从高空俯瞰，南水北调中线一期工程如一条长龙，穿山越河，迤逦而来。数字孪生南水北调中线建设赋予了这条长龙新的内涵，它变得更具生命力更加安全、智慧、从容、智能。数字孪生赋能的这条中线，与实体工程完美融合相辅相成，中线一期工程如获重生，羽翼丰满，工程运行管理如虎添翼，南水北调工程安全、供水安全、水质安全综合保障能力大幅度提升。
打造数字孪生南水北调，是中国南水北调集团深入贯彻落实习近平总书记重要讲话指示批示精神的实际行动。近年来，中国南水北调集团积极融入现代信息技术发展形势，加快建设数字孪生南水北调，围绕“安全监管、智能调度、水质保护、智能运维”业务领域，建设了数字孪生南水北调中线一期1.0版，在多维空间赋能中线，已经在多个典型业务场景中发挥实效, 入选数字孪生水利建设十大样板。
数字赋能后的中线更具生命力
南水北调工程是实现我国水资源优化配置的重大战略性基础设施。截至目前，中线工程输水超过620亿立方米，直接受益人口超过1.08亿，是沿线26座大中城市200多个县市区经济社会高质量发展的生命线。
数字孪生水网是以物理水网为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水网全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水网的实时监控、联合调度、风险防范。
中线一期工程全长1432公里，横跨长江、淮河、黄河、海河四大流域，规模宏大、输水过程状况复杂、控制节点多、技术要求高，且渠道蓄水能力有限，依靠沿线上百座节制闸，中国南水北调集团中线公司（以下简称“中线公司”）对全线输水进行统一调度，保障总干渠安全运行。
通过数字孪生科技赋能中线工程，使其具备完善感知能力和自主学习能力，运行管理更加智能化。面对突如其来的自然灾害，能够迅速集成应用时空数据和高性能算力平台，实现在数字世界中感知、模拟和预测中线工程的运行状态，达到预报、预警、预演、预案等功能，确保输水调度更加科学精准和安全，全面提高中线工程应对自然灾害的防护能力。
中线一期工程正式通水以来，中线公司积极推进信息化建设，加快布局物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术的应用，形成了覆盖工程安全、供水安全、水质安全和企业经营管理各业务领域的信息化体系，积累了大量的监测及运行管理数据，为数字孪生中线工程建设奠定了坚实基础。
按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总体要求，中线公司形成了长距离引调水工程典型建筑物的工程安全结构分析、工程防洪、跨流域多水源多目标联合调度、长距离明渠输水工程水质保护、冬季输水安全保障等典型智慧应用场景，为工程运行打造了一个智慧管理的大脑，中线一期工程拥有了更加强大的生命力。
数字赋能后的中线更加安全
中线一期工程沿线布设10万余支（套）各类监测感知设备和1万余台视频安防摄像头，这些监测设备形成了海量的基础数据、监测数据和业务管理数据。“以前，这些数据仅仅停留在本身。现在，数字孪生中线安全监测业务应用集成了基于数据驱动的数理统计预警预测模型和基于机理驱动的结构仿真分析模型，彻底盘活了数据。”中线公司科技管理部郝泽嘉说。
借助这两套模型，中线公司工作人员可以在千里之外可视化分析展现全线的重点建筑物安全风险变化过程，对异常安全监测点预测和预警提示，对关键监控指标进行模拟计算和结构安全性态评估，实现各类调度工况工程运行状态的安全复核等。
“数字孪生中线安全监测业务应用提升了工程安全分析预警水平，精准服务了安全运管的业务需求。”郝泽嘉说。在55公里的示范段，中线公司充分应用三维可视化孪生引擎，可以更为直观地掌握建筑物的运行性态。依托工程安全模型，有效支撑输水调度、应急退水以及交叉建筑物洪水过流安全影响的动态复核计算分析和建筑物结构安全复核分析。
“数字孪生中线工程防洪业务应用则提升了中线公司对洪水的预报预测能力，预报更加精准，为工程防洪决策提供重要支撑。”中线公司工程维护部副主任郝一峰说。通过接入国家气象中心和水利部信息中心的降雨、水库调度、河道水势等水文数据，以产汇流模型和河道水动力学模型等专业模型为引擎，中线公司构建了洪水预报模型、洪水演进模型，实现了“降雨-产流-汇流-演进”全链条应用，构建起防汛“四预”功能。
