面向流域水工程防災(zāi)聯(lián)合智能調(diào)度的數(shù)字孿生長江探索

黃 艷，喻 杉，羅 斌，李榮波，李昌文，黃 衛(wèi)

（1.水利部長江水利委員會，湖北 武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；3.長科科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

1.1 數(shù)字孿生概念及發(fā)展 數(shù)字孿生技術(shù)為充分利用物理模型、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、多概率的仿真過程，在虛擬空間中反映物理實(shí)體的全維度、全生命期過程［1-2］，其本質(zhì)是以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建與物理世界一致的模型，并通過信息感知、計算、場景構(gòu)建等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對物理世界狀態(tài)的感知評估、問題診斷以及未來趨勢預(yù)測，從而對物理世界進(jìn)行調(diào)控［3-4］。作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和促進(jìn)智能化升級的重要技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)制造［5］、電力系統(tǒng)［6］、智慧城市［7］等領(lǐng)域建立了相對成熟的理論技術(shù)體系，并已逐步走向?qū)嵱秒A段。如何在水利等傳統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)域普及與推廣，提升行業(yè)管控能力，是數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展建設(shè)所需要關(guān)注的重點(diǎn)與難點(diǎn)［8］。在當(dāng)前我國各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)技術(shù)自主和數(shù)字安全的發(fā)展階段，數(shù)字孿生技術(shù)具有的高效決策、深度分析等特點(diǎn)，將有力推動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，加快實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的國家戰(zhàn)略［9］。

1.2 數(shù)字孿生流域概念及發(fā)展 數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心，最初始于數(shù)字流域的建設(shè)和應(yīng)用。早在1990年代至本世紀(jì)初，我國長江、黃河等流域已經(jīng)有了較低版本的數(shù)字流域，包括，采用水位自記儀、流速儀或走航式ADCP 測流等監(jiān)測手段，基于衛(wèi)星GPRS 等信息傳輸技術(shù)形成了覆蓋較為全面的信息感知網(wǎng)，采用自主研發(fā)的新安江、馬斯京根演算等水文模型，結(jié)合各種商業(yè)模型，如丹麥水力研究所DHI 的MIKE11、英國Wallingford 的Infoworks 和荷蘭三角洲研究院的Delft-FEWS 等，耦合氣象定量降雨預(yù)報、水質(zhì)模擬等模型，構(gòu)建了具備實(shí)時展現(xiàn)及一定預(yù)見期內(nèi)預(yù)測模擬、重點(diǎn)服務(wù)防汛抗旱的數(shù)字流域。然而早期數(shù)字流域建設(shè)普遍存在對社會經(jīng)濟(jì)、人類行為等多元數(shù)據(jù)融合應(yīng)用不足，無法自動分析計算水情、工情并提出管理建議等短板，在預(yù)報預(yù)預(yù)警、信息智能分析等方面能力不強(qiáng)，且隨著流域管理和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對智能技術(shù)要求的不斷提高，已有系統(tǒng)智慧化程度不足的問題日益凸顯。

在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，2008年IBM 公司率先提出了“智慧地球”的概念，掀起了全球范圍內(nèi)“智慧化”建設(shè)的浪潮，此后智慧型流域建設(shè)［10］一直是我國水利行業(yè)重要發(fā)展方向，一些具有一定智慧化功能的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)［11］、長江流域預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)［12］等建成并投入使用，尤其在我國流域已進(jìn)入后工程時期的情況下，大部分系統(tǒng)缺乏調(diào)度模型技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)度模擬水系統(tǒng)中的工程體系。此外，當(dāng)物理世界發(fā)生變化時定制化系統(tǒng)無法快速拓展延伸功能和應(yīng)用，距離數(shù)字孿生精準(zhǔn)映射、精確反映所需的實(shí)時更新、及時迭代的目標(biāo)存在較大差距［13］。

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)升級的加速，新時期水利建設(shè)目標(biāo)也愈加明確，李國英部長明確提出要充分運(yùn)用數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展［14］。此外，“數(shù)字孿生長江”、“數(shù)字孿生黃河”等流域數(shù)字孿生建設(shè)目標(biāo)也多次被水利部與各大流域管理機(jī)構(gòu)提及，數(shù)字孿生流域已成為當(dāng)下行業(yè)熱門的研究課題［15］。然而，現(xiàn)階段仍處于數(shù)字孿生流域建設(shè)的探索階段，如何進(jìn)一步細(xì)化與完善流域數(shù)字孿生建設(shè)的具體實(shí)施方式與技術(shù)手段仍需進(jìn)行大量研究探討，這也是本文的研究目的與初衷。

“數(shù)字孿生流域”的本質(zhì)是充分利用監(jiān)測及基礎(chǔ)信息，結(jié)合流域相關(guān)領(lǐng)域知識，在虛擬世界中模擬和再現(xiàn)水流及涉水相關(guān)物理以及決策要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系和動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)流域天然來水模擬預(yù)測、水工程調(diào)度及其影響和效果的快速、準(zhǔn)確智能分析，將感知獲取的信息和計算分析的成果轉(zhuǎn)換為流域管理以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相關(guān)的分析評價要素，并通過對工程調(diào)度規(guī)則和水管理知識的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)決策方案的智能推送。因此，數(shù)字孿生流域除快速準(zhǔn)確反映物理世界的實(shí)際變化外，更重要的是可用于模擬和預(yù)演對比各種可能發(fā)生的情景（如不同分洪潰口及其影響），為流域管理決策提供更為智能和精準(zhǔn)的技術(shù)支持。數(shù)字孿生流域構(gòu)建要素及作用如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生流域基本功能及構(gòu)建要素

在流域普遍由天然河流轉(zhuǎn)變成為受工程調(diào)度控制影響的河流的后工程時代［16］，數(shù)字孿生流域的建立需依托水工程智慧調(diào)度運(yùn)行，為流域預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案提供分析計算能力，為防汛抗旱管理業(yè)務(wù)提供決策支持［17］。同時，由于數(shù)字孿生流域的信息全域性，不僅可為流域管理提供技術(shù)支持，還可為涉及流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通、電力、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)發(fā)展提供可加工、可分性的數(shù)據(jù)信息資源和泛在應(yīng)用［18-19］，為流域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供支撐。為此，水利部2021年11月發(fā)布的《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》［20］中明確數(shù)字孿生流域是智慧水利建設(shè)的核心部分，其建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)字孿生平臺、數(shù)據(jù)底板、模型平臺和知識平臺，如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生流域構(gòu)建總體框架圖

