编者按：数字孪生水利是水利高质量发展的重要标志。在2023年全国水利工作会议上，水利部部长李国英提出要按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系。

　　水文监测现代化是数字孪生建设的基础。聚焦全球涉水领域数字孪生研究和我国水文监测现代化建设，本报记者专访水利部南京水利水文自动化研究所所长刘九夫，围绕相关热点话题进行解读，敬请关注。

　　问 当前数字孪生备受关注，如何理性看待数字孪生?

　　刘九夫：数字孪生是指某一物理对象或系统整个生命周期的动态虚拟再现，根据实体空间、历史和实时等大数据，利用高保真模拟模型、机器学习和推理等洞察物理对象或系统，为管理者提供辅助决策。

　　数字孪生的出现不是概念炒作，而是信息化发展到一定程度的必然结果，数字孪生正成为人们解构、描述、认识物理世界的新型工具。从长期来看，数字孪生是一套支撑数字化转型的综合技术体系，技术在发展，体系在演进，其应用推广也是一个动态、演进和长期的过程。数字孪生包括感知系统、高保真模拟模型、高交互展示平台和应用服务等组成部分，我国在透彻感知、高保真模拟模型研究、软件平台研发等方面存在诸多短板，成为制约数字孪生发展的瓶颈。当前，要坚持需求牵引和价值导向，以需求迫切、基础较好、潜力巨大的应用场景为突破口，在重点领域、重点环节率先实现突破。

　　问 全球关于涉水领域数字孪生的最新研究进展如何?

　　刘九夫：2020年9月，欧洲航天局启动了数字孪生地球项目建设，并开启包括森林、水文、南极洲、粮食系统、海洋、气候等在内的先导项目。该项目将利用现有空间监测等发展成果，纳入必要的元素，为水文过程的第一个数字孪生地球实例制作原型。作为一个集成的交互式系统，以前所未有的分辨率和精度提供水循环和水文过程及其与人类活动相互作用的最佳重建和模拟。

　　2022年9月，意大利特伦托大学、美国科罗拉多州立大学以及意大利国家研究委员会的研究人员，提出建立一个人人参与的数字地球孪生水文系统(DARTHs)。该系统强调模拟模型的极端重要性，提出模型即应用(MaaA)、模型即工具(MaaT)、模型即服务(MaaS)、模型即资源(MaaR)、模型即商品(MaaC)等理念。鉴于开放科学运动及其理念，DARTHs 开源的紧迫性得到了支持，研究人员可以利用这一方式的合作中描述和控制不同地区的模型结果。另外，研究人员认为建立DARTHs的目标是可行、可实现的，事实上，该数字孪生水文系统所涉及的许多方面在当前的实践中已经成为现实。

　　问 水文监测现代化是数字孪生建设的基础，水文监测现代化应体现在哪些方面?

　　刘九夫：当前，水文现代化建设对水文监测需求迫切，其中包括建立全覆盖的“空天地”一体化水文监测体系，实现全要素全量程全自动监测，水文信息采集传输接收处理、预测预报和分析评价全流程自动化和智能化等。对标新时期水文现代化提出的新要求和传感器技术发展趋势，水文监测现代化应实现“三全三高”，即推动实现全要素、全自动、全过程监测，推动水文监测向高精度、高频率、高适应方向发展。具体包括扩展监测要素、提升监测要求、升级监测手段。在扩展监测要素上，水文现代化监测中的要素应根据行业管理、水文现代化、水文学科发展等要求进行拓展，如旱情监测中拓展墒情要素，地下水监测中拓展储量、水质等要素，水生态监测中拓展藻类、水生植物、水生动物、生境等要素，以及拓展监测水文要素的驱动和影响要素，其中包括风速、温度、湿度等。在提升监测要求上，目前流速(流量)、蒸发、泥沙自动监测率较低，未来应聚力推动实现水文监测的全自动;同时，应推动实现水文全过程监测，实现水文监测的在线化、全量程和全场景监测。此外，实现水文监测现代化还需要提高水文监测的时间频率;针对水文计量法规体系不完善、水文监测量值溯源和监管有短板的情况，尽快实现水文监测的高精度;通过监测设备的微型化、集成化、网络化、智能化等方式，提高水文监测设备装置的高适应性。在升级监测手段上，目前我国以水文站网(地基)监测为主，缺乏空基和天基监测，应推动实现水文监测的立体化，提升立体感知的智能水平，通过卫星、雷达、无人机、遥控船等新型遥感监测手段，以及高性能视频监控应用，大力提升水文监测自动化和智能化水平，实现对江河湖泊、管理活动的动态感知。此外，应推动不同传感器、不同时空尺度的信息融合技术研究，实现比单一信息源更精准、更完备、更可靠的测算。

　　问 水文监测新技术研发目前有哪些突破?

　　刘九夫：实现水文监测现代化，技术创新是关键。近年来，我国水文工作者不断探索推动水文监测新技术的发展和应用，有力支撑了天空地一体化监测体系建设、自动化监测方案和技术水平提高、多源监测信息融合与应用等。

　　在天空地一体化监测体系建设中，卫星遥感测雨技术可充分发挥其大范围空间连续的观测能力，补充水文站网在面降雨监测方面的不足和地面监测站点缺乏地区的水文资料获取能力;雷达降雨监测可提升区域降雨的监测能力;GNSS(全球导航卫星系统)水汽含量监测与地面雨量站结合可实现短临降雨的预测预报。

　　在提高自动化监测方案和技术水平中，高精度高分辨力虹吸式翻斗雨量计可将雨量计量误差控制在一等精准度范围内，其集成化的特点也能满足公众消费领域的应用;全自动全过程高精度水面蒸发装置可实现分钟级监测;集成化雷达水位计和流速监测设备提高了设备的高适应能力;基于水动力学模型的实时数据同化技术可根据水文断面的水位、流速等数据，实时测算水文断面流量，同时也可给出水文断面所在河段的流场结构;无人机监测技术通过开展非接触式流速、水位和水下地形监测，实现实时测算断面流量;无人船监测技术可搭载走航式ADCP(声学多普勒流速剖面仪)等设备，适用于日常监测和应急监测。

　　2023年水利重点工作之一就是推进天空地一体化监测，加快构建气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情监测“三道防线”。在多源监测信息融合与应用中，可应用地面监测站、降雨雷达站和全球卫星降雨监测等信息，进行系统订正和空间分辨率细化等工作，提高面平均雨量分析计算精度，进而支撑提升洪水预报精度。

　　问 数字孪生的未来发展之路如何?

　　刘九夫：数字孪生是一种数字化理论，是一套创新理念和方法，也是一项重塑世界新形态的通用使能技术。数字孪生包含物理空间和虚拟空间，以感知系统为基础、高保真模拟模型为核心、软件平台为载体、应用服务为目标。数字孪生具有描述、诊断、预测、决策四大功能等级和数据驱动、模型支撑、软件定义、精准映射、智能决策五大典型特征。未来，从宏观来看，数字孪生将会是数字社会人类认识和改造世界的方法论;从中观来看，数字孪生将成为支撑社会治理和产业数字化转型的发展范式;从微观看，数字孪生落地的关键是“数据﹢模型”，亟需分领域、分专业研究和编制数字孪生模型全景图谱。