夏潤亮 李 濤 余 偉 李英睿

數(shù)字孿生是以數(shù)據(jù)、模型為主要元素構(gòu)建的基于模型的系統(tǒng)工程。目前數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)還存在應(yīng)用場景少、技術(shù)瓶頸突破難等問題。數(shù)字孿生技術(shù)通過傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)鏈接現(xiàn)實世界，采用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬等技術(shù)手段建立并持續(xù)更新數(shù)字孿生模型。在水利行業(yè)應(yīng)用中，建立防汛減災(zāi)、水資源管理與調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持和流域規(guī)劃等業(yè)務(wù)機(jī)理模型，逐步建立各水利工程實體的幾何外觀孿生、全生命周期孿生及多尺度孿生，為實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策的智慧水利建設(shè)服務(wù)。

一、研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生是指具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達(dá)，可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖。目前其定義也在發(fā)展演化中，美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室的數(shù)字孿生模式圖示化表示，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，從而反映相對應(yīng)的實體的全生命周期過程。Deloitte定義數(shù)字孿生是物理世界(Physical)與數(shù)字世界(Digital)的橋梁，搭建物理系統(tǒng)、資產(chǎn)或過程的數(shù)字仿真模型。2018年北航數(shù)字孿生技術(shù)研究小組提出了數(shù)字孿生五維模型的概念以適應(yīng)新需求。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展可以分為四個階段，即幾何外觀數(shù)字孿生、多學(xué)科多專業(yè)數(shù)字孿生、全生命周期數(shù)字孿生以及多尺度數(shù)字孿生。通用數(shù)字孿生理論與實踐大大激發(fā)了水利行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)新。

在水利行業(yè)，數(shù)字孿生的理論可用于單獨水庫、水閘、堤防、河道整治工程、局部河段等數(shù)字孿生體的構(gòu)建。由這些虛擬的零件組合成虛擬的組件，由組件進(jìn)一步組合成河流的各個作用系統(tǒng)，進(jìn)而組合成整條河流。若與流域的規(guī)劃、水旱災(zāi)害防御、水資源管理等其他系統(tǒng)相連接，可以創(chuàng)建流域管理的數(shù)字孿生模型。目前數(shù)字孿生技術(shù)正在向這方面發(fā)展。黃河水利科學(xué)研究院智慧水利創(chuàng)新團(tuán)隊秉承“數(shù)字黃河”時代之“數(shù)學(xué)模型”攻關(guān)團(tuán)隊的水動力模擬基因，開展了關(guān)于黃河中下游人工智能預(yù)報、水庫調(diào)度智能適配技術(shù)、洪水演進(jìn)、災(zāi)情評估等模型的模擬研究，并在數(shù)字孿生地形上進(jìn)行展示，為黃河流域管理決策提供輔助支持。“數(shù)字黃河”工程也是數(shù)字孿生技術(shù)在黃河治理開發(fā)與管理上的應(yīng)用體現(xiàn)，“數(shù)字黃河”就是物理黃河的虛擬對照體，是計算機(jī)里的黃河。不同層面的數(shù)據(jù)分析可以對導(dǎo)致淤積或沖刷的工程和整個水資源配置進(jìn)行預(yù)測。

通過數(shù)字技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)和優(yōu)化洞察物理世界的行為，提供更精準(zhǔn)的人為決策?；谀Ｐ?、數(shù)據(jù)、服務(wù)等方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生已廣泛被全球各行業(yè)、各背景、各層次的專家、學(xué)者和企業(yè)研究與應(yīng)用，目前數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域開展了較多的應(yīng)用探索和落地實踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、水利等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。

二、流域數(shù)字孿生模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生并不是單一的數(shù)字化技術(shù)，而是在多種使能技術(shù)迅速發(fā)展和交叉融合基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建物理實體所對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進(jìn)行可視化、調(diào)校、體驗、分析與優(yōu)化，從而提升物理實體性能和優(yōu)化實體效能的技術(shù)策略，是推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略舉措之一。

從數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展背景可以看出，數(shù)字孿生模型是相對于其物理實體而言的。應(yīng)用數(shù)字孿生模型進(jìn)行虛擬試驗，通過對數(shù)字孿生的分析優(yōu)化物理實體的運(yùn)行。需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)如數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應(yīng)用，又促進(jìn)了這些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。構(gòu)建流域數(shù)字孿生模型，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有BIM設(shè)計、無人機(jī)傾斜攝影、機(jī)理數(shù)學(xué)模型、GIS+融合和河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建等。