1.3 后工程時期數(shù)字孿生流域構(gòu)建的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)水工程聯(lián)合智能調(diào)度 我國的流域管理已由工程建設(shè)期向工程調(diào)度運(yùn)行期轉(zhuǎn)變（即后工程時期）［16］。根據(jù)第一次水利普查公報成果，我國已建成水庫9.8萬座（總庫容約9323 億m3）、水閘26.8 萬座、堤防41.37 萬km、泵站42.45 萬座。由于大量水工程的調(diào)度應(yīng)用，流域水文情勢受到不可逆的影響，水工程調(diào)度也已由單獨(dú)運(yùn)行向聯(lián)合運(yùn)行發(fā)展，調(diào)度目標(biāo)從單目標(biāo)向防洪、供水、航運(yùn)、生態(tài)等多目標(biāo)轉(zhuǎn)化，水管理由以被動響應(yīng)的方式向聯(lián)合調(diào)度水工程主動防御、流域統(tǒng)一調(diào)度和管理的方式轉(zhuǎn)變，需統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多種工程調(diào)度運(yùn)行方式，均衡協(xié)調(diào)流域管理各階段、各目標(biāo)之間的競爭協(xié)同關(guān)系，包括汛前消落、汛期防洪、汛末蓄水、枯季生態(tài)修復(fù)及環(huán)境保護(hù)等多目標(biāo)均衡優(yōu)化問題［21］。因此，決策支持的信息化建設(shè)需要重點(diǎn)研發(fā)水工程智能調(diào)度模型，在預(yù)報預(yù)警基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水工程智能調(diào)度、水災(zāi)害動態(tài)評估和風(fēng)險調(diào)控、人群避險轉(zhuǎn)移等不同決策階段信息流全過程、水管理全要素之間的互饋響應(yīng)關(guān)系。此外，現(xiàn)代水管理日趨精細(xì)化，除了面向流域主管部門的管理需求外，還需向社會公眾提供預(yù)報預(yù)警以及避險提示等個性化服務(wù)。由此可知，提升水工程調(diào)度決策支持能力，完善各項(xiàng)涉水服務(wù)體系與保障能力，是流域管理后工程時期的必然選擇［22］，也是數(shù)字孿生流域的構(gòu)建重點(diǎn)。

本文以長江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用為例，探索提出數(shù)字孿生流域的構(gòu)建重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了數(shù)字孿生長江的功能及其在2020年長江流域性大洪水防御和應(yīng)對中的應(yīng)用。

2 數(shù)字孿生長江建設(shè)總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

按照數(shù)字孿生流域構(gòu)建主要內(nèi)容，結(jié)合長江流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度現(xiàn)實(shí)需求及已有建設(shè)基礎(chǔ)，以防洪調(diào)度為目標(biāo)的數(shù)字孿生長江建設(shè)關(guān)鍵要素包括：數(shù)據(jù)建設(shè)、模型建設(shè)（即基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型開發(fā)）、知識平臺建設(shè)（即工程調(diào)度規(guī)則及其引擎、多目標(biāo)優(yōu)化等知識的應(yīng)用）、數(shù)字孿生平臺建設(shè)（即標(biāo)準(zhǔn)組件式搭建及其流程技術(shù)）、基于GIS+BIM（Building Information Modeling，BIM）的VR 動態(tài)展示技術(shù)等。數(shù)字孿生長江的構(gòu)建充分利用流域機(jī)構(gòu)已有氣象水文預(yù)報決策支持平臺和模型技術(shù)，重點(diǎn)補(bǔ)充其在數(shù)據(jù)、算力、智能等方面短板，總體架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 以防洪為示范應(yīng)用的數(shù)字孿生長江建設(shè)總體框架圖

2.1 數(shù)據(jù)建設(shè)-構(gòu)建數(shù)字孿生流域的數(shù)字底座 流域管理及涉水業(yè)務(wù)所需要的多源數(shù)據(jù)主要包括水文數(shù)據(jù)和人工信息。按照信息分類可將數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)信息、其他信息，其中基礎(chǔ)信息主要包括河流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會、空間基礎(chǔ)信息等基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)；監(jiān)測信息主要包括面向業(yè)務(wù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和針對水利工程的實(shí)時視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)，如氣象、水雨情、工情、險情、災(zāi)情等信息；業(yè)務(wù)信息主要包括流域水情預(yù)報、防洪調(diào)度、應(yīng)急水量調(diào)度、監(jiān)視與評價和調(diào)度會商等業(yè)務(wù)。其他信息包括政府部門、企業(yè)、用戶等人為相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4 展示了流域信息采集感知所需的基本信息和監(jiān)測手段，其中手機(jī)信息主要用來獲取流域內(nèi)相關(guān)人群活動，為實(shí)現(xiàn)公眾參與的各項(xiàng)涉水行為提供人群信息，比如采用基于位置服務(wù)（LBS）的人群屬性的應(yīng)急避險技術(shù)［23］。

圖4 天空地立體監(jiān)測技術(shù)（監(jiān)測對象包括流域內(nèi)物理要素及人類活動）

長江流域的數(shù)字底座已經(jīng)有一定基礎(chǔ)。通過長期建設(shè)，長江流域基本建成了集水文、水環(huán)境、水生態(tài)、河湖岸線、水土保持于一體的綜合監(jiān)測站網(wǎng)，形成了監(jiān)測、匯集、融合處理、整編、應(yīng)用等信息流全鏈條監(jiān)測體系。截至2020年，長江流域（片）共計建成各類站點(diǎn)34 377 個，包括水文站2526 個、水位站5014 個、雨量站21184 個、蒸發(fā)站4 個、水質(zhì)站（地表水）4328 個、墑情站1306 個以及實(shí)驗(yàn)站15 個；設(shè)立了196 個?。▏┙鐢嗝妗?500 多個水環(huán)境斷面、4200 多個河道固定斷面、211個長江干流、主要支流和重要支流入河口等固定觀測斷面，對流域環(huán)境、生態(tài)、水土保持等情況實(shí)施控制性監(jiān)測；每5年開展1 次長江中下游水道地形觀測；連續(xù)20年開展長江重點(diǎn)江段水生態(tài)監(jiān)測。同時，經(jīng)過幾十年的積累，長江流域已系統(tǒng)收集整理了水文泥沙、地質(zhì)勘查、河道觀測、涉水工程、地理信息、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等方面的基礎(chǔ)信息資料，包括1.8 萬余條河流、1600 余個湖泊、5 萬余座水庫、4 萬余段堤防、3 萬余座水閘、4 萬余座泵站和50 余座引調(diào)水工程等；積累形成了1930年代以來系統(tǒng)的監(jiān)測資料，形成了較為全面的流域基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，還建成了一批業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫，形成了一套涵蓋規(guī)劃、水旱災(zāi)害防御、水資源管理、河湖管理、節(jié)約與保護(hù)、采砂管理、水土保持管理、監(jiān)督執(zhí)法等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)體系。長期、大量、多專業(yè)數(shù)據(jù)積累為數(shù)字孿生長江的建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)支撐。

