數(shù)字孿生流域模型研發(fā)若干問題思考

胡春宏，郭慶超,3，張磊,3，秦偉，關(guān)見朝,3

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048，北京；3.水利部泥沙科學(xué)與北方河流治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100048，北京）

一、數(shù)字孿生的由來與內(nèi)涵

數(shù)字孿生思想早在20世紀(jì)60年代已出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)家航空航天局在太空探索任務(wù)中率先使用了數(shù)字孿生技術(shù)，每個(gè)航天器都被精確地復(fù)制成相同模型，供科研人員用于研究和模擬。1991年耶魯大學(xué)教授大衛(wèi)·蓋勒特首次提出了數(shù)字孿生概念。2002年密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯首次將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于制造業(yè)，并正式宣布了數(shù)字孿生的軟件概念。2010年數(shù)字孿生這一術(shù)語被美國(guó)國(guó)家航空航天局正式提出。

數(shù)字孿生又稱“數(shù)字雙胞胎”，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)此有不同的定義，但通?？梢岳斫鉃椋阂詳?shù)字化的方式建立物理實(shí)體的虛擬模型，再通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和算法模型實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的映射和交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)變化趨勢(shì)的科學(xué)預(yù)測(cè)和改善優(yōu)化，具有互操作、可擴(kuò)展、高保真、實(shí)時(shí)和閉環(huán)等特性。從定義看，數(shù)字孿生表現(xiàn)出物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者連接的三維架構(gòu)特點(diǎn)，其本質(zhì)就是要構(gòu)建一個(gè)物理實(shí)體的虛擬孿生體,其核心要素是數(shù)據(jù)、模型、映射和交互。

二、數(shù)字孿生流域面臨的挑戰(zhàn)與思考

近年水利部提出智慧水利建設(shè)，即以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵?，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能智慧水利體系。

然而要真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域，目前還面臨不少挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生流域是以物理流域數(shù)據(jù)為底座、專業(yè)數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過程的數(shù)字化映射、智能化模擬，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。鑒于數(shù)字孿生具有物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者連接的三維架構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)字孿生流域可概括為三個(gè)層級(jí)（三個(gè)過程），即第一層級(jí)L1，包括物理流域信息數(shù)據(jù)化和氣象降水預(yù)報(bào)，這是兩個(gè)獨(dú)立事件，屬于數(shù)據(jù)底板層，其中流域信息包括地形、土壤類型、植被狀況、河流湖泊水庫、水利工程等眾多信息集總并動(dòng)態(tài)及時(shí)更新；第二層級(jí)L2，是基于第一層級(jí)L1進(jìn)行的流域產(chǎn)匯流模擬；第三層級(jí)L3，是以第一層級(jí)L1和第二層級(jí)L2為初始和邊界條件，開展土壤侵蝕、洪水預(yù)報(bào)、泥沙輸移、地下水等專業(yè)模型模擬，屬于直接應(yīng)用層。如果把虛擬實(shí)體與物理實(shí)體的相似程度稱為保真度，那么數(shù)字孿生流域整體保真度必然與每一個(gè)獨(dú)立事件保真度有關(guān)。對(duì)于專業(yè)模型來說，保真度就是模型計(jì)算精度。需要說明的是，保真度為0代表完全失真，保真度為1代表100%保真。從目前技術(shù)水平來看，數(shù)字孿生流域中每一個(gè)獨(dú)立事件的保真度都難以達(dá)到100%，因此隨著層級(jí)增加，保真度必然逐級(jí)衰減。以下簡(jiǎn)要分析在已知每一個(gè)獨(dú)立事件保真度的前提下，如何計(jì)算整體保真度。

設(shè)整體與獨(dú)立事件的關(guān)系可表示為以下函數(shù)：

式中，x1、x2、…、xn為獨(dú)立變量，函數(shù)Z的中誤差大小可表達(dá)為

式中，m1、m2……mn為x1、x2……xn的中誤差。所謂中誤差是衡量精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，亦稱“標(biāo)準(zhǔn)差”或“均方根差”，在模型計(jì)算中被廣泛應(yīng)用?？紤]最簡(jiǎn)單的兩個(gè)變量的線性函數(shù)關(guān)系，即