1.BIM設(shè)計

設(shè)計階段的數(shù)字孿生主要表現(xiàn)為3D建模和仿真，通過計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD)軟件、建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)軟件、計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件等工具實現(xiàn)設(shè)計階段的數(shù)字孿生模型。這個階段采用數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中驗證不同場景下設(shè)計方案的適應(yīng)性、合理性，能夠提高設(shè)計效率、優(yōu)化設(shè)計方案。設(shè)計階段采用數(shù)字孿生模型付出的成本和代價最低，而獲益最大。

水利工程中水庫或河道整治工程設(shè)計階段通常會以CAD或BIM模型來查看不同的布局方案，評估模型是否有干涉等，以水動力模型分析不同方案之間水流淹沒范圍以及流速分布情況，從而為選擇最佳設(shè)計方案提供依據(jù)。

2.無人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影是攝影機(jī)主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向并按一定傾斜角進(jìn)行的攝影，用于制作數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)正射影像。通過相應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等系列處理，形成符合應(yīng)用需求的傾斜影像數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.機(jī)理數(shù)學(xué)模型

機(jī)理數(shù)學(xué)模型的建設(shè)主要滿足防汛減災(zāi)、水資源管理與調(diào)度、水資源保護(hù)、水土保持和流域規(guī)劃等部門及相關(guān)決策層的需求，可支持?jǐn)?shù)字孿生模型的建設(shè)。目前已開發(fā)出大量的氣象預(yù)報、流域產(chǎn)流產(chǎn)沙、洪水預(yù)報、河冰預(yù)報、水庫調(diào)度、河道演進(jìn)等基于不同理論背景的不同空間層次和傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。

（1）防汛減災(zāi)

黃河防汛減災(zāi)業(yè)務(wù)應(yīng)用模型主要包括氣象徑流預(yù)報、洪水預(yù)報、冰情預(yù)報、洪水泥沙調(diào)度和洪水泥沙演進(jìn)等五類應(yīng)用模型。

氣象預(yù)報模型主要有：黃河流域長期天氣預(yù)報模型集（包括物理因子概念模型、動力氣候模式輸出產(chǎn)品預(yù)測模型、數(shù)理統(tǒng)計模型、動力氣候模型）、中尺度數(shù)值模式MM5、中尺度數(shù)值模式AREM和黃河下游中短期冬季氣溫預(yù)報模型、黃河流域中期降雨預(yù)報模型（三花區(qū)間和涇渭洛河流域）、伊洛河、沁河徑流預(yù)測模型。

洪水預(yù)報模型主要有：渭河中下游洪水預(yù)報模型、黃河中游三門峽庫區(qū)洪水預(yù)報模型、花園口站年最大流量預(yù)報模型、黃河三花間降雨徑流模型、小花間分布式水文模型、黃河下游夾河灘～利津洪水流量及水位預(yù)報模型。

冰情預(yù)報模型主要有：寧蒙河段冰凌預(yù)報統(tǒng)計模型、寧蒙河段冰情預(yù)報神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、寧蒙河段槽蓄水量計算模型和黃河下游冰情預(yù)報模型。

洪水泥沙調(diào)度模型主要包括：龍羊峽、劉家峽聯(lián)合防洪調(diào)度模型，三門峽、小浪底、陸渾、故縣四庫防洪調(diào)度模型，小浪底水庫一維水動力學(xué)模型等。

洪水泥沙演進(jìn)模型主要包括：黃河下游一維非恒定流水沙動力學(xué)模型、黃河下游二維水沙演進(jìn)動力學(xué)模型。

（2）水資源管理與調(diào)度

黃河水資源調(diào)度與管理應(yīng)用模型主要包括水資源預(yù)報和水量調(diào)度等兩類模型。

水資源預(yù)報模型主要有：黃河上中游主要來水區(qū)間非汛期徑流預(yù)報模型、花園口年度天然徑流量預(yù)報模型、河源區(qū)分布式徑流預(yù)報模型。

水量調(diào)度模型主要有：黃河下游河段枯水演進(jìn)模型、寧蒙河段枯水演進(jìn)模型、水量調(diào)度方案模型、寧夏灌區(qū)月排水量計算模型。