數(shù)據(jù)建設(shè)的關(guān)鍵是融合與應(yīng)用。正在不斷完善構(gòu)建的長江大數(shù)據(jù)中心融合了地形地質(zhì)、土地利用、水文氣象、社會經(jīng)濟(jì)、人群行為等多維度信息，耦合氣象、水環(huán)境水生態(tài)發(fā)展、風(fēng)險評估等邊界，利用了云計算、大數(shù)據(jù)、5G 等現(xiàn)代信息技術(shù)，為數(shù)字孿生長江的智能計算中心和決策支持中心提供數(shù)據(jù)和計算服務(wù)。

2.2 算力建設(shè)-專業(yè)模型及模擬體系構(gòu)建 實(shí)現(xiàn)流域中水流、河道、水環(huán)境、水生態(tài)等物理世界的數(shù)學(xué)模擬是數(shù)字孿生流域構(gòu)建的動力，而這些模擬所需的模型存在自主研發(fā)通用性不足、對流域變化環(huán)境快速響應(yīng)（比如決口）適應(yīng)能力不強(qiáng)等問題。本文從模型通用性、變化環(huán)境適應(yīng)性兩方面探索數(shù)字孿生構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

2.2.1 通用模型構(gòu)建 專業(yè)模型是數(shù)字孿生流域構(gòu)建的核心技術(shù)，也一直是流域水管理決策支持技術(shù)的關(guān)鍵。國內(nèi)外的多家研發(fā)機(jī)構(gòu)或單位，經(jīng)過多年的研究已形成各具優(yōu)勢的模型，尤其國外近年來更呈現(xiàn)出系列化、產(chǎn)品化、平臺化的趨勢。比如，丹麥水力研究所已擁有水文、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、海岸與海洋、城市、地下水等大量相關(guān)的計算模型，能夠處理數(shù)據(jù)獲取、整合、驗(yàn)證分析等任務(wù)，已開發(fā)基于平臺技術(shù)的MIKE-Operation 模型平臺，可將所有模型功能集成，方便用戶選用和配置。相較于國外，國內(nèi)專業(yè)計算模型在理論技術(shù)上并不遜色，但是在實(shí)施技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性等方面服務(wù)能力不足。因此，數(shù)字孿生長江在建設(shè)過程中，根據(jù)靈活快速搭建和迭代的需要，建設(shè)了通用模型庫，包括降雨徑流預(yù)報模型、河道洪水演算模型、水質(zhì)預(yù)報預(yù)測模型、水資源配置模型、調(diào)度模型、風(fēng)險評估模型以及數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等。數(shù)字孿生長江通用模型庫目錄見表1。

表1 數(shù)字孿生長江建設(shè)通用模型庫（以防洪應(yīng)用為主）

2.2.2 多專業(yè)模型耦合 多學(xué)科耦合的模型是數(shù)字孿生流域建設(shè)的新需要。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型大部分是圍繞相對單一的信息要素和過程進(jìn)行模擬，如降雨-徑流接近產(chǎn)匯流問題，河道洪水演進(jìn)模型可模擬各斷面水流/水位，水質(zhì)、泥沙等模型則在水動力模型的基礎(chǔ)上疊加泥沙輸移機(jī)理和物質(zhì)遷移擴(kuò)散機(jī)制，形成水質(zhì)模型或泥沙模擬模型。但是在很多情況下，單一模型無法勝任復(fù)雜物理要素的模擬，需要耦合多種學(xué)科模型來解決準(zhǔn)確映射的問題。如堤防潰決時，潰口大小受水流沖刷影響發(fā)生變化，而潰決斷面變化又反過來影響水流態(tài)勢的發(fā)展，目前能夠全面模擬和反映堤防潰口水土相互作用的數(shù)學(xué)模型尚不成熟。

傳統(tǒng)技術(shù)中，可以用物理模型模擬堤防潰決，或者在人為給定（或簡單土力學(xué)侵蝕計算）的潰口發(fā)展過程基礎(chǔ)上，采用水動力學(xué)模型（依托圣維南方程組）模擬潰口流量過程。為了更好地再現(xiàn)潰口全域過程，本研究以物理模型為驗(yàn)證，監(jiān)測、分析堤防結(jié)構(gòu)材質(zhì)潰決機(jī)理，耦合水動力學(xué)方程、泥沙輸移方程、河床變形方程，并結(jié)合土體重力失穩(wěn)坍塌機(jī)理，提出了堤防潰決全場全過程模擬模型，實(shí)現(xiàn)了“原型→物理模型→數(shù)字模型”的孿生映射，如圖5 所示。同時，按照模型通用性要求，建立了隨時提供插件化服務(wù)的堤防潰口耦合通用模型。

圖5 數(shù)字孿生核心技術(shù)—模型耦合技術(shù)案例：分洪潰口從原型到物理模型到數(shù)字模型的孿生

圖6 為采用水沙耦合模型對物理試驗(yàn)潰口模擬結(jié)果。從圖中可以看出，計算峰值流量為0.317 m3/s，實(shí)測峰值流量為0.307 m3/s，相對誤差為3%，計算流量上漲過程和下降過程都與實(shí)測值符合較好。

