什么是数字孪生？

数字孪生（Digital Twin），也称为数字映射或数字镜像，它是以数字化方式创建物理实体（设备或系统）的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。一般将物理实体称为“本体”，虚拟实体称为“孪生体”。

这不就是我们以前搞的三维建模嘛，没什么新奇的啊？

其实不然。这个数字孪生体并非传统意义上的三维模型。过去，我们使用AutoCAD、3DMAX等软件，对实体对象进行三维建模，再辅以绚丽的动画，呈现了良好的展示效果。市面上的各种电子游戏、动画电影，虽然展现效果都十分精美，但它们不是数字孪生。这是因为数字孪生体这个三维模型，除了用于呈现本体之外，它还可对本体的运行状态进行分析与诊断；更为重要的是，这个孪生体“活”在数字世界中，像人一样具有“自主”行为，它可与周边的环境发生交互，并将交互的结果反馈给“本体”。

因此，数字孪生本质上是一种解决复杂问题的方法。简单来说，它是一种通向零成本的试错之路。物理世界的运转容不得一丝差错，我们无法屡次试错来进行决策。运用数字孪生技术，我们可在不改变物理世界的情况下，克隆出与之对应的虚拟世界，在虚拟世界中进行各种创新性尝试，预知该决策是否可运用到现实生活中，以大大减少试错成本，同时还可不断调优，使得决策更加科学高效。正因为数字孪生具有如此强大的功能，它已从最早应用于工业生产线，扩展到建筑、市政领域，再拓展至智慧城市领域，现在已延展到居民及家庭健康管理领域。

在生产制造领域，通过建设数字孪生工厂，把工厂每个车间、每条流水线、每台设备、每个生产动作都映射在虚拟工厂上；在生产过程中，实时监控实体工厂的生产状态，及时发现生产瓶颈，优化车间调度，从而提高生产效率和管理水平。在城市管理领域，通过构建数字孪生城市，可实现城市全景可视化和动态智能管理；比如通过对城市交通数据进行实时分析，可精准预测城市交通拥堵的关键节点，提前进行交通管制，缓解交通压力。

这么厉害吗？那数字孪生是怎么做到这么厉害的？

对的！数字孪生之所以这么厉害，那是因为它使用了三大“法宝”——算据、算法、算力！我们分别来看看吧。在上一问题中，我们说数字孪生体“活”在数字世界中，是会“动”的。那么在数字世界中，孪生体如何“动”则取决于算法，算法是规则，告诉孪生体如何正确地去“动”。光有算法还不行，必须依靠算据去驱动孪生体“动”，如果没有算据去激发，孪生体犹如汽车没有汽油一样动不了。孪生体在“动”的过程中，涉及大量计算，必须依靠算力提供支撑与保障。

具体来看，数字孪生的实施与应用是一个包括多学科、多领域技术集成的系统工程，涉及建模与仿真、虚拟制造、数字样机、大智物移云新兴信息技术等方面。数字孪生技术架构通常包含五层，自下而上为感知、数据、建模、可视化和应用。另外，还需要平台软件、机理分析等支撑。建立数字孪生，数据是基础，模型是核心，软件或平台是载体。

算法模型我们一直都在研究，数字孪生中的模型有什么不一样的吗？

是的！过去我们研究模型，更多地关注点在机理模型方面，比如在我们水文行业中鼎鼎有名的新安江模型就是一种机理模型。在数字孪生中，除了机理模型以外，必须引入数据驱动模型。数据驱动模型可以简单理解为人工智能模型。数字孪生体在数字世界中，可“自主”地与周边的环境发生交互的能力，便是智能模型所赋予的，就好比具有人类“智慧”一样。正如当下十分火爆的汽车自动驾驶一样，采用计算机视觉技术，必须依赖于人工智能模型（如卷积神经网络等），而传统机理模型是难以满足要求的。