（3）水資源保護(hù)

黃河水資源保護(hù)應(yīng)用模型主要包括：小浪底至高村河段水質(zhì)模型（黑箱模型、相關(guān)模型、一維穩(wěn)態(tài)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）、黃河下游一維動態(tài)水質(zhì)模型。

（4）水土保持

黃河水土保持應(yīng)用模型主要包括：小流域分布式水動力學(xué)模型（姚文藝等）、農(nóng)地年土壤侵蝕量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停▌⑸平ǎ㈥儽敝行×饔蜉斏沉坑嬎隳Ｐ停步饾桑┑取?/p>

（5）流域規(guī)劃

黃河流域規(guī)劃應(yīng)用模型主要包括：水庫水文水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型（內(nèi)嵌古賢、三門峽和小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控模塊）、水庫一維水動力學(xué)模型、寧蒙河段水文水動力學(xué)模型、龍潼河段水文水動力學(xué)模型、黃河下游水文水動力學(xué)模型、黃河下游一維恒定流水動力學(xué)模型、黃河口一維恒定流水動力學(xué)模型、水資源經(jīng)濟(jì)模型、黃河上游龍青段梯級水電站聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)計算模型、黃河上游電能計算模型、基于電源優(yōu)化擴(kuò)展規(guī)劃的抽水蓄能經(jīng)濟(jì)評價軟件、電力系統(tǒng)電源優(yōu)化開發(fā)模型。

4.GIS+融合

GIS+融合指的是將基于實體創(chuàng)建的水利工程數(shù)字資產(chǎn)對接到GIS的過程。模型導(dǎo)入GIS系統(tǒng)后，在GIS系統(tǒng)中完成建筑物外部地理信息、實體幾何信息及掛接的屬性信息的整合，采用編碼確定唯一對應(yīng)關(guān)系的方式，建立實體+GIS數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將工程從建設(shè)到運(yùn)行全生命周期中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)集成到導(dǎo)入GIS系統(tǒng)的實體模型中，通過實體+GIS數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)及服務(wù)發(fā)布，全方位的支撐數(shù)字資產(chǎn)運(yùn)維。

5.河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建

河流數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)是水文預(yù)報、水庫調(diào)度、洪水演進(jìn)及災(zāi)情評估模型，它將氣象、水文、水動力、人口經(jīng)濟(jì)等作為一個整體，應(yīng)用系統(tǒng)分析原理和方法，對降雨產(chǎn)匯流、水工程調(diào)度、洪水演進(jìn)、泥沙沖淤、河床演變、灘區(qū)淹沒、水庫異重流形成與發(fā)展、下游河道沖淤變化、河勢演變等水動力過程及其對河床和環(huán)境的反饋關(guān)系進(jìn)行理論概括和數(shù)量分析，繼而建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行洪水演進(jìn)過程的實時定量模擬，并可以動態(tài)可視化渲染，與經(jīng)濟(jì)社會人口等進(jìn)行互饋。

洪水環(huán)境感知通過傳感器收集氣溫、濕度、土壤水分和溫濕度、洪水產(chǎn)匯流過程的淹沒情況、漫灘和洪水峰型形態(tài)圖像和數(shù)據(jù)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)的辦法利用洪水傳播圖像實現(xiàn)風(fēng)險期的識別。關(guān)鍵技術(shù)是通過大數(shù)據(jù)判斷雨、洪、沙和水庫調(diào)度的洪水波形狀態(tài)識別技術(shù)?？梢詣討B(tài)調(diào)整模型的參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)下的洪水傳播模擬。通過大數(shù)據(jù)分析得到洪水傳播的各河段流量及水位變化，獲得洪水傳播規(guī)律。通過大數(shù)據(jù)分析找出水庫沖淤與下游河道沖淤變化，實現(xiàn)洪水淹沒損失最小和洪水資源化的輔助決策。利用視頻解決圖像數(shù)據(jù)與水動力數(shù)學(xué)模型預(yù)測數(shù)據(jù)融合，關(guān)鍵是利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果精度評價。