圖6 水沙耦合數(shù)學(xué)模型對物理實(shí)驗(yàn)潰口模擬結(jié)果

2.3 智能建設(shè)-流域水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)則庫及其引擎 不同于天然河流，數(shù)字孿生長江需要根據(jù)實(shí)時及未來水雨情、工情、險情等，對水工程按照聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度模擬，并對調(diào)度方案進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，分析其調(diào)度效果和風(fēng)險，按照效益最大、風(fēng)險最低的原則，將合適的調(diào)度方案推送給流域調(diào)度管理決策者。因此，數(shù)字孿生長江的建設(shè)需要將水工程聯(lián)合調(diào)度方案進(jìn)行規(guī)則化、模型化。經(jīng)過多年的研究和流域管理實(shí)踐，以防洪為主要目標(biāo)，兼顧蓄水、發(fā)電、航運(yùn)、泥沙、生態(tài)等其他目標(biāo)，長江流域已經(jīng)形成了較為成熟的水工程聯(lián)合調(diào)度方案［24］，并基于已有的調(diào)度研究成果和經(jīng)驗(yàn)知識體系，采用知識圖譜等信息化手段，構(gòu)建了水工程調(diào)度規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)了水工程聯(lián)合調(diào)度方案邏輯化、結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化，初步構(gòu)建出水工程聯(lián)合調(diào)度的“智慧大腦”［25］，形成了數(shù)字孿生長江在防洪領(lǐng)域的智慧應(yīng)用。

2.3.1 水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)則庫 作為數(shù)字孿生長江的智能核心，發(fā)揮水工程綜合效益關(guān)鍵技術(shù)主要包括制定滿足多目標(biāo)需求的多種工程的調(diào)度方案和構(gòu)建基于調(diào)度方案的調(diào)度規(guī)則庫（或知識庫）［26］。長江流域自2008年三峽開展175 m 試驗(yàn)性蓄水調(diào)度運(yùn)用以來，聚焦防洪，兼顧發(fā)電、供水、航運(yùn)等水資源的綜合利用、促進(jìn)魚類繁殖的生態(tài)調(diào)度、抑制水華的水環(huán)境保護(hù)等多方面需求，以2009年《三峽優(yōu)化調(diào)度方案》批復(fù)和應(yīng)用為起點(diǎn)，長江流域經(jīng)歷了以三峽為核心從單一水庫（2008—2011年）到水庫群聯(lián)合調(diào)度（2012—2018年）、再到多種水工程聯(lián)合調(diào)度（2019年至今）的水工程（水庫+蓄滯洪區(qū)+排澇泵站+引調(diào)水工程等）聯(lián)合調(diào)度發(fā)展三階段［27］，逐步形成了流域防洪工程體系以防洪為主要目標(biāo)兼顧其他目標(biāo)調(diào)度的聯(lián)合調(diào)度方案。經(jīng)歷十幾年的發(fā)展后，如圖7 所示，納入2021年聯(lián)合調(diào)度的水工程共107 座［24］，其中控制性水庫47 座，調(diào)節(jié)庫容1066 億m3，防洪庫容695 億m3。這些以數(shù)字和文字構(gòu)成的調(diào)度方式（即專業(yè)知識），形成了水工程聯(lián)合調(diào)度智能化的基礎(chǔ)支撐，也是調(diào)度規(guī)則庫構(gòu)建的依據(jù)和基礎(chǔ)。

圖7 長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案發(fā)展進(jìn)程及2021年納入聯(lián)合調(diào)度方案水庫群示意圖

對防洪而言，根據(jù)設(shè)計洪水和工程設(shè)計任務(wù)等確定的水工程聯(lián)合調(diào)度方案是調(diào)度規(guī)則庫建設(shè)的依據(jù)。依據(jù)水工程聯(lián)合調(diào)度方案和各工程的調(diào)度規(guī)程，明確調(diào)度涉及的水工程、來水邊界站點(diǎn)、控制對象，解析流域來水形勢、調(diào)度需求、調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度對象、工程啟用條件、運(yùn)行方式等要素間語義邏輯關(guān)系及內(nèi)在規(guī)律，提取調(diào)度方案特征值，建立水工程運(yùn)行規(guī)則的知識化描述構(gòu)架，并將調(diào)度方案邏輯化、關(guān)聯(lián)化，即可形成可適配不同流域（河流）、可供調(diào)度模擬應(yīng)用的調(diào)度規(guī)則庫。

調(diào)度規(guī)則庫原型示意見圖8。調(diào)度規(guī)則庫的構(gòu)建為數(shù)字孿生流域進(jìn)行工程的調(diào)度運(yùn)用模擬多方案比選提供智能基礎(chǔ)。

圖8 調(diào)度規(guī)則庫原型示意

2.3.2 水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)則庫引擎 調(diào)度引擎是驅(qū)動工程調(diào)度規(guī)則庫應(yīng)用的技術(shù)，是數(shù)字孿生長江構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)之一，其構(gòu)建方法為：針對調(diào)度規(guī)則庫和知識庫，提取其中調(diào)度對象與調(diào)度知識之間的邏輯化、數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化、智慧化的關(guān)系數(shù)據(jù)，構(gòu)建調(diào)度規(guī)則解析應(yīng)用關(guān)系模型，開發(fā)驅(qū)動該關(guān)系模型（即調(diào)度引擎）的相關(guān)模型集，形成規(guī)則庫調(diào)用、轉(zhuǎn)移、升級、查詢等一系列面向?qū)I(yè)用戶的規(guī)則庫搭建、編譯、維護(hù)和應(yīng)用工具集，實(shí)現(xiàn)對各調(diào)度對象涉及信息和運(yùn)用規(guī)則的解析、擴(kuò)展和應(yīng)用。

圖9 示意了水工程調(diào)度規(guī)則庫的調(diào)用、可視化以及規(guī)則庫維護(hù)等關(guān)鍵引擎要素。

圖9 調(diào)度規(guī)則庫關(guān)鍵引擎要素

以防洪調(diào)度為例，“數(shù)據(jù)—識別—研判”模型的構(gòu)建是防洪調(diào)度引擎的實(shí)現(xiàn)路徑，防洪調(diào)度引擎的構(gòu)建步驟如下：

（1）基于調(diào)度規(guī)則的數(shù)字化和模型化，對調(diào)度節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的映射關(guān)系進(jìn)行數(shù)字化描述；

（2）采用統(tǒng)計識別、結(jié)構(gòu)識別等方法進(jìn)行聚類分析，對規(guī)則中的復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行特征抽取，得到不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系與庫群協(xié)作組合方式間的映射模式；

（3）分析評價調(diào)度效果及工程后續(xù)綜合利用能力等，對映射模式進(jìn)行反饋修正，完成可持續(xù)改進(jìn)的“數(shù)據(jù)—識別—研判”閉合模型構(gòu)建。

