿生南水北調建設運營任重而道遠。中國南水北調集團將牢記習近平總書記的囑托，加快推進數(shù)字孿生南水北調建設和迭代升級，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“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。