基于數字孿生技術的中順大圍智慧流域建設途徑研究

摘" 要：中順大圍流域數字化信息獲取手段經歷了水文遙測系統、遠程監控系統、工程調度3大系統建設過程，水文遙測信息種類涵蓋水位、雨量、流量和鹽度等，信息化和自動化程度比較高，具備了較好的實時監測工程運行狀態、流域內水雨情態勢的手段，但與數字孿生流域和智慧流域建設要求還有相當差距。該文結合中順大圍流域特征及數字化建設現狀，提出利用中山市數字孿生三維空間數據共享平臺作為數字底板，在接入現有感知系統的基礎上，通過業務驅動和機制驅動數據更新手段，實現數字孿生流域，借助水利模型，掌握數字流域時空變化規律，推演數字流域時空變化趨勢，最終實現智慧水利“四預”（預報、預警、預演、預案）目標的中順大圍智慧流域建設途徑。

關鍵詞：數字孿生；智慧流域；調度模型；中順大圍；智慧水務

中圖分類號：TV52" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0103-04

Abstract： The digital information acquisition means of Zhongshun Dawei watershed have experienced the construction process of hydrological telemetry system， remote monitoring system and project dispatching system. The types of hydrological telemetry information include water level， rainfall， discharge， salinity and so on. The degree of informationization and automation is relatively high， and it has a better means of real-time monitoring the operation status of the project and the situation of water and rainfall in the basin. However， there is still a considerable gap with the requirements of digital twin watershed and smart watershed construction. combined with the characteristics of Zhongshun Dawei watershed and the present situation of digital construction， this paper proposes to use Zhongshan Digital Twin 3D Spatial Data Sharing Platform as digital backplane. On the basis of access to the existing perception system， through business-driven and mechanism-driven data update means， digital twin watershed is realized， with the help of water conservancy model， master the law of temporal and spatial change of digital watershed， deduce the spatio-temporal change trend of digital watershed， and finally realize the goal offorecast， early warning， rehearsal， pre-plan of smart water conservancy.

Keywords： digital twin; smart valley; dispatching model; Zhongshun Dawei; smart water platform

2022年6月，國務院印發了《關于加強數字政府建設的指導意見》，要求建立一體化生態環境智能感知體系，打造生態環境綜合管理信息化平臺，構建精準感知、智慧管控的協同治理體系，完善自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎信息平臺，持續提升自然資源開發利用、國土空間規劃實施、海洋資源保護利用及水資源管理調配水平。建立健全動態監控、主動防御、協同響應的數字政府安全技術保障體系。充分運用主動監測、智能感知、威脅預測等安全技術，強化日常監測、通報預警、應急處置，以及事件預警和發現能力[1]。

自然資源部辦公廳發布的《實景三維中國建設技術大綱（2021版）》對實景三維建設原則、成果定義、建設目標、技術路線和組織實施進行了描述[2]，與國家對新型基礎測繪技術標準之一《基礎地理實體數據采集生產技術規程》一脈相承[3]。2022年2月，自然資源部辦公廳印發《關于全面推進實景三維中國建設的通知》[4]，明確了實景三維中國建設的目標、任務及分工等。實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態空間的時空信息，是國家重要的新型基礎設施，可以通過“人機兼容、物聯感知、泛在服務”實現數字空間與現實空間的實時關聯互通，為數字中國提供統一的空間定位框架和分析基礎，是數字政府、數字經濟重要的戰略性數據資源和生產要素。實景三維中國建設是面向新時期經濟社會發展和生態文明建設新定位、新需求，已經納入“十四五”自然資源保護和利用規劃。

為貫徹落實水利部關于推進智慧水利建設的戰略部署，水利部發布了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》[5]，審議通過了《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設實施方案》《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》和《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》等指導文件和技術要求，明確提出數據底板是數字孿生流域建設的重點任務之一，要求在2023年底前，各級水利機構分工建設L1、L2、L3三級數據底板[6]。

無論傳統基礎測繪還是新型基礎測繪，為其他行業開展數字孿生、智慧應用提供數據基礎底板的基礎保障作用毋庸置疑，可以確保統一的地理框架和新型基礎測繪產品，避免各行業自主重復建設和標準混亂。