基于上述技術(shù)路線，研究采用JAVA 語言編寫開發(fā)了防洪調(diào)度引擎并封裝為服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了水工程調(diào)度規(guī)則庫的解析和應(yīng)用兩方面功能：（1）基于統(tǒng)一框架標(biāo)準(zhǔn)格式解析規(guī)則庫內(nèi)的調(diào)度信息，并存儲于模型計算類中，封裝成相應(yīng)的服務(wù)供應(yīng)用模型調(diào)用；（2）根據(jù)水文預(yù)報信息實(shí)現(xiàn)流域防洪形勢智能研判，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)度影響關(guān)系和效果評估，基于不同主觀偏好驅(qū)動調(diào)度規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用模擬。

2.4 應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法構(gòu)建知識庫和提升智能水平 如果將基于物理機(jī)理的專業(yè)模型比作數(shù)字孿生長江的神經(jīng)脈絡(luò)，將工程調(diào)度規(guī)則作為其智能的一部分，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法構(gòu)建的“知識庫”則是數(shù)字孿生長江實(shí)現(xiàn)“智慧”的重要組成部分。本文以防洪智慧調(diào)度為例，介紹應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在提升長江防洪調(diào)度計算分析能力中的應(yīng)用。

2.4.1 洪水發(fā)生器 實(shí)時調(diào)度中，需要應(yīng)對流域大洪水或超標(biāo)準(zhǔn)洪水，制定相應(yīng)的防御預(yù)案；此外，還需要提前針對各種大洪水進(jìn)行模擬調(diào)度，做好調(diào)度方案庫，為實(shí)時調(diào)度提供機(jī)器學(xué)習(xí)的參考。而水工程的調(diào)度方案一般根據(jù)以天然來水計算的設(shè)計洪水以及工程防洪任務(wù)分配等進(jìn)行編制，水文過程的隨機(jī)性使得歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)無法代表所有可能發(fā)生的洪水遭遇組合或者量級、規(guī)模等特性，在實(shí)時調(diào)度中不一定會出現(xiàn)類似的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水，且天然情況下大洪水發(fā)生的機(jī)率較低，超過流域防洪標(biāo)準(zhǔn)的大洪水更少。

針對這種實(shí)測大洪水過程少、洪水樣本需要豐富的問題，基于逐層嵌套結(jié)構(gòu)、綜合考慮時間分布、地區(qū)組成和定位分析，研發(fā)了基于概率統(tǒng)計方法的“洪水發(fā)生器”，可根據(jù)需要，引入Copula 函數(shù)構(gòu)建洪峰-洪量二元聯(lián)合聯(lián)合分布函數(shù)，選取不同模擬參數(shù)，獲取控制站不同組合的模擬洪水［28］，實(shí)現(xiàn)豐富大洪水樣本的目標(biāo)。模型原理及在長江上游應(yīng)用時的孿生場景映射關(guān)系如圖10 所示。

圖10 洪水發(fā)生器模型原理及孿生場景映射關(guān)系

以長江流域1870年洪水為例進(jìn)行應(yīng)用模擬。1870年洪水是荊江河段典型的超標(biāo)準(zhǔn)洪水，歷史洪水災(zāi)害嚴(yán)重，但洪水實(shí)測資料缺乏，三峽工程初步設(shè)計階段采用洪水調(diào)查資料對宜昌站洪水過程進(jìn)行了分析計算，但無上游金沙江及支流洪水成果。在以往調(diào)查分析成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史洪水資料庫中干支流時序上的關(guān)聯(lián)性以及地區(qū)上的組合遭遇規(guī)律信息，運(yùn)用所建模型模擬分析長江上游干支流主要控制站洪水過程，如圖11 所示。

圖11 長江上游干支流主要控制站模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果可以看出，在三峽工程設(shè)計階段對1870年進(jìn)行了大量分析研究工作，宜昌站洪峰流量用水文學(xué)和水力學(xué)方法多次計算，其數(shù)值大多在100 000～120 000 m3/s，本次模擬宜昌站洪峰流量為105 000 m3/s，與歷史大洪水調(diào)查分析結(jié)果相近；進(jìn)一步獲取枝城洪水模擬過程（宜昌站加上清江長陽站），根據(jù)枝城與宜昌多年平均峰量關(guān)系為1.04 倍，本次推求枝城與宜昌峰量為1.05 倍，結(jié)果基本一致，由此可知，洪水發(fā)生器能夠準(zhǔn)確模擬大洪水組成，可以為數(shù)字孿生長江提供各種洪水樣本。

2.4.2 防洪調(diào)度工程應(yīng)用知識圖譜 長江流域水工程防洪調(diào)度涉及水庫、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸、堤防、排澇泵站等多種工程的聯(lián)合調(diào)度［29-30］。但是，受預(yù)報預(yù)見期不夠長（通常提供3 ～5 天水文預(yù)報，7 ～10 天預(yù)測分析）影響，加之防洪工程安全建設(shè)未達(dá)標(biāo)、堤防大部分為無閘控制導(dǎo)致蓄滯洪區(qū)運(yùn)用難等現(xiàn)實(shí)問題的影響，實(shí)時調(diào)度時，除了按照預(yù)見期進(jìn)行自上而下全流域調(diào)度模擬分析計算外，還需要快速分析各工程調(diào)度運(yùn)用對防洪形勢的影響，回答“是用上游水庫還是下游水庫？是啟用蓄滯洪區(qū)還是讓堤防超安全泄量短歷時行洪運(yùn)用？”等問題。而采用傳統(tǒng)的1D+2D 水動力學(xué)模型無法快速構(gòu)建和模擬各種工程運(yùn)用特別是涉及在哪里分洪、如何分洪等復(fù)雜水情工情，因此，本研究充分利用歷史洪水或者人造洪水（洪水發(fā)生器構(gòu)建的大洪水樣本），將工程調(diào)度運(yùn)用對既定防洪保護(hù)對象或控制站的影響分析界定為一定的響應(yīng)關(guān)系，形成防洪調(diào)度工程運(yùn)用知識圖譜，圖12 展示了一種防洪調(diào)度工程運(yùn)用知識圖譜。

圖12 長江中下游蓄滯洪區(qū)運(yùn)用知識圖譜

如圖12 所示，城陵磯附近蓄滯洪區(qū)由洞庭湖區(qū)24 處蓄滯洪區(qū)和洪湖3 處蓄滯洪區(qū)組成，蓄洪面積5658.19 km2，總蓄洪容積372.42 億m3，有效蓄洪容積338.23 億m3，在長江中下游遭遇大洪水、城陵磯（蓮花塘）附近地區(qū)可能需要動用蓄滯洪區(qū)降低干流河道水位時，運(yùn)用其中哪個蓄滯洪、效果如何等，可以通過上述知識圖譜快速獲取，并通過疊加計算分析多個蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用組合順序，為快速分析蓄滯洪區(qū)調(diào)度運(yùn)用效果提供技術(shù)支持。