若假定每個(gè)獨(dú)立事件的保真度為0.8，即中誤差為0.2，則函數(shù)Z的中誤差為

即函數(shù)Z的綜合保真度為1-0.283≈0.72。

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的作用下，電力企業(yè)管理理念不斷升級(jí)，電力企業(yè)為保證自身的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)內(nèi)部管理工作不斷重視，同時(shí)也加強(qiáng)了電力營(yíng)銷管理工作。但目前的用電工作由于多種因素的影響，影響了用電檢查效果。因此加強(qiáng)對(duì)遠(yuǎn)程用電檢查技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于改善我國(guó)電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

根據(jù)上述公式及算法，可知若每個(gè)獨(dú)立事件的保真度為0.8，那么第一層級(jí)L1兩個(gè)獨(dú)立事件的綜合保真度只有0.72，第二層級(jí)L2的保真度衰減為

第三層級(jí)L3的保真度進(jìn)一步衰減為

假定每個(gè)獨(dú)立事件的保真度為0.9，采用上述公式和計(jì)算過程，得到L1的 綜 合 保 真 度是0.86，L2和L3的保真度分別為0.83和0.80（見表1）。

表1 數(shù)字孿生流域保真度估算表

從表1可以看出，如果獨(dú)立事件的保真度只有0.80，那么到應(yīng)用層L3保真度只有0.60，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有一定的參考意義。如果獨(dú)立事件的保真度達(dá)到0.90，這已經(jīng)是目前水利專業(yè)模型所能達(dá)到的較高水平了，那么到應(yīng)用層L3保真度能達(dá)到0.80，雖對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，但離數(shù)字孿生流域高保真的要求還有一定距離。由此可見，要真正建成高保真的數(shù)字孿生流域還面臨很多挑戰(zhàn)，當(dāng)務(wù)之急是提高數(shù)字孿生流域建設(shè)中各層級(jí)的保真度和精度。為了提高數(shù)字孿生流域保真度，建議采用以下兩條路徑。

路徑1：主要是提高每一個(gè)獨(dú)立事件的保真度，從而提高數(shù)字孿生流域整體保真度。這就要求在實(shí)際工作中針對(duì)算據(jù)必須從技術(shù)上解決流域信息數(shù)字化的高保真問題，切實(shí)提高物理流域信息的感知能力，動(dòng)態(tài)更新流域信息，保證數(shù)據(jù)底板信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)；同時(shí)在算力和算法方面要繼續(xù)深化降水、產(chǎn)匯流、土壤侵蝕、泥沙輸移、洪水演進(jìn)等物理過程機(jī)理研究，優(yōu)化核心算法，提高計(jì)算效率，不斷改善專業(yè)模型模擬精度，使模擬結(jié)果逐漸逼近真實(shí)物理過程。理想狀態(tài)下，假定每個(gè)獨(dú)立事件的保真度提高到0.95，利用公式（2）并參照公式（4）～（6）計(jì)算過程，計(jì)算得到應(yīng)用層L3的保真度為0.90，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較大指導(dǎo)意義，但尚達(dá)不到數(shù)字孿生流域高保真的要求。這也是數(shù)字孿生流域建設(shè)遇到的實(shí)際問題。

