數字孿生水利內涵及應用場景研究

摘要：數字孿生水利涵蓋數字孿生水利工程、數字孿生流域和數字孿生水網三大范疇，主要研究內容包括數字孿生-水利工程、數字孿生-流域、數字孿生-水網、水網-流域、水網-水利工程、流域-水利工程六大關系。其中，數字孿生水利工程是實現數字孿生流域的關鍵，數字孿生水利工程、數字孿生流域是實現數字孿生水網的前提。對數字孿生水利的基本內涵、核心要素，以及與智慧水利的關系等進行了剖析，得到了目前數字孿生水利建設過程中面臨的主要挑戰：水利信息模型、數據融合和服務標準缺失，專業模型智能化程度不高、智能基因注入不足，孿生應用場景廣度不夠、深度不足。基于此，構建了數字孿生賦能國家水網全維度構建、流域多目標聯合調度，以及水利工程全生命期建設的應用場景，可為數字孿生水利提供建設思路。

關 鍵 詞：數字孿生； 水利工程； 流域； 水網； 應用場景

中圖法分類號： TV697.1；TP3 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.032

0 引 言

數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬映射體，基于歷史數據、實時數據，利用算法模型等，實時感知、模擬、驗證、預測和控制物理實體全生命周期狀態和過程的技術手段，即通過優化和指令來調控物理實體的行為，通過虛擬映射體的自學習、自優化來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體全生命周期內的決策［1-4］。通過數字孿生，可以有效打通物理世界與虛擬空間的通道，用技術模糊現實與虛擬的界限，從而推進水利新基建，加快產業數字化和數字化產業的發展，保障國家水網、雅魯藏布江下游水電開發等重大工程建設，滿足行業智慧化發展要求，驅動水利治理體系和治理能力現代化，實現水利高質量發展。

水利信息化發展歷經金水工程（系統）、數字水利（數據）和智慧水利（服務）3個階段，目前正在大力推進智慧水利建設。水利行業從數字化到網絡化，再到智慧化，不僅是技術的進步，更重要的是理念和數字水文化的超越。

國內外水利信息化的研究和建設速度非常迅速，如水利一張圖、水利工程管理信息系統、國家水利數據中心、國家防汛指揮系統等。全國水利系統初步實現了從水情雨情信息的采集、傳輸、接收、處理、監視到聯機洪水預報；在全國范圍內開始建設“國家水文數據庫”并取得了部分成果；水利部門辦公自動化的水平也在逐步提高，開始實行遠程文件傳輸、公文管理和檔案聯機管理；一些水利部門建立了網站并接入了互聯網絡；建成了連接全國流域機構和各省（市、區）的水情計算機廣域網。傳統的水利信息化建設中條塊化的智慧應用（如智慧水務、智慧工程、河湖管理、水行政管理等）易導致數據割裂和業務壁壘，而智慧化所需的資源共享與業務協同機制一直沒有建立起來，建設模式在推進過程中漸顯疲態，同時，水利信息化建設雖在信息感知、核心平臺、一張圖等方面取得了較大進展，但智慧化應用場景廣度不夠、深度不足。信息技術的飛速發展和迭代演進，驅動著水利數字化、網絡化、智能化需求日益凸顯、要求不斷升級，數字孿生是數字化的必然趨勢和理想狀態。數字孿生水利建設并不是另起爐灶，而是在現有信息化建設基礎上，整合、改造、擴展、升級，推動水利信息化向智慧化方向發展。本文對數字孿生水利的基本內涵、核心要素，以及與智慧水利的關系等進行了剖析，構建了數字孿生賦能國家水網全維度構建、流域多目標聯合調度，以及水利工程全生命期建設的應用場景，為數字孿生水利提供建設思路。

1 數字孿生水利基本內涵

水利是指人類社會為了生存和發展的需要，采取各種措施對自然界的水和水域進行控制和調配，以防治水旱災害，開發利用和保護水資源。水利具有很強的系統性和綜合性，基于水利概念和特點，數字孿生水利建設涵蓋數字孿生水利工程、數字孿生流域和數字孿生水網三大范疇，主要研究內容包括數字孿生-水利工程、數字孿生-流域、數字孿生-水網、水網-流域、水網-水利工程、流域-水利工程6個關系［5-6］（見圖1），構建水利數字孿生體。其中，數字孿生水利工程是實現數字孿生流域的關鍵，數字孿生水利工程、數字孿生流域是實現國家水網數字孿生的前提。從這6個關系中，可以看出數字孿生水利概念的框架，可將現階段數字孿生水利存在的問題包含在內。