2.4.3 全周期-自適應(yīng)-嵌套式的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度 數(shù)字孿生長江在模擬水工程聯(lián)合調(diào)度時，需要對多組調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化。研究針對不同調(diào)度時期內(nèi)目標(biāo)差異，以水量調(diào)度為主線，根據(jù)水情發(fā)展不同階段，觸發(fā)調(diào)度目標(biāo)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)調(diào)度方式轉(zhuǎn)換和時間、空間、調(diào)度目標(biāo)之間的相互嵌套，提出了全周期-自適應(yīng)-嵌套式的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。其中：

全周期：主要針對水庫群聯(lián)合調(diào)度貫穿于水庫運(yùn)行的全周期調(diào)度階段（如汛期、蓄水期、消落期等），不同調(diào)度階段有主要目標(biāo)和若干次要目標(biāo)（轉(zhuǎn)化為約束和條件），以此表征調(diào)度方案對不同階段的針對性。

自適應(yīng)：指通過時間、水位、流量、效益等指標(biāo)，明確水庫調(diào)度階段的銜接方式，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)和水庫調(diào)度方式的轉(zhuǎn)換。

嵌套式：體現(xiàn)在梯級水庫運(yùn)行和單個水庫運(yùn)行兩個方面。將梯級水庫作為整體，以“打捆”的方式考慮總體出力、總體攔洪等需求，再通過梯級內(nèi)部進(jìn)行分配，以此實(shí)現(xiàn)梯級效益在空間上的嵌套；單個水庫同一調(diào)度階段內(nèi)，根據(jù)工況明確不同目標(biāo)間的滿足次序以及不同目標(biāo)的滿足程度，協(xié)調(diào)不同次要目標(biāo)間的調(diào)度方式，以此獲得水庫的運(yùn)行過程。

以三峽水庫為控制，對長江中下游調(diào)度的要素集目標(biāo)嵌套、優(yōu)化調(diào)度原則等考量見表2。

表2 三峽工程全周期調(diào)度要素

2.5 平臺建設(shè)-數(shù)字流域迭代關(guān)鍵技術(shù) 物理世界里的流域是一個不斷變化的事物，水利工程也一直在不斷建設(shè)和投入運(yùn)行中，因此，數(shù)字孿生長江的建設(shè)應(yīng)用是一個動態(tài)迭代的過程。國內(nèi)各流域目前運(yùn)用的系統(tǒng)業(yè)務(wù)范圍大多基于固定范圍、固定對象、固定流程、固定模型進(jìn)行業(yè)務(wù)設(shè)計與建設(shè)，決策支持系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、模型計算引擎、數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)支撐平臺等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平較低，在面向變化環(huán)境或超標(biāo)準(zhǔn)洪水等決策需求時，現(xiàn)有系統(tǒng)難以快速支撐變化場景下的不確定性、差異化調(diào)控計算需求，共建共享模式在行業(yè)中的應(yīng)用有待推進(jìn)。因此，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域迭代進(jìn)化的需要，數(shù)字孿生長江采取了多組合敏捷搭建技術(shù)，提供通用組件及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)管理業(yè)務(wù)需要快速搭建形成應(yīng)用系統(tǒng)或應(yīng)用組件；采取標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)流程則為方便快速搭建場景應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

2.5.1 組件化技術(shù) 基于數(shù)字孿生快速映射的理念，針對水利對象分類管理體系中分析構(gòu)建的對象組件集，采用“組件+實(shí)例”的方式，研究復(fù)雜、多類型水利對象集的數(shù)字化建模技術(shù)［30］。該技術(shù)包括如下三個主要步驟：（1）針對各類水利對象，梳理其包含哪些基礎(chǔ)信息、特征指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，從而定義各類對象的屬性集，每一個水利對象都擁有能反映其自身特征的多個屬性；（2）將各種水利對象及其對應(yīng)的屬性集構(gòu)建為類對象模板，每一個模板代表唯一的水利對象類型；（3）在不同的工程項(xiàng)目或系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際需求，針對業(yè)務(wù)所需的每類水利對象模板，按照其模板創(chuàng)建出具體的實(shí)例化對象集，從而實(shí)現(xiàn)所有水利對象的數(shù)字化建模。

水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺架構(gòu)技術(shù)流程見圖13。

圖13 水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺架構(gòu)技術(shù)

2.5.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程組態(tài)技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化流程組態(tài)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域業(yè)務(wù)構(gòu)建的技術(shù)執(zhí)行，包括對組態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解析、模型的運(yùn)行、數(shù)據(jù)的傳遞等。敏捷組態(tài)體系架構(gòu)示意見圖14。

圖14 敏捷組態(tài)體系架構(gòu)示意

標(biāo)準(zhǔn)化流程組圖技術(shù)還包括配置化搭建技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)通過可視化界面來進(jìn)行各種不同業(yè)務(wù)流程的配置，包括：（1）配置動態(tài)校驗(yàn)技術(shù)，用來對配置的結(jié)果進(jìn)行解析和分析、校驗(yàn)配置內(nèi)容，并在執(zhí)行過程中實(shí)時校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳遞的正確性；（2）計算流優(yōu)化技術(shù)，主要通過對業(yè)務(wù)流的分析和重組，充分利用并發(fā)計算的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)模型計算性能的優(yōu)化；（3）動態(tài)數(shù)據(jù)接口技術(shù)，在業(yè)務(wù)計算的基礎(chǔ)上，可通過配置數(shù)據(jù)查詢方式，靈活定義數(shù)據(jù)接口，為外部系統(tǒng)和界面提供數(shù)據(jù)成果。

研究在研發(fā)上述配置化搭建成套技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用通用模型，基于數(shù)字平臺，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的“搭積木”式構(gòu)建，并可為已有系統(tǒng)構(gòu)建可“接入”的功能模塊。

2.5.3 BIM+GIS 仿真提升流域信息及成果展示效果 數(shù)字孿生長江以3D、GIS、BIM 等技術(shù)為基礎(chǔ)支撐，結(jié)合流域水工程聯(lián)合調(diào)度的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，開發(fā)了可視化模型的處理、集成、發(fā)布與管理工具，為建立多尺度、多維度可視化模型提供工具支撐。以該工具為基礎(chǔ)，針對水工程聯(lián)合調(diào)度各要素在地理分布規(guī)律和發(fā)展過程中的時空特征，快速建立可視化模型，為模擬仿真洪水變化態(tài)勢提供實(shí)時渲染和可視化呈現(xiàn)，為物理空間提供從流域—區(qū)域—工程宏微觀一體化、多維度、多時空尺度的高保真數(shù)字化映射（如圖15 所示）。

