流域數(shù)字孿生理論及其在黃河防汛中的實(shí)踐

    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(chǎng)景少、技術(shù)瓶頸突破難等問(wèn)題。

    數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)鏈接現(xiàn)實(shí)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(shí)體的幾何外觀孿生、全生命周期孿生及多尺度孿生，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)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(shí)體或過(guò)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(shí)體或流程過(guò)程的整個(gè)生命周期的集成視圖。

    目前其定義也在發(fā)展演化中，美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過(guò)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(guò)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(gè)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(shí)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(dú)水庫(kù)、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(gè)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(duì)秉承“數(shù)字黃河”時(shí)代之“數(shù)學(xué)模型”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的水動(dòng)力模擬基因，開展了關(guān)于黃河中下游人工智能預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度智能適配技術(shù)、洪水演進(jìn)、災(zāi)情評(píng)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�！皵�(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(duì)照體，是計(jì)算機(jī)里的黃河。不同層面的數(shù)據(jù)分析可以對(duì)導(dǎo)致淤積或沖刷的工程和整個(gè)水資源配置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

    通過(guò)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。基于模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)等方面的優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(jià)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(guò)構(gòu)建物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行可視化、調(diào)校、體驗(yàn)、分析與優(yōu)化，從而提升物理實(shí)體性能和優(yōu)化實(shí)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(duì)于其物理實(shí)體而言的。應(yīng)用數(shù)字孿生模型進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生的分析優(yōu)化物理實(shí)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(jì)、無(wú)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(jì)

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

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

    2.無(wú)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(guò)相應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)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(bào)、流域產(chǎn)流產(chǎn)沙、洪水預(yù)報(bào)、河冰預(yù)報(bào)、水庫(kù)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(bào)、洪水預(yù)報(bào)、冰情預(yù)報(bào)、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(bào)模型主要有：黃河流域長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)模型集（包括物理因子概念模型、動(dòng)力氣候模式輸出產(chǎn)品預(yù)測(cè)模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型、動(dòng)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(bào)模型、黃河流域中期降雨預(yù)報(bào)模型（三花區(qū)間和涇渭洛河流域）、伊洛河、沁河徑流預(yù)測(cè)模型。

    洪水預(yù)報(bào)模型主要有：渭河中下游洪水預(yù)報(bào)模型、黃河中游三門峽庫(kù)區(qū)洪水預(yù)報(bào)模型、花園口站年最大流量預(yù)報(bào)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(bào)模型。

    冰情預(yù)報(bào)模型主要有：寧蒙河段冰凌預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)模型、寧蒙河段冰情預(yù)報(bào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、寧蒙河段槽蓄水量計(jì)算模型和黃河下游冰情預(yù)報(bào)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(kù)防洪調(diào)度模型，小浪底水庫(kù)一維水動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型、黃河下游二維水沙演進(jìn)動(dòng)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(bào)和水量調(diào)度等兩類模型。

    水資源預(yù)報(bào)模型主要有：黃河上中游主要來(lái)水區(qū)間非汛期徑流預(yù)報(bào)模型、花園口年度天然徑流量預(yù)報(bào)模型、河源區(qū)分布式徑流預(yù)報(bào)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(jì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)模型（姚文藝等）、農(nóng)地年土壤侵蝕量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▌⑸平ǎ�、陜北中小流域輸沙量�?jì)算模型（牟金澤）等。