就基礎保障與行業應用同步推進的現實來分析，可以預計的是，自然資源部提出的新型基礎測繪與實景三維中國建設相關的技術要求和建設內容與水利部提出的智慧水利數據底板建設需求將會產生大量的內容重復和標準矛盾。也是筆者結合當地實景三維建設進展和數字孿生流域建設現狀進行思考的原由。

1" 現狀及基礎

1.1" 實景三維中山建設情況

中山市政府計劃到2023年底前實現優于5 cm（平坦區域3.5 cm）分辨率的城市級實景三維成果全覆蓋，先期進行數據基礎和能力基礎建設，同步搭建數字孿生三維空間數據共享平臺，包含傾斜攝影三維模型、機載Lidar點云、DEM（數字高程模型）、DSM（數字地表模型）、TDOM（真正射影像）及基礎地理信息數據等全系列測繪產品，生產面積約785 km2，預計2022年9月底完成。為國土空間規劃、城市精細化管理及全市高質量發展提供二、三維基礎地理信息共享應用支撐。

實景三維中山成果在搭建的數字孿生三維空間數據共享平臺上向行業應用提供數據底板，也為行業應用統一了基礎時空數據標準，以最大化發揮政府基礎投資效益，從成果的空間精度來分析，可以對應水利部提出數字孿生流域L2級數據底板，但缺乏必要的水下三維數字模型。

1.2 中順大圍流域概況及現狀水情感知系統

中順大圍位于珠三角河網沖積平原地區，1953—1974年20多年間，中山、順德兩地人民將小欖水道、西江水道之間的大小400多個小圍通過修筑東、西2條干堤圍在一起，先后經過聯圍筑堤、堵塞河口、修筑水閘、開挖人工渠及閉口成圍等工程措施，通過東西2條干堤和南部五桂山，形成了一個封閉的流域范圍，在沿堤近50座水閘的控制下，將原來三角洲自然的感潮河流流態改變為水閘控制的復雜流態。

2000年以來，中順大圍加快了水利信息化建設步伐，水文遙測系統、工程監控系統、工程調度系統相繼建成，并投入運行，骨干河涌網結點處、引排水閘站處已建有實時自動水位遙測站點30余處，自動雨量點15個；骨干河道（涌）端點、50余處閘（泵）站均建有計算機自動控制系統，能實時獲取這些引排水工程運行狀態；骨干河道（涌）關鍵結點處建有自動測流系統站4個；中順大圍流域現狀水情感知系統無論從感知種類、感知站點密度，還是實時性方面，甚至可以理解為具備觀測模型的特點。

近20多年來，中順大圍流域自動監控系統和水文遙測系統的運行，積累了大量水文信息和工程運行信息[7]，試圖基于事件的方式對這些海量數據進行清洗和挖掘，以期獲取和建立基于事件的經驗模型庫。同時，流域建有完整穩定的網絡通訊平臺，支撐著信息流的暢通。中順大圍水系概況及現狀水情感知系統分布圖如圖1所示。

2" 智慧流域建設途徑研究

2.1" 目標

1）以中山數字孿生三維空間數據共享平臺為依托，建設實景三維水利專題模型，包括堤防、水閘、泵站和河道工程三維組件式模型，實現L3級數據底板。

2）建立動態更新機制。包括業務驅動和機制驅動更新，對規劃和未來建設的工程通過工程規劃、設計、施工的數字化業務機制導入更新，對已經建成運行的通過形成定期的主動更新機制來實現。

3）依托實景三維水利基礎數據，有機套合靜態實體觀測數據和動態感知數據，形成實時動態聯動的數字孿生流域。

4）在流域時空大數據支撐下，借助水利模型和大數據挖掘，掌握數字流域時空變化規律，推演數字流域時空變化趨勢，最終實現智慧水利“四預”（預報、預警、預演、預案）目標，為最大程度發揮水利工程綜合效益提供保障。