圖15 隨著洪水情勢變化的長江中下游平原洪水災(zāi)害風(fēng)險態(tài)勢評估展示

數(shù)字孿生流域的展示不僅僅是物理要素的直觀展示，還需要將這些物理要素與管理目標(biāo)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于流域三維（3D）空間網(wǎng)格、融合水利工程設(shè)施BIM 模型，動態(tài)展示流域防洪工程體系的運(yùn)用及其防洪效果、風(fēng)險分布等綜合信息，為流域管理和工程調(diào)度運(yùn)行、防洪應(yīng)急響應(yīng)等提供多元豐富、直觀可視的數(shù)字化管理決策支持。

3 數(shù)字孿生長江的初步應(yīng)用

3.1 長江流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng) 采用上述數(shù)字孿生流域構(gòu)建技術(shù)，在收集、采集和匯集長江流域水文氣象、水環(huán)境、水生態(tài)、水工程、空間地理、社會經(jīng)濟(jì)等多源信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了長江流域數(shù)字底座；構(gòu)建了基于物理機(jī)理的專業(yè)數(shù)學(xué)模型（水文、水力、水質(zhì)、水生態(tài)、工程調(diào)度、災(zāi)害評估等），以實(shí)現(xiàn)對水災(zāi)害、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)以及其他相關(guān)業(yè)務(wù)信息的實(shí)時鏡像；構(gòu)建了長江水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)則庫及其調(diào)度引擎，以實(shí)現(xiàn)長江流域多維度、若干目標(biāo)集、巨型復(fù)雜工程系統(tǒng)智能調(diào)度；利用云計算、大數(shù)據(jù)、AI、移動互聯(lián)、GIS、BIM、3R 等信息技術(shù)分析和挖掘數(shù)據(jù)關(guān)系，形成了防洪調(diào)度知識庫和知識圖譜，構(gòu)建了流域各自然要素與流域管理業(yè)務(wù)之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)和響應(yīng)?；谏鲜黾夹g(shù)和功能，建立了以長江防洪減災(zāi)應(yīng)用為主的數(shù)字孿生長江示范系統(tǒng)（圖16），包含了實(shí)時感知多源數(shù)據(jù)融合、流域模擬預(yù)報預(yù)測、防洪形勢分析、工程聯(lián)合智能優(yōu)化調(diào)度、防洪風(fēng)險評估、防洪避險轉(zhuǎn)移輔助等防洪調(diào)度管理全過程的業(yè)務(wù)功能和應(yīng)用，其主要功能簡述如下：

圖16 長江流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)功能模塊

（1）流域模擬：流域模擬是數(shù)字孿生長江的基礎(chǔ)模擬功能，可依據(jù)實(shí)時及預(yù)報的降雨水情以及工情信息，完成自動預(yù)報調(diào)度計算，同時對預(yù)報調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析、綜合等功能，采用多模型專家交互分析、智能校正等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流域水系自動預(yù)報、交互預(yù)報、模擬試算預(yù)報以及河道洪水演進(jìn)計算等功能。

（2）防洪形勢分析：根據(jù)水雨情、工情、災(zāi)情等現(xiàn)狀及水雨情可能的變化態(tài)勢，根據(jù)防洪保護(hù)對象面臨的防汛形勢，綜合考慮洪水地區(qū)組成、防洪工程運(yùn)用情況、防洪保護(hù)對象（地區(qū)）災(zāi)情、工程險情等，分析當(dāng)前的調(diào)度任務(wù)與目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對防洪形勢的判斷和預(yù)判，為工程調(diào)度提供啟動條件。

（3）調(diào)度方案推薦及優(yōu)選：根據(jù)防洪形勢分析結(jié)果，針對領(lǐng)導(dǎo)決策層調(diào)度會商現(xiàn)實(shí)考慮和需求，提出工程調(diào)度方案，運(yùn)用調(diào)度規(guī)則庫提出工程調(diào)度過程的組合（即調(diào)度方案），實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案多目標(biāo)優(yōu)選并形成推薦方案。此外，該功能還可利用大數(shù)據(jù)平臺自學(xué)習(xí)能力，讓計算機(jī)學(xué)習(xí)流域內(nèi)各水利工程歷史（或人工生成的）洪水調(diào)度案例，提取與調(diào)度規(guī)則不同的調(diào)度方式，為實(shí)時調(diào)度提供規(guī)則以外調(diào)度方案推薦。

（4）防洪風(fēng)險動態(tài)評價：采用洪水淹沒模擬模型，基于實(shí)測或預(yù)報的降雨、水位、流量等水文信息，采用模擬區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)人口等信息，對即將發(fā)生的洪災(zāi)進(jìn)行在線實(shí)時洪水災(zāi)害及風(fēng)險評估和分析。

（5）洪水淹沒區(qū)避險轉(zhuǎn)移輔助：在洪水淹沒風(fēng)險計算分析的基礎(chǔ)上，建立并集成人群避險轉(zhuǎn)移模型。根據(jù)洪水淹沒信息（淹沒范圍、水深、到達(dá)時間等），對受淹居民區(qū)位置、人口數(shù)量、道路、安置區(qū)域等進(jìn)行綜合分析和路網(wǎng)計算，采用已有轉(zhuǎn)移安置預(yù)案或?qū)崟r分析，獲得居民區(qū)轉(zhuǎn)移安置方案和最優(yōu)轉(zhuǎn)移路徑，確定轉(zhuǎn)移單元大小、安置場所情況，動態(tài)繪制撤離轉(zhuǎn)移路線、轉(zhuǎn)移范圍、轉(zhuǎn)移預(yù)計時間及避險指標(biāo)，發(fā)送信息引導(dǎo)人群轉(zhuǎn)移并實(shí)時監(jiān)控轉(zhuǎn)移動態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)受災(zāi)群眾快速、高效的疏散轉(zhuǎn)移，并根據(jù)道路擁堵、安全區(qū)剩余容量等情況及時調(diào)整轉(zhuǎn)移方案。在實(shí)際應(yīng)用時，當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ旁O(shè)施受損時需要采用5G 通訊無人飛艇等方式保障通訊，保障人群信息的及時準(zhǔn)確獲取。