路徑2：在路徑1基礎(chǔ)上，直接跳過某些層級(jí)，通過減少過程中保真度損失，提高整體保真度。比如可以跳過降水預(yù)報(bào)甚至產(chǎn)匯流模擬這兩個(gè)環(huán)節(jié)，作為替代采用高精度的信息感知技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給出河流斷面的流量和含沙量過程，直接供洪水預(yù)報(bào)和泥沙輸移等模型調(diào)用。在該路徑下，如果每個(gè)獨(dú)立事件的保真度能提高到0.95，河流流量和含沙量監(jiān)測(cè)精度也按0.95考慮，利用公式（2）并參照公式（4）～（6）的計(jì)算過程，由于跳過了某些中間環(huán)節(jié)，計(jì)算得到應(yīng)用層L3的保真度為0.91，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很大指導(dǎo)意義。需要說明的是，獨(dú)立事件的保真度達(dá)到0.95已經(jīng)是非常理想的狀態(tài)，在如此理想條件下應(yīng)用層L3的保真度也只有0.91，也就說明在現(xiàn)實(shí)中要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域100%的保真度是非常困難的。這樣的判斷對(duì)于數(shù)字孿生流域的認(rèn)識(shí)以及建設(shè)的目標(biāo)、建設(shè)的方向等具有一定的參考價(jià)值：即建設(shè)數(shù)字孿生流域需要較長(zhǎng)時(shí)間，不必追求100%保真。事實(shí)上，由于流域信息復(fù)雜多樣，在數(shù)字化過程難以像工業(yè)產(chǎn)品那樣做到100%保真，加之水利專業(yè)模型本身的物理機(jī)理還不成熟，其模擬結(jié)果必然與物理實(shí)體存在差別，這兩方面原因決定了數(shù)字孿生流域的保真度難以達(dá)到100%。

從以上兩條路徑可以看出，無論哪條路徑，提高第一層級(jí)物理流域信息數(shù)據(jù)化的保真度和第三層級(jí)專業(yè)模型的計(jì)算精度都是必須的。流域信息數(shù)據(jù)化保真度的提高依賴于電子、信息、計(jì)算機(jī)、人工智能、儀器設(shè)備等多個(gè)專業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)融合，限于篇幅這里不加論述。鑒于大部分專業(yè)模型位于第三層級(jí)，也是數(shù)字孿生流域建設(shè)的核心，因此如何提高模型的精度成為改善數(shù)字孿生流域保真度的關(guān)鍵一環(huán)。下面以已經(jīng)列為水利部重大科技項(xiàng)目的泥沙通用數(shù)學(xué)模型和土壤侵蝕模型為例，具體分析闡述如何開展水利專業(yè)模型研發(fā)，以提高數(shù)字孿生流域整體保真度、支撐數(shù)字孿生流域建設(shè)。

三、泥沙通用數(shù)學(xué)模型研發(fā)

1.機(jī)理研究方面

主要是改進(jìn)算法提高精度。繼續(xù)深化非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙理論研究、寬級(jí)配推移質(zhì)不平衡輸沙機(jī)理研究，水流挾沙能力通用性研究，長(zhǎng)歷時(shí)低含沙水流作用下床沙交換機(jī)理和河床粗化機(jī)理研究，山區(qū)中小河流山洪大沖大淤機(jī)理研究。特別要開展山區(qū)河流高壩大庫下游河床沖刷機(jī)理研究，包括寬級(jí)配泥沙分選、粗細(xì)沙交換、沖刷粗化、交換粗化、大級(jí)配覆蓋層破壞、以及再造床等多過程，為提高泥沙數(shù)學(xué)模型模擬精度提供理論基礎(chǔ)。

2.軟件開發(fā)方面

主要是提升算力，減少數(shù)據(jù)處理對(duì)精度影響，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和可視化。一是優(yōu)化泥沙通用數(shù)學(xué)模型求解器，保證挾沙能力公式相對(duì)通用和參數(shù)取值有理有據(jù)，避免參數(shù)選擇的不確定性，使得一個(gè)泥沙數(shù)學(xué)模型能適用于所有河流和水庫。二是基于地理信息技術(shù)，研發(fā)水沙數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文、泥沙、水下地形的按需調(diào)取，自動(dòng)形成模型計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，模擬成果的存儲(chǔ)、查詢、更新和刪除等功能。三是基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，研發(fā)模型前處理功能模塊，實(shí)現(xiàn)水沙與地形條件準(zhǔn)備、參數(shù)設(shè)定和計(jì)算方案存儲(chǔ)與調(diào)取功能；基于虛擬現(xiàn)實(shí)，研發(fā)模型后處理功能模塊，實(shí)現(xiàn)水位、流場(chǎng)、含沙量場(chǎng)、沖淤分布等信息的可視化，以及泥沙模型在不同數(shù)字孿生場(chǎng)景和不同業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的調(diào)用。