2.2" 內容

2.2.1" 數字孿生流域基礎建設

中山數字孿生三維空間數據共享平臺為中順大圍數字孿生流域建設提供了可靠的數據底板，其更新機制也是底板數據保持現勢性的保障，同時節省了大量重復投資，按照水利部規定，該數據底板屬L2級，需要借助模型單體化重建技術，將已建成水利設施進行單體化（L3）級、組件化（L4）重建。架構在實景三維中山數據底板上，具體包括以下內容。

1）單體工程。水閘/泵站的單體化L3模型重建，其中閘門和泵組及控制柜等需要進行組件化L4模型構建，方便植入已建成泵閘自動控制系統，實現模型下運行、控制信息和參數的實時再現，所見即所得，實現控制管理仿真運行。

2）線狀工程。堤防工程：除底板模型的實景呈現外，堤防附屬設施和地質剖面都需要組件化重構，并將堤防工程現狀視頻監控系統能嵌入三維模型，視頻監控實時映射。河道、岸墻：需要實現三維構建，通過設計數據和激光掃描、多波束探測等技術集成的水下機器人測量技術來快速獲取水下及岸墻三維信息，并形成定期和不定期快速更新機制。

3）水情感知系統接入。接入中順大圍現有水文遙測系統、工程監控系統收集的各類信息；并將有水位站、閘控設備等模型組件化，架構在實景三維底板上，實現遙測數據實時展示。

2.2.2" 更新與應用途徑

數字孿生流域，數字孿生技術應用于流域，要充分理解孿生的意義。“孿”，本義為雙生，在數字孿生流域中可理解為現實流域和數字流域是雙生對應；“生”，在數字孿生流域中要理解為現實流域生生不息，不斷變化。數字孿生流域也要通過豐富的、周密的感知系統保持現實流域中的變化能隨時感知并更新，現實流域變化的頻度決定了數字孿生流域更新的頻率。因此感知系統的更新機制和方式是數字孿生流域維持生命力的保障。可以從業務驅動和機制驅動2個方面采取措施。

1）業務驅動更新與應用。水利工程建設全過程業務流程本身是更新數字流域的最有效途徑，比如：①工程規劃選址階段。數字孿生流域的建成，本身就是流域現狀與數字的對應，并且數字流域具備分析、演算、統計與綜合的數學計算基礎，在模型的加持下，使現狀與未來的交互成為可能，對現狀存在的工程布局不足、資源利用不充分和防御能力不足等問題通過數字孿生流域和水力模型的沙盤推演來確保工程規劃布局更加科學、合理，工程規模和標準更加符合社會經濟發展需求趨勢，即實現了數字政府建設要求中流域區域協同治理建設目標。②工程設計與施工階段。在基于數字孿生流域工程規劃支撐下，從工程設計階段逐步推行BIM技術，實現全過程數字模型化的設計管理和成果應用，并延伸應用于施工組織與管理，其情景再現式、組件式、三維仿真等先進成果應用方式，對水利工程水下施工和安裝的可控性意義重大，既能解決隱蔽工程的施工且組織管理好工程施工的重點、難度和痛點，又能通過基于數字孿生流域支撐的工程建設規劃、設計、施工全過程應用，將數字孿生流域增量信息更新納入業務流程中，實現自動生成、自動嵌入、自動管理和應用。

2）機制驅動更新與應用。建立長效的工程運行觀測和管理機制是維持數字孿生流域的有效手段，通過工程運行過程的狀態觀測來建立針對不同目標和類別的工程運行狀態感知系統，完善數字孿生流域感知體系。沉降與位移：利用高精度北斗衛星定位技術，監測布置在堤防沿線的沉降/位移觀測點上，通過長時間序列來計算和分析堤防的沉降和位移量，判斷變化量、變化率是否已經到設計的臨界點，分析造成沉降和位移變化的原因，針對原因，提出相應的維修維護措施，同時設定相應的預警報警機制，通過時空大數據分析和挖掘，及時發現和預測工程的安全隱患。同時利用時間序列合成孔徑雷達（SAR）衛星圖像技術，在監控中心配備相應的分析應用系統，來復核應用北斗衛星系統的成果。同樣適應于閘、泵、河道岸墻等水利工程監測。