上述以水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度為核心的數(shù)字孿生長江示范系統(tǒng)，覆蓋了水工程調(diào)度業(yè)務(wù)全過程，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)預(yù)報的流域水雨情自動判斷防洪形勢，根據(jù)調(diào)度規(guī)則自動推送需要參與調(diào)度的水工程組合，并提出水工程蓄、泄水過程的調(diào)度方案，分析各種方案下防洪風(fēng)險和效益，為流域?qū)崟r調(diào)度管理提供準(zhǔn)確快速的決策支持。

3.2 應(yīng)用案例 水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)作為數(shù)字孿生長江的技術(shù)雛形，初步實(shí)現(xiàn)了智慧化模擬與精準(zhǔn)化決策的功能，并在2020年流域性大洪水中發(fā)揮了重要技術(shù)支撐作用［27］。

在2020年長江2 號洪水期間，預(yù)報7月16日起7 天內(nèi)城陵磯水位可能超過保證水位34.4 m。按照調(diào)度規(guī)則，三峽水庫實(shí)施對城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度，當(dāng)庫水位達(dá)到158 m 后將停止對城陵磯攔洪轉(zhuǎn)而對荊江河段防洪，即以沙市為調(diào)度對象加大下泄流量。但是，按照這種調(diào)度方式，城陵磯水位將超過保證水位34.4 m 并將繼續(xù)上漲，最高將可能漲至36.07 m，超過1998年城陵磯最高水位35.8 m，按照城陵磯附近地區(qū)調(diào)度規(guī)則，將開啟蓄滯洪區(qū)進(jìn)行分蓄洪運(yùn)用，以降低河道水位，防洪風(fēng)險較大。為盡可能降低城陵磯附近地區(qū)防洪風(fēng)險，結(jié)合調(diào)度系統(tǒng)提供的水雨情信息，通盤考慮上下游洪水淹沒情景，基于研發(fā)系統(tǒng)，對比多種調(diào)度方案，包括基于調(diào)度規(guī)則的自動調(diào)度計算以及采用人機(jī)交互遞進(jìn)優(yōu)化的智能調(diào)度調(diào)度方式：（a）突破規(guī)則繼續(xù)使用158 m 以上庫容三峽單獨(dú)攔洪調(diào)度方式，（b）突破158 m 后上游水庫群配合三峽調(diào)度。

圖17 展示了三峽按照規(guī)則調(diào)度、突破規(guī)則繼續(xù)使用158 m 以上庫容單獨(dú)攔洪、突破158 m 后上游水庫群配合優(yōu)化調(diào)度三種逐步優(yōu)化的調(diào)度方式模擬調(diào)度成果。根據(jù)上下游風(fēng)險對比分析，三峽水位超過158 m 后繼續(xù)對城陵磯單庫攔洪，三峽水位將達(dá)164 m，增加了庫尾淹沒風(fēng)險；此時，進(jìn)一步采用優(yōu)化模型，在保障下游城陵磯不分洪的三峽下泄方式下，設(shè)定三峽不淹庫區(qū)的目標(biāo)水位，優(yōu)化上游溪洛渡、向家壩等水庫群配合三峽進(jìn)行調(diào)度，降低三峽入庫洪量，有效降低了三峽攔洪水位，從而降低了三峽庫區(qū)的淹沒風(fēng)險。

圖17 2020年長江2 號洪水時不同調(diào)度方式下三峽水庫對城陵磯防洪調(diào)度效果

經(jīng)智能優(yōu)化調(diào)度后，通過上游水庫攔蓄，削減三峽入庫洪峰9000 m3/s，同時三峽繼續(xù)攔洪降低了城陵磯水位1.71 m，城陵磯水位實(shí)際出現(xiàn)34.39 m，成功將城陵磯水位控制在保證水位34.4 m 以下,有效避免了沙市、蓮花塘、湖口附近防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)約1029 萬人轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)論及建議

數(shù)字孿生流域的宗旨是運(yùn)用各種算法模型，在虛擬世界中再現(xiàn)流域內(nèi)各自然要素之間特別是水文氣象、工程調(diào)度等關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及自然要素和水管理要素之間的互饋響應(yīng)關(guān)系，為流域管理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，也為流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會活動提供技術(shù)和信息支持。數(shù)字孿生流域構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)建設(shè)、算力建設(shè)（專業(yè)模型，包括基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動等不同技術(shù)的模型）、智能建設(shè)（即工程調(diào)度規(guī)則及其引擎、知識圖譜應(yīng)用、多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)等）、通用平臺服務(wù)建設(shè)（即標(biāo)準(zhǔn)組件式搭建及其流程技術(shù)）、基于GIS+BIM 的VR 動態(tài)展示等。實(shí)現(xiàn)流域水工程智能調(diào)度的關(guān)鍵是對水和調(diào)度專業(yè)的深度理解，以及IT 技術(shù)的深度融合，缺一不可。

本文以長江流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)為示范，探索了數(shù)字孿生長江構(gòu)建技術(shù)及其應(yīng)用，形成了服務(wù)防洪調(diào)度管理為主要業(yè)務(wù)應(yīng)用，具有流域模擬、防洪形勢分析、工程智能調(diào)度、洪水風(fēng)險評估、防洪避險轉(zhuǎn)移輔助等功能的數(shù)字孿生長江1.0 版，其技術(shù)及系統(tǒng)功能等在2020年長江流域性大洪水調(diào)度管理中得到成功應(yīng)用。同時，為有效實(shí)施對物理流域變化的及時映射和迭代，研發(fā)了具有快速搭建和配置功能的數(shù)字孿生流域平臺構(gòu)建技術(shù)，保障了數(shù)字孿生流域與物理世界的一致性。

但是，從長江的應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生流域除了隨著ICT 技術(shù)的不斷更新需要進(jìn)行技術(shù)迭代外，更重要的是需要隨著對自然現(xiàn)象機(jī)理規(guī)律以及人類活動響應(yīng)之間的關(guān)系認(rèn)知的深入，不斷延伸拓展再現(xiàn)能準(zhǔn)確映射物理世界的各種專業(yè)模型，以應(yīng)對包括水資源調(diào)配、水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)等多目標(biāo)融合協(xié)同治理與保護(hù)所需要的數(shù)據(jù)、功能和服務(wù)的能力建設(shè)，并根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)活動需要，拓展提供如服務(wù)農(nóng)業(yè)、工業(yè)及旅游、保險等更多的泛在惠民服務(wù)，為流域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供更豐富立體的信息和技術(shù)支撐。