2021年河南郑州发生“7·20”特大暴雨洪水灾害，中线公司利用数字孪生平台开展全过程模拟，计算洪水到达时的水情，给出预警提示，并推荐处置措施，为复盘总结防洪处置经验创造了条件。
数字赋能后的中线更加智慧
“中线工程运行管理以来，我们一直在探索输水调度模式，不断优化输水调度方案，初步构建了一套自动化输水调度系统。”中线公司总调度中心靳燕国说。
随着中线工程供水目标逐步增加，针对输水调度重点和难点，中线公司研发了数字孪生中线智能调度业务应用，集成水情数据智能清洗模型、自主学习训练模型、一维水动力快速精准仿真模型3个模型，初步具备自主生成目标方案、输水状态的仿真预演和水力效果的调控模拟等能力，不仅能够根据实测数据进行自主水情数据的智能清洗、稳态识别，还可以对重要水力参数甚至模型结构进行自动反演。
“过去，中线工程各类调度方案需要凭借经验，全面把握中线输水特点，人工计算完成。现在，智能调度业务应用平台随时对中线工程渠道输水能力进行评估，只要输入预设的输水工况和计算区间，它便会自动计算区间内各断面的流量和水位，根据水位对调度方案进行动态调整。”靳燕国高兴地说，“这套系统不仅科学指导日常调度方案，配合建筑物局部检修，还能优化供水方案提质增效，如今人人都是专家！”
数字孪生中线冰期输水业务应用效果最为显著。它集成了统计学模型、预报和精细模拟两套模型，在水温和冰情预测预报上互为参考，相互验证，不仅可以预测预报未来3天、5天、7天、10天、15天的各渠段位置的水温、冰情，还可以在达到临界值时及时预警，模拟不同输水工况下的气温、水温和冰情，探索无冰输水的边界条件。
首先，它能够根据水温预测情况，确定冰期输水的起止时间，优化调度方案，大幅提升中线工程冬季输水能力。截至2月29日8时，中线公司通过预测预报模型动态优化调度方案，实现冰期供水16.9亿立方米，比计划多供水3.4亿立方米。其次，它能够根据水温、冰情的预测预报，控制融冰、扰冰设备的启闭和应急队伍的进退场时间。最后，它提升了冰期防范应对工作的科学性和精准性。2023年12月12日至23日，中线工程沿线多地出现低温历史极值，模型预测的未来3天水温与实际水温平均差值在0.35摄氏度以内。
数字赋能后的中线更加从容
中线水质安全关乎超1.08亿人民群众的饮水质量。
数字孪生中线水质保护业务应用基于已建的水质监测-预警-调控决策支持综合管理平台，动态掌握中线水质监测现状及未来发展趋势，实现污染物扩散模拟和应急调控举措在数字化场景中的仿真再现，集成了水质预测、污染物扩散模拟及退水3套模型。
“有了这个应用平台，我们拥有了中线13个水质监测自动站、30个固定监测断面以及丹江口库区共享的7个水质自动监测站的实时监测数据，可以预测全线水质9项指标未来7天的水质变化情况。水质监测数据和预测数据一旦超过临界值，将自动预警。”中线公司水质与环保中心刘信勇说。
借助这个应用平台，中线公司可以对全线 1059座桥梁、69个左排跨渠渡槽、20类238种污染物进行预演，在线计算演进过程，自动生成处置预案，推荐应急响应预案。
过去，一旦发生水质污染突发事件，现场人员需要找专家，查资料，协调退水闸等等，形成处置方案需要花费大量时间。刘信勇说，现在，业务应用平台会对现场应急物资仓库、退水线路等作出最佳选择，自动推送应急处置方案，“拿到处置方案最快只需要三分钟，应急变得更加从容不迫！”
数字赋能后的中线更加智能
利用ai、大数据、物联网、地理信息等技术，中线公司构建数字孪生中线智能运维业务应用，实现了供电、机电金结等设备运行及风险状态趋势分析研判，能够从主动性、计划性和预防性的角度提出运行维护建议，降低设备运行风险。
以惠南庄泵站试点为例，基于泵站设备综合风险分析及劣化分析模型，依托在泵站机组安装的440余个振动传感器、温度传感器、水压传感器、流量计、转速传感器，可以实时评估、预测关键设备的运行状态，为维护人员提供动态维护建议。
基于金属结构风险分析模型，能够实现在闸门动作过程中对闸门运行风险的实时监测和预测，集成视频智能识别模型，辅助日常水位监视，为惠南庄泵站园区安防管理提供有力支撑。基于惠南庄泵站流量优化分配模型，可以对泵站运行方案进行不断优化……
数字孪生南水北调建设运营任重而道远。中国南水北调集团将牢记习近平总书记的嘱托，加快推进数字孪生南水北调建设和迭代升级，通过数字赋能推进实现高端化、智能化、绿色化发展，全面助力南水北调“三个安全”，确保工程发挥更大的社会效益、经济效益、生态效益和安全效益，全面提升国家水网大动脉的安全保障能力。
作者：许安强 责编：李霞