3.特殊水沙運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)方面

主要是提高模擬精度、增加模型功能和應(yīng)用場(chǎng)景。目前在堰塞湖潰決、山洪大沖大淤的極端泥沙運(yùn)動(dòng)模擬方面還存在明顯短板。一要開展堰塞湖潰決過程的數(shù)值模擬研究，研發(fā)具有明確物理機(jī)理和模式的數(shù)值模擬技術(shù)，在不引入假定和不確定性參數(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)堰塞湖潰決過程和流量過程的快速精確模擬，給出最大洪峰流量及出現(xiàn)時(shí)刻，直接用于堰塞湖應(yīng)急除險(xiǎn)決策。二要開展基于動(dòng)床的山區(qū)河流洪水過程模擬研究，山洪具有大沖大淤特點(diǎn)，目前普遍采用定床模型計(jì)算精度差，亟待研發(fā)水—沙—床耦合作用下的山洪流量過程和水位過程的數(shù)學(xué)模型，解決因河床大幅沖淤導(dǎo)致山洪流量和水位測(cè)不準(zhǔn)、算不精的難題，提高中小河流山洪災(zāi)害預(yù)報(bào)精度和防御能力。

在以上研發(fā)工作基礎(chǔ)上，再從模型理論基礎(chǔ)、待定參數(shù)、計(jì)算精度、實(shí)際工程檢驗(yàn)、通用性和穩(wěn)定性等六個(gè)維度對(duì)現(xiàn)有泥沙數(shù)學(xué)模型開展系統(tǒng)的評(píng)價(jià)工作，甄選出真正具有高精度的泥沙通用數(shù)學(xué)模型，形成集標(biāo)準(zhǔn)化和可視化于一體的泥沙通用數(shù)學(xué)模型軟件，以提高數(shù)字孿生流域整體保真度。

四、分區(qū)分類土壤侵蝕模型研發(fā)

土壤侵蝕模型是數(shù)字孿生流域核心專業(yè)模型之一，是智慧水土保持建設(shè)的核心內(nèi)容，是評(píng)價(jià)水土流失狀況、變化、影響及其防治成效的必要手段。由于我國(guó)相關(guān)研究起步晚、成果分散和投入不足等現(xiàn)實(shí)原因，現(xiàn)有土壤侵蝕模型還不能滿足新時(shí)期水土保持高質(zhì)量發(fā)展需要，不足以支撐現(xiàn)代智慧水利發(fā)展要求。為推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，迫切需要開展土壤侵蝕模型研究工作。同時(shí)由于我國(guó)水土流失分布廣、不同類型區(qū)的土壤侵蝕機(jī)理差別大，既有以水力、風(fēng)力、凍融和重力等侵蝕營(yíng)力為主的水土流失區(qū)也存在許多復(fù)合營(yíng)力耦合作用的水土流失類型，因此難以采用一套全國(guó)尺度的通用模型來滿足不同區(qū)域和不同需求的應(yīng)用。為此，按照不同水土流失區(qū)域和類型的侵蝕機(jī)理，采用分區(qū)分類研發(fā)土壤侵蝕模型更切實(shí)際，有利于提高數(shù)字孿生流域整體保真度。近期應(yīng)重點(diǎn)開展如下方面模型研發(fā)工作。

1.西北黃土高原區(qū)土壤侵蝕模型

應(yīng)以大糙率、小水深的薄層水流挾沙動(dòng)力機(jī)制為核心，針對(duì)年際、年內(nèi)和次降雨等不同時(shí)間尺度下，坡面、溝道、流域的泥沙產(chǎn)輸全過程，構(gòu)建基于侵蝕動(dòng)力方程的分布式侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理模型。除水力侵蝕外，還應(yīng)考慮溝坡局部偶發(fā)的重力侵蝕過程以及淤地壩攔沙減蝕影響。