数字孪生基本明白了，那为什么要建设数字孪生水文呢？

前面我们说过，数字孪生是一种解决复杂问题的方法论。我们建设数字孪生水文，自然是想通过数字孪生这一利器，来解决水文的实际问题。水文工作是经济社会发展的基础性、先行性事业，当前我国已进入新发展阶段，人民群众对水旱灾害防御的安全性及良好水资源水生态水环境需求的日益增长，对水文工作提出了新的更高要求，必须加快推进水文现代化建设。对标新形势新要求，水文还存在全要素自动感知能力不足、业务智能化程度不高、服务水平有待提升等短板，现代化水平落后于时代发展要求。

问题是时代的声音，只有科学地认识、正确地解决这些问题，才能不断推进发展。经过多年的实践与探索，我局提出了水文“五大体系”建设路径，正是准确把握问题、科学解决问题、推动高质量发展的关键举措。从某种意义上讲，水文学也是一门数据科学，其主要业务工作要围绕水文数据“做好文章”，关键在于解决好“在哪采集数据”“怎么采集数据”“如何加工数据”“提供什么数据”“怎么做好保障”等几个关键问题。“五大体系”中每个体系，均是为了更好地解决这些问题而提出的。

当前，经济社会进入数字时代，数字化、网络化、智能化已成为经济社会及我们每个人工作生活的一部分，就如同空气与水一般，须臾不能分离。在这个时代中，数字化转型已成为企业或组织推动高质量发展的“必选项”。我们唯有跟上数字化发展潮流，才不会被时代所抛弃。因此，我们要用好数字技术赋能“五大体系”建设，开展水文数字化转型，建设数字孪生水文，扎实推动水文高质量发展。

原来如此，那我们怎么建数字孪生水文呢？

在讨论如何建设数字孪生水文前，有必要对“数字孪生水文”做个定义。目前，“数字孪生水文”还是一项全新的概念。结合数字孪生的概念、内涵、本质，以及水文的学科属性与行业特征，我们可以大致提炼出数字孪生水文的基本含义。数字孪生水文是将现实中的水文组织数字孪生化，具体来说，就是利用数字孪生、人工智能等新一代信息技术，将水文组织的业务、服务与管理等全过程进行全方位数字化建模，从而在计算机系统中建设一个与水文组织对应的数字孪生体——数字孪生水文。这个孪生体犹如一个智慧大脑，基于机理模型、智能算法、规则图谱，对各种输入进行运算、响应，得出对应的最优化解决方案，进而实现对水文业务、服务与管理的提档升级，推动水文高质量发展。

下面结合长江水文业务发展实际，看看如何建设数字孪生水文：

一要做好顶层设计。建设数字孪生水文涉及一系列创新，是一项复杂的系统工程，需要科学规划、全员参与、协同配合。在信息化时代，信息部门被定位成业务的支撑部门，经常是被动地实现业务的需求和信息系统的建设；在数字化时代，业务与信息技术需要深度融合在一起，信息技术部门需要走向前端，与业务部门共同做好顶层设计与系统建设。

二要抓好具体实施。业务方面，提升感知能力，优化算法模型，推进数字赋能，以水文水资源一体化平台为基础，深入融合数字孪生技术，打造具有“柔性”生产能力的水文测报、预报预警、分析评价等水文业务数字孪生平台。服务方面，以用户为中心，大力发展水文数字经济，推进水文数据价值化工作，打造水文“知网”、水文“百度”、水文“淘宝”等服务平台，不断提升水文专业及公共服务水平，打造水文经济新增长极。管理方面，参照数字政府建设的思路推进，以系统化的管理思想，强化全局核心资源的动态管理，为广大干部职工提供高效智能、功能齐备的数字化办公管理平台，强化管理协同、提升治理效能。

三要强化组织保障。要加强组织领导，各级领导要提高认识、亲自推动，协调解决重大问题；要善于倾听内外部声音，提升数字化转型意识，积极动员全员参与。要坚持先行先试，分阶段实现目标，快速上线、小步快跑、敏捷迭代，并随着社会发展、业务变化不断调整转型策略。要提升数字技能，要加强数字技术学习，培养数字化思维，营造数字文化。要坚持开放共享，善于学习其他行业的成功经验和优秀做法，消化吸收后转变为自身的转型方法，避免走弯路，提高转型效率；要乐于将自身成功经验分享出去，助力水文同行转型升级。