滲漏監測：以自動滲漏監測設備為主，布置于堤防、岸墻、閘泵工程關鍵部位的自動滲漏監測點，發現滲漏現象，提示工程運維機構及時采取灌漿等相應的應對措施。河床沖刷與淤積：閘泵工程前后坦沖刷與淤積需建立定期觀測機制，隨著水下觀測設備和手段的日益先進，可以考慮用無人水下自動測量船進行定期測量，借助激光掃描，多波束探測、水下聲吶裝置等傳感器和方式實現。上述設備和手段統一適應于近岸水下觀測，如堤防工程的近水河道水下定期、不定期觀測，通過斷面坡度和地形形態，及早發現險工險段，在水工模型支撐下分析水流沖刷對堤防工程的影響，該機制可以在定期河道水下地形觀測中應用，確保涌容-水位關系模型的更新，方便水量調度應用。

2.2.3" 智慧流域目標的實現途徑

數字孿生流域更加側重“孿生”的建設，強調感知觀測手段和系統，智慧流域的核心特征是各類模型支撐下實現“四預”（預報、預警、預演、預案）目標，只有能感知當下，預測未來才能實現數字孿生流域向智慧流域的跨域，各類預測模型則是智慧流域的“大腦”，善于思考的流域才可以稱為智慧流域。基于需求導向，中順大圍智慧流域支撐模型應該包含水文數學模型、水動力模型、水質模型和降雨模型等等。

基于中順大圍流域特征[8]，智慧流域“四預”目標，將通過工程調度手段來實現，工程調度模型成為中順大圍智慧流域的顯著特征之一，工程調度模型可以理解為在中順大圍流域范圍內為應對或防御某個水事件，在一定時間序列上一系列工程開啟閉指令的集合，具體在單個工程上，模型包含何時開、關，持續多長時間，以及伴隨的水文特征信息，具體流程可以歸納如下。

預報：預測未來一段時間內的水雨情信息，包含潮汐預報、降雨預報、風暴潮預報等，以此為邊界，在支撐模型下，生成工程調度模型。

預警：針對預測、預報達到或超出防御邊界的水事件發出預警，選取相應的工程調度模型。

預演：從2個層面去理解，對以預報為邊界條件生成的工程調度模型進行推演，根據推演結果反饋，進一步修正調度模型。通過對同一目標多次觀測模型的疊加分析，對照演算模型推求關鍵參數的修正和調整，使演算模型更加逼近真實的觀測模型，達到模型的優化目標。

預案：以反復修正完善的調度模型，或者經真實水事件驗證的調度模型為基礎，編制預案，為下一次應對水事件提供法定的預防體系。

3" 結束語

長期運行的現狀感知系統和基于業務驅動的更新機制為數字孿生流域提供不竭的數據流，是支撐智慧流域的基礎。近年來，中山市在治理黑臭水體方面投入了數百億資金，按流域級正在進行綜合整治，每個流域整治工程都投入計列了建設水環境監測、智慧水務等項目，由于建設主體多元化，不同流域的智慧水務等類似數字孿生流域建設工程會存在標準不一、數據孤立、難以整合的現象，對未來市級層面的管理和調度留下隱患。因此有必要從技術和標準層面整合各流域智慧水務建設，為未來在統一監管平臺下運行打下基礎，也可以借此完成中山市數字孿生流域建設，為智慧水務打下基礎，同時也避免一些系統開發類的投資出現嚴重的重復投資現象，能夠共享空間數據，統一獲取資源。

參考文獻：

[1] 國務院.關于加強數字政府建設的指導意見[Z].2022-6-23.

[2] 自然資源部辦公廳.實景三維中國建設技術大綱（2021年版）[Z].2021-8-11.

[3] 基礎地理實體數據采集生產技術規程[Z].2022-4.

[4] 自然資源部辦公廳.關于全面推進實景三維中國建設的通知[Z].2022-2-24.

[5] 水利部.關于大力推進智慧水利建設的指導意見[Z].

[6] 水利部.“十四五”智慧水利建設實施方案[Z].

[7] 袁福懷，王清香.基于事件的多元水文數據整編與挖掘[J].水利息信化，2012（1）：28-31.

[8] 袁福懷.岐江河流域特征及流域管理探討[J].人民珠江，2013（1）：9-11.