原标题 | 华测导航：以数字孪生解锁虚实协同水利治理新范式
文 | 何静怡 采编 | 谢邦彦
校对｜吴政希 图｜由受访单位提供
2022年，水利部黄河水利委员会印发《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》（下称《规划》），要求“十四五”期间加快构建具有预报、预警、预演、预案（“四预”）功能的“数字孪生黄河”，以数字化、网络化、智能化支撑带动黄河保护治理现代化。
黄河的治理历来是关乎国家生态安全的重大课题。随着气候变化与人类活动加剧，传统治理模式面临洪水灾害、水沙调控体系有待完善、生态本底差等多重治理挑战。
数字孪生技术的出现，为黄河流域的保护与治理开启了前所未有的新视角。数字孪生技术如何“守护”母亲河？其具有哪些技术优势、可以解决哪些治理难点？还有什么技术瓶颈亟待突破？近日，上海华测导航技术股份有限公司（下称“华测导航”）副总裁杨日亮在接受本刊采访时给出了答案。
黄河项目示意图
虚实共生
打造黄河流域的“双胞胎”
2001年，黄河水利委员会提出建设“三条黄河”的设想，即“原型黄河”“模型黄河”和“数字黄河”，其中“数字黄河”的建设目标是借助现代化手段，对黄河流域及相关地区的自然、经济、社会等要素构建一体化数字集成平台和虚拟环境。
“数字孪生黄河”的提出，正是“数字黄河”的延伸和发展，即基于数字孪生技术，通过对黄河流域全要素和保护治理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，实现与现实黄河的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，以对现实流域进行实时监控，及时发现问题、优化调度。
然而，面对水文形势复杂多变的黄河流域，如果无法及时捕捉河道的关键变化参数，将难以满足《规划》中提到的“四预”的需求。华测导航作为“数字孪生黄河”的一环：“黄河水利委员会山东水文水资源局数字孪生流域建设项目”（下称“黄河项目”）的参与方，针对“四预”需求积极发挥其多年来深耕高精度导航定位领域的技术优势，探索出“空—地—水三位一体感知网络+自适应建模引擎”的技术体系，为黄河泺口河段指定试点流域“量身定做”了高精度的数字孪生模型。
华测导航“空—地—水”三位一体感知网络
支撑2022年珠江超标洪水水文应急监测演练
杨日亮介绍，在空基数据采集上，华测导航采用机载激光雷达（LiDAR）和无人机倾斜摄影技术，分辨率达到厘米级，无人机倾斜摄影则用于补充LiDAR难以覆盖的区域，实现了大范围三维地形建模，确保数据的完整性和准确性。
在地基数据采集上，则通过在关键河段部署GNSS基准站和智能传感器网络，实时监测地表位移、水文和各类环境参数等动态数据，确保数据的连续性和实时性。在水基数据采集上，华测导航部署了无人船搭载多波束测深系统的采集方案，因为无人船的灵活性可以覆盖更广泛的水域，确保数据全面性，而多波束测深系统则可在复杂的水下环境中工作，以获取高精度的水下地形数据。
同时，华测导航还通过多源异构数据融合技术、动态精度校准体系和智能建模引擎，整合卫星遥感、无人机航测及地面传感数据，以自适应算法消除数据冲突，实现宏观、中观和微观视角数据的融合，确保数据的质量和精度，形成覆盖全流域的“一张图”数据底板，实现孪生场景的高精度还原，破解了要素动态孪生建模的难题。
此外，华测导航还采取“模块化硬件+云边协同计算”架构，通过边缘计算节点和云端弹性扩展来降低成本、提高数据连续性，并构建数据全生命周期管理链路，确保数据在整个生命周期的连贯性和一致性，避免数据断层。
在数据的广度、精度、质量及连贯性等方面均得到保障的前提下，华测导航一方面通过感知设备和智能算法，把静态测绘升级为实时动态感知，实现分钟级的数据更新，以提高数据时效性；另一方面，通过多维协同分析水文、地质、气象等数据，提升灾害预测准确率，并运用虚拟仿真和交互推演技术，帮助决策者提前进行洪水演进模拟、工程方案预验证，缩短决策周期。