2.東北黑土區(qū)土壤侵蝕模型

應(yīng)以長(zhǎng)緩地形和人為壟作影響下農(nóng)田水力侵蝕過程為核心，研究黑土區(qū)坡面土壤侵蝕模型，并以農(nóng)田淺溝和切溝為重點(diǎn)，基于溝蝕發(fā)育演化的動(dòng)力過程，研究東北黑土區(qū)侵蝕溝土壤侵蝕模型，最終耦合構(gòu)建包含面蝕和溝蝕的東北黑土區(qū)土壤侵蝕機(jī)理模型。

3.北方風(fēng)沙區(qū)土壤侵蝕模型

應(yīng)針對(duì)北方典型風(fēng)蝕和風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕區(qū)域，以風(fēng)沙啟動(dòng)、運(yùn)移、沉積動(dòng)力機(jī)制為核心，研究風(fēng)力侵蝕、風(fēng)水復(fù)合侵蝕發(fā)生機(jī)理與過程，確定并率定土壤侵蝕關(guān)鍵影響因子，構(gòu)建包含風(fēng)蝕和風(fēng)水交互侵蝕的北方風(fēng)沙區(qū)土壤侵蝕機(jī)理模型。

4.南方紅壤區(qū)土壤侵蝕模型

應(yīng)以崩崗的復(fù)合營(yíng)力侵蝕過程為重點(diǎn)，研究其分布和發(fā)生規(guī)律，解析其發(fā)育演變的動(dòng)力機(jī)制，構(gòu)建預(yù)警預(yù)報(bào)模型，并與坡面、溝道和流域水力侵蝕過程耦合，構(gòu)建南方紅壤區(qū)土壤侵蝕機(jī)理模型。

除上述具備較好研究基礎(chǔ)區(qū)域外，未來還應(yīng)逐步加強(qiáng)西南巖溶區(qū)土石二元地表與巖溶地質(zhì)導(dǎo)致的土壤流失與漏失過程及預(yù)報(bào)、青藏高原區(qū)凍融作用下土壤侵蝕過程與預(yù)報(bào)，同時(shí)針對(duì)水土保持管理需求同步研發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目人為水土流失風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型、小流域水土流失綜合治理智能管理模型等相關(guān)應(yīng)用模型。逐步形成分區(qū)分類全國(guó)土壤侵蝕模型體系。這有利于提高數(shù)字孿生流域整體保真度，也可加快為數(shù)字孿生流域建設(shè)和新時(shí)期水土保持高質(zhì)量發(fā)展提供科技支撐。

五、結(jié) 語

基于數(shù)字孿生具有物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者連接的三維架構(gòu)特點(diǎn)，分析了數(shù)字孿生流域中獨(dú)立事件保真度及其在層級(jí)間的衰減。提出在目前技術(shù)水平下，數(shù)字孿生流域的保真度一般在0.80左右，雖然對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，但離數(shù)字孿生流域高保真的要求尚有一定距離，當(dāng)務(wù)之急是提高數(shù)字孿生流域建設(shè)中各層級(jí)的保真度和精度。

提出了提高數(shù)字孿生流域保真度的兩條路徑，對(duì)于第二條路徑，在理想狀態(tài)下，假定獨(dú)立事件的保真度達(dá)到0.95，數(shù)字孿生流域整體保真度可達(dá)0.91，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很大指導(dǎo)意義，但要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域100%的保真度非常困難。這樣的判斷對(duì)于數(shù)字孿生流域的認(rèn)識(shí)以及建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)方向等具有一定的參考價(jià)值：一是建設(shè)數(shù)字孿生流域需要較長(zhǎng)時(shí)間，不必追求100%保真；二是進(jìn)一步提升物理流域信息數(shù)字化技術(shù)水平和加強(qiáng)核心專業(yè)模型研發(fā)是非常必要的。

最后以泥沙數(shù)學(xué)模型和土壤侵蝕模型為例，提出了模型研發(fā)的方向?！?/p>