    （5）流域規(guī)劃

    黃河流域規(guī)劃應(yīng)用模型主要包括：水庫(kù)水文水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型（內(nèi)嵌古賢、三門峽和小浪底水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控模塊）、水庫(kù)一維水動(dòng)力學(xué)模型、寧蒙河段水文水動(dòng)力學(xué)模型、龍潼河段水文水動(dòng)力學(xué)模型、黃河下游水文水動(dòng)力學(xué)模型、黃河下游一維恒定流水動(dòng)力學(xué)模型、黃河口一維恒定流水動(dòng)力學(xué)模型、水資源經(jīng)濟(jì)模型、黃河上游龍青段梯級(jí)水電站聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)計(jì)算模型、黃河上游電能計(jì)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(píng)價(jià)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(shí)體創(chuàng)建的水利工程數(shù)字資產(chǎn)對(duì)接到GIS的過(guò)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(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系的方式，建立實(shí)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(guò)程數(shù)據(jù)集成到導(dǎo)入GIS系統(tǒng)的實(shí)體模型中，通過(guò)實(shí)體+GIS數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)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(bào)、水庫(kù)調(diào)度、洪水演進(jìn)及災(zāi)情評(píng)估模型，它將氣象、水文、水動(dòng)力、人口經(jīng)濟(jì)等作為一個(gè)整體，應(yīng)用系統(tǒng)分析原理和方法，對(duì)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(méi)、水庫(kù)異重流形成與發(fā)展、下游河道沖淤變化、河勢(shì)演變等水動(dòng)力過(guò)程及其對(duì)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(guò)程的實(shí)時(shí)定量模擬，并可以動(dòng)態(tài)可視化渲染，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)人口等進(jìn)行互饋。

    洪水環(huán)境感知通過(guò)傳感器收集氣溫、濕度、土壤水分和溫濕度、洪水產(chǎn)匯流過(guò)程的淹沒(méi)情況、漫灘和洪水峰型形態(tài)圖像和數(shù)據(jù)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的辦法利用洪水傳播圖像實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)期的識(shí)別。關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)大數(shù)據(jù)判斷雨、洪、沙和水庫(kù)調(diào)度的洪水波形狀態(tài)識(shí)別技術(shù)�？梢詣�(dòng)態(tài)調(diào)整模型的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)下的洪水傳播模擬。通過(guò)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(guò)大數(shù)據(jù)分析找出水庫(kù)沖淤與下游河道沖淤變化，實(shí)現(xiàn)洪水淹沒(méi)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(dòng)力數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)融合，關(guān)鍵是利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果精度評(píng)價(jià)。

    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(duì)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(tái)，集成了洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了如下功能：

    動(dòng)態(tài)感知。集成物聯(lián)網(wǎng)感知和各類水文監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)各類信息集成展示。包括水庫(kù)（三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫(kù)庫(kù)容、泄流曲線、視頻等）、河道整治工程、水文站、堤防等信息�？蓪�(shí)時(shí)查詢各斷面歷史沖淤變化情況。

    預(yù)報(bào)調(diào)度。平臺(tái)接入氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，為實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與全鏈條業(yè)務(wù)模型提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入；通過(guò)輸入的氣象水文數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌智能算法對(duì)黑石關(guān)、武陟進(jìn)行徑流預(yù)測(cè)，基于相似度適配技術(shù)進(jìn)行小浪底水庫(kù)調(diào)度方案推薦，對(duì)徑流預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行調(diào)度計(jì)算結(jié)果展示。同時(shí)兼容黃委水文局預(yù)報(bào)結(jié)果，聯(lián)動(dòng)五庫(kù)聯(lián)調(diào)模型。

    方案預(yù)演�；�于渲染插件的方法的可視化技術(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(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量大，通過(guò)GIS平臺(tái)渲染效率低的問(wèn)題。實(shí)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(guò)程中居民遷安救護(hù)撤退路線的實(shí)時(shí)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(duì)比。平臺(tái)提供洪水演進(jìn)方案對(duì)比功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有計(jì)算方案信息的存貯，并可實(shí)時(shí)比對(duì)與實(shí)時(shí)分屏展示的細(xì)節(jié)對(duì)比。

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

    智慧河務(wù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域重要工程的實(shí)景展示，對(duì)防汛期間重要工程出險(xiǎn)情況采用5G接入現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)視頻，并加載傾斜攝影成果實(shí)現(xiàn)3D實(shí)景顯示。

    四、結(jié)論

    整體來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)在初期，不僅僅是一項(xiàng)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(chǎng)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(chǎng)景也會(huì)相應(yīng)增加。但由于數(shù)字孿生是一個(gè)新生事物，其建設(shè)發(fā)展是人類認(rèn)識(shí)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(gè)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(guò)對(duì)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(jì)、無(wú)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(shí)，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(tái)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。

    來(lái)源/《中國(guó)水利》2021年第20期