杨日亮透露，在2022年项目落地后，黄河项目所在的泺口河段的洪水相关灾害预测准确率提升至92%，洪水预警响应时间从6小时缩短至45分钟，为防洪抢险赢得宝贵的时间窗口；水资源调度效率则同比提高了35%，既提升了水资源利用效率，又减少了因洪水造成的经济损失。
打破壁垒
构筑数据流通“安全通道”
尽管黄河项目顺利落地，杨日亮指出，数字孪生技术在各行业的应用推广仍存在不少需要进一步克服的难点。当前，虽然我国数据要素市场已取得长足发展，但不同行业、部门间的数据标准不统一，数据共享机制尚未完善，“数据孤岛”严重，尤其是涉及水利设施位置、流域地理信息等敏感数据时，存在不同程度的数据壁垒问题，制约了数字孪生的整体效能。
“跨部门数据联动是智慧水利数字孪生建设的核心需求，因此，我们针对不同部门间的数据壁垒问题，构建了多层次的技术保障体系。”杨日亮说，首先，通过搭建政务数据中台，统一多部门数据接口标准，实现跨部门数据的互联互通。其次，引入联邦学习技术，在确保原始数据不暴露的前提下，实现多方安全联合建模，真正做到“数据可用不可见”，破除数据共享中的安全难题。对于敏感地理信息，则采用国密算法加密与区块链存证双重保障，既确保了数据安全性又可全程追溯，并运用零知识证明技术，在不泄露数据内容的情况下完成真实性验证，进一步保障数据安全。
杨日亮还就如何破解跨行业数据壁垒与部门协同治理难题提出了三点建议：
第一，成立数字孪生数据治理委员会，推进标准化建设。例如制定基于CityGML3.0扩展协议的跨行业数据格式标准，确保不同行业和部门之间的数据能够顺利互通。
第二，建立分级共享机制。对基础数据实施强制共享、核心数据采用授权共享、敏感数据通过沙箱环境共享，在保障数据安全的前提下，最大程度促进不同类型数据要素的流通。
第三，优化升级技术支撑体系，重点突破模型泛化能力、算力优化和数据实时传输三大技术瓶颈，如跨流域场景迁移学习技术、亿级网格实时仿真算力优化、复杂环境下的低延迟传输技术等，为数字孪生应用提供坚实技术保障。
多域赋能
开辟数字孪生“新航道”
黄河项目并非数字孪生助力水利治理的孤例。据新华社2024年9月报道，数字孪生水利建设为洪水灾害防御和水资源管理等工作开展提供了有力的决策支持，在2022年长江、珠江流域抗旱保供水，2023年杭州亚运会供水保障，2024年湖南团洲垸险情处置等重大防灾减灾工作中发挥了重要作用。
实际上，数字孪生技术不只为黄河流域等水利领域注入了“数智活水”，在安全应急等领域也展现出显著的实战价值。据了解，2025年2月初，四川宜宾市筠连县突发山体滑坡，华测导航技术团队采用“无人机+激光雷达+倾斜摄影”协同的办法，快速精准还原了滑坡碎屑流走向、房屋位移轨迹等关键信息，通过输出滑坡体坡向与坡度分析图，为指挥中心研判现场二次滑坡风险与潜在风险点提供了有力数据支撑，保障了现场救援人员安全。
水文及环境参数等动态数据采集过程
为保障采矿业矿山边坡的稳定性和安全性，避免发生边坡滑坡、崩塌等灾害事故，华测导航自主研发出露天矿山边坡监测预警系统，以多元监测手段监测边坡及排土场主体的表面位移变形、地下水位、内部位移变化情况，并可对实时监测数据进行接收、管理、成图、分析、报警等，满足了矿山安全监测的需求。目前，该系统已在全国20多个省份完成监测数据与省平台的对接服务。
在杨日亮看来，随着技术创新的持续推进和应用场景的不断拓展，数字孪生技术必将在更多领域上“大显身手”，成为推动社会数字化转型和智能化升级的重要引擎。例如在智慧交通领域，可以通过构建车路协同孪生测试场，实现车辆与道路基础设施的智能联动，大幅提升交通运行安全与效率；在新能源领域，可以运用风光水储一体化仿真技术，对风能、光能、水能等可再生能源进行综合管理与优化配置，提高能源利用效率。
为助力数字孪生技术实现“全生命周期自主仿真”“虚实共生”的终极技术目标，杨日亮阐述了华测导航在未来的三大技术攻关方向：
“相信数字孪生技术会在更多行业中发挥重要作用，我们也将持续深化‘感知—计算—决策’技术闭环，推动各产业的数字化转型和智能化升级，助力数字中国建设。”在杨日亮看来，数字孪生技术将从“技术赋能”逐步走向生态重构”，未来大有可为。
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