三、數(shù)字孿生在黃河防汛中的應(yīng)用

利用“數(shù)字黃河”建設(shè)中的模型研發(fā)成果，黃河水利科學(xué)研究院智慧水利創(chuàng)新團(tuán)隊采用最新的數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)，連通了廣泛眾多水利傳感設(shè)備通信協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)平臺，集成了洪水風(fēng)險評估理論與技術(shù)，在水旱災(zāi)害防御領(lǐng)域開展了一系列的應(yīng)用實踐，實現(xiàn)了如下功能：

動態(tài)感知。集成物聯(lián)網(wǎng)感知和各類水文監(jiān)測信息，實現(xiàn)各類信息集成展示。包括水庫（三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫庫容、泄流曲線、視頻等）、河道整治工程、水文站、堤防等信息?？蓪崟r查詢各斷面歷史沖淤變化情況。

預(yù)報調(diào)度。平臺接入氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，為實時預(yù)報與全鏈條業(yè)務(wù)模型提供實時數(shù)據(jù)輸入；通過輸入的氣象水文數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌智能算法對黑石關(guān)、武陟進(jìn)行徑流預(yù)測，基于相似度適配技術(shù)進(jìn)行小浪底水庫調(diào)度方案推薦，對徑流預(yù)報結(jié)果進(jìn)行調(diào)度計算結(jié)果展示。同時兼容黃委水文局預(yù)報結(jié)果，聯(lián)動五庫聯(lián)調(diào)模型。

方案預(yù)演?；阡秩静寮姆椒ǖ目梢暬夹g(shù)可以呈現(xiàn)最高的模型結(jié)果渲染質(zhì)量，解決了黃河下游二維河道演進(jìn)計算結(jié)果數(shù)據(jù)量大，通過GIS平臺渲染效率低的問題。實現(xiàn)了下游大洪水演進(jìn)方案預(yù)演展示，并提供方案信息一覽表，為防汛決策預(yù)案提供支撐；提供黃河下游防洪過程中居民遷安救護(hù)撤退路線的實時生成功能，為防汛預(yù)案管理和信息發(fā)布提供支持。

方案對比。平臺提供洪水演進(jìn)方案對比功能，實現(xiàn)對所有計算方案信息的存貯，并可實時比對與實時分屏展示的細(xì)節(jié)對比。

預(yù)警發(fā)布。提供對黃河下游站點的預(yù)警功能，在登入系統(tǒng)后可滾動播報，接入手機(jī)短信發(fā)布功能，可根據(jù)規(guī)定對相關(guān)群體發(fā)布預(yù)警或通知。

智慧河務(wù)。實現(xiàn)對黃河流域重要工程的實景展示，對防汛期間重要工程出險情況采用5G接入現(xiàn)場無人機(jī)視頻，并加載傾斜攝影成果實現(xiàn)3D實景顯示。

四、結(jié) 論

整體來看，數(shù)字孿生技術(shù)在初期，不僅僅是一項通用使能技術(shù)，也將徹底改變大家發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知和更新改造世界的方法。雖然目前數(shù)字孿生只能在有限的場景中得到應(yīng)用，但隨著技術(shù)不斷演化、精密設(shè)備的增加，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的場景也會相應(yīng)增加。但由于數(shù)字孿生是一個新生事物，其建設(shè)發(fā)展是人類認(rèn)識世界觀的改變，在水利業(yè)務(wù)中發(fā)展還比較緩慢。

一是流域數(shù)字孿生的理論可用于不同水利工程的數(shù)字孿生體的構(gòu)建，由各個虛擬組件組合成虛擬流域系統(tǒng)，構(gòu)建流域數(shù)字孿生模型，通過對數(shù)字孿生模型的運(yùn)行模擬，可以反映物理流域的表現(xiàn)。

二是構(gòu)建流域數(shù)字孿生模型，需要BIM設(shè)計、無人機(jī)傾斜攝影、河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機(jī)理數(shù)學(xué)模型和BIM+GIS融合等關(guān)鍵技術(shù)的支撐；同時，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用又進(jìn)一步促進(jìn)了這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

三是在黃河防汛的智慧化建設(shè)中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法、機(jī)理模型和數(shù)字孿生技術(shù)，在黃河智慧防汛平臺上開展了2021年的防汛演練工作，是數(shù)字孿生技術(shù)在水治理工作中的一次嘗試。

推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，還需要在數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生體建設(shè)和數(shù)值模擬與AI結(jié)合等方面加快步伐。