編者按：數字孿生水利是水利高質量發展的重要標志。在2023年全國水利工作會議上，水利部部長李國英提出要按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，統籌建設數字孿生流域、數字孿生水網、數字孿生工程，構建具有“四預”功能的數字孿生水利體系。

　　水文監測現代化是數字孿生建設的基礎。聚焦全球涉水領域數字孿生研究和我國水文監測現代化建設，本報記者專訪水利部南京水利水文自動化研究所所長劉九夫，圍繞相關熱點話題進行解讀，敬請關注。

　　問 當前數字孿生備受關注，如何理性看待數字孿生?

　　劉九夫：數字孿生是指某一物理對象或系統整個生命周期的動態虛擬再現，根據實體空間、歷史和實時等大數據，利用高保真模擬模型、機器學習和推理等洞察物理對象或系統，為管理者提供輔助決策。

　　數字孿生的出現不是概念炒作，而是信息化發展到一定程度的必然結果，數字孿生正成為人們解構、描述、認識物理世界的新型工具。從長期來看，數字孿生是一套支撐數字化轉型的綜合技術體系，技術在發展，體系在演進，其應用推廣也是一個動態、演進和長期的過程。數字孿生包括感知系統、高保真模擬模型、高交互展示平臺和應用服務等組成部分，我國在透徹感知、高保真模擬模型研究、軟件平臺研發等方面存在諸多短板，成為制約數字孿生發展的瓶頸。當前，要堅持需求牽引和價值導向，以需求迫切、基礎較好、潛力巨大的應用場景為突破口，在重點領域、重點環節率先實現突破。

　　問 全球關于涉水領域數字孿生的最新研究進展如何?

　　劉九夫：2020年9月，歐洲航天局啟動了數字孿生地球項目建設，并開啟包括森林、水文、南極洲、糧食系統、海洋、氣候等在內的先導項目。該項目將利用現有空間監測等發展成果，納入必要的元素，為水文過程的第一個數字孿生地球實例制作原型。作為一個集成的交互式系統，以前所未有的分辨率和精度提供水循環和水文過程及其與人類活動相互作用的最佳重建和模擬。

　　2022年9月，意大利特倫托大學、美國科羅拉多州立大學以及意大利國家研究委員會的研究人員，提出建立一個人人參與的數字地球孿生水文系統(DARTHs)。該系統強調模擬模型的極端重要性，提出模型即應用(MaaA)、模型即工具(MaaT)、模型即服務(MaaS)、模型即資源(MaaR)、模型即商品(MaaC)等理念。鑒于開放科學運動及其理念，DARTHs 開源的緊迫性得到了支持，研究人員可以利用這一方式的合作中描述和控制不同地區的模型結果。另外，研究人員認為建立DARTHs的目標是可行、可實現的，事實上，該數字孿生水文系統所涉及的許多方面在當前的實踐中已經成為現實。

　　問 水文監測現代化是數字孿生建設的基礎，水文監測現代化應體現在哪些方面?

　　劉九夫：當前，水文現代化建設對水文監測需求迫切，其中包括建立全覆蓋的“空天地”一體化水文監測體系，實現全要素全量程全自動監測，水文信息采集傳輸接收處理、預測預報和分析評價全流程自動化和智能化等。對標新時期水文現代化提出的新要求和傳感器技術發展趨勢，水文監測現代化應實現“三全三高”，即推動實現全要素、全自動、全過程監測，推動水文監測向高精度、高頻率、高適應方向發展。具體包括擴展監測要素、提升監測要求、升級監測手段。在擴展監測要素上，水文現代化監測中的要素應根據行業管理、水文現代化、水文學科發展等要求進行拓展，如旱情監測中拓展墑情要素，地下水監測中拓展儲量、水質等要素，水生態監測中拓展藻類、水生植物、水生動物、生境等要素，以及拓展監測水文要素的驅動和影響要素，其中包括風速、溫度、濕度等。在提升監測要求上，目前流速(流量)、蒸發、泥沙自動監測率較低，未來應聚力推動實現水文監測的全自動;同時，應推動實現水文全過程監測，實現水文監測的在線化、全量程和全場景監測。此外，實現水文監測現代化還需要提高水文監測的時間頻率;針對水文計量法規體系不完善、水文監測量值溯源和監管有短板的情況，盡快實現水文監測的高精度;通過監測設備的微型化、集成化、網絡化、智能化等方式，提高水文監測設備裝置的高適應性。在升級監測手段上，目前我國以水文站網(地基)監測為主，缺乏空基和天基監測，應推動實現水文監測的立體化，提升立體感知的智能水平，通過衛星、雷達、無人機、遙控船等新型遙感監測手段，以及高性能視頻監控應用，大力提升水文監測自動化和智能化水平，實現對江河湖泊、管理活動的動態感知。此外，應推動不同傳感器、不同時空尺度的信息融合技術研究，實現比單一信息源更精準、更完備、更可靠的測算。

　　問 水文監測新技術研發目前有哪些突破?

　　劉九夫：實現水文監測現代化，技術創新是關鍵。近年來，我國水文工作者不斷探索推動水文監測新技術的發展和應用，有力支撐了天空地一體化監測體系建設、自動化監測方案和技術水平提高、多源監測信息融合與應用等。

　　在天空地一體化監測體系建設中，衛星遙感測雨技術可充分發揮其大范圍空間連續的觀測能力，補充水文站網在面降雨監測方面的不足和地面監測站點缺乏地區的水文資料獲取能力;雷達降雨監測可提升區域降雨的監測能力;GNSS(全球導航衛星系統)水汽含量監測與地面雨量站結合可實現短臨降雨的預測預報。

　　在提高自動化監測方案和技術水平中，高精度高分辨力虹吸式翻斗雨量計可將雨量計量誤差控制在一等精準度范圍內，其集成化的特點也能滿足公眾消費領域的應用;全自動全過程高精度水面蒸發裝置可實現分鐘級監測;集成化雷達水位計和流速監測設備提高了設備的高適應能力;基于水動力學模型的實時數據同化技術可根據水文斷面的水位、流速等數據，實時測算水文斷面流量，同時也可給出水文斷面所在河段的流場結構;無人機監測技術通過開展非接觸式流速、水位和水下地形監測，實現實時測算斷面流量;無人船監測技術可搭載走航式ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)等設備，適用于日常監測和應急監測。

　　2023年水利重點工作之一就是推進天空地一體化監測，加快構建氣象衛星和測雨雷達、雨量站、水文站組成的雨水情監測“三道防線”。在多源監測信息融合與應用中，可應用地面監測站、降雨雷達站和全球衛星降雨監測等信息，進行系統訂正和空間分辨率細化等工作，提高面平均雨量分析計算精度，進而支撐提升洪水預報精度。

　　問 數字孿生的未來發展之路如何?

　　劉九夫：數字孿生是一種數字化理論，是一套創新理念和方法，也是一項重塑世界新形態的通用使能技術。數字孿生包含物理空間和虛擬空間，以感知系統為基礎、高保真模擬模型為核心、軟件平臺為載體、應用服務為目標。數字孿生具有描述、診斷、預測、決策四大功能等級和數據驅動、模型支撐、軟件定義、精準映射、智能決策五大典型特征。未來，從宏觀來看，數字孿生將會是數字社會人類認識和改造世界的方法論;從中觀來看，數字孿生將成為支撐社會治理和產業數字化轉型的發展范式;從微觀看，數字孿生落地的關鍵是“數據﹢模型”，亟需分領域、分專業研究和編制數字孿生模型全景圖譜。