（1） 數字孿生-水利工程的關系。這是數字孿生水利工程研究的核心問題。將水利工程的地理空間環境、水利工程要素、內在關系等進行數字化，在信息空間再造一個與之對應的虛擬水利工程，把信息空間上構建的水利工程虛擬映像疊加在物理空間上。形成物理維度上的實體水利工程與信息維度上的數字水利工程同生共存、虛實互動、實時連結的雙向映射，貫穿水利工程規劃、設計、施工、運行乃至退役的整個生命期。輔助和指導水利工程更好的建設，通過建立物理實體和孿生體全面的實時/準實時聯系，實現數據雙向流動，根據孿生體反饋的信息，對水利工程物理實體采取進一步的行動和干預，使水利工程更好地用起來，這就是數字孿生水利工程。

（2） 數字孿生-流域的關系。這是數字孿生流域研究的核心問題。數字孿生流域是以物理流域為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程的數字映射、智能模擬、前瞻預演，實現與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化。

（3） 數字孿生-水網的關系。這是數字孿生水網研究的核心問題。通過建立集物理水網、管理水網、信息水網和數字水網于一體，面向水網綱、目、節全要素及其拓撲關系，融合水流-信息流-業務流-價值流的水網復雜系統，設計水網工程規劃、設計、建設、運行數智化應用體系，以及數據全生命期繼承和功能模塊共享模式，構建數字孿生水網。

（4） 水網-流域的關系。這是數字孿生水利要素關系的內核之一。根據水流狀態等構建天然江河湖水系，以及水系汊點、濕地等拓撲關系，建立連通網。

（5） 水網-水利工程的關系。這是數字孿生水利要素關系的內核之二。根據引水、輸水、排水等關系，構建供水、排水、泄水通道，以及庫、壩、堤、閘、泵、廠（站）、井等的拓撲網。

（6） 流域-水利工程的關系。這是數字孿生水利要素關系的內核之三。根據流域關聯關系，構建流域內，以及流域和流域間的庫、壩、堤、閘、泵、廠（站）、井等與流域的關聯關系。

數字孿生水利建設實施路徑為：首先利用信息感知、計算分析和模擬仿真等實現工程、流域、水網的數字化映射。然后基于數字化映射，建立物理水利和數字孿生水利全面的實時/準實時聯系，實現數據雙向流動。最后通過在數字空間的先知先覺（基于專業模型的機理分析計算、基于智能算法和模型的預測、預演等），對工程、流域和水網采取進一步的行動和干預，使工程、流域和水網更好地建起來、用起來、管起來，指導和改進物理水利。同時，通過對物理水利發展演進的外在和內在的不斷學習，優化數字孿生水利，從而實現物理水利和數字孿生水利的共享智慧和共同治理。數字孿生建設可以貫穿工程規劃、設計、施工、運營乃至退役的全生命期、流域綜合調度全過程和水網構建全維度，其核心要素包括：數據底板、業務模型、智能基因和孿生應用。其中，數據底板是基礎，業務模型是核心，智能基因是動能，孿生應用是目的（見圖2）。

2 數字孿生水利建設面臨的主要挑戰

2.1 水利信息模型、數據融合和服務標準缺失

通過數字孿生可以最大限度地搜集、整合、挖掘、開發和利用各條流域、各類工程產生的海量信息，建立功能加載、業務承載、應用實踐的數據底板，實現水利物理空間到數據空間再到圖形空間的構建。目前，隨著流域綜合管理的發展，以及眾多工程的不斷建設，各類型水利數據飛速增長，因為管理機制和業務分塊、原業務系統建設模式條線性強、協同性弱等因素，導致數據分散和標準不一［3］。現階段水利相關部門和單位對水利數據底板有著強烈的需求，亟需的不是統一各部門和單位原有水利相關數據格式，而是在現有數據條件下，定義統一的水利信息模型、數據融合標準和服務接口，以及水利業務數據存儲編碼和操作方法，并開放和共享數據服務目錄，打通數據壁壘。

2.2 專業模型智能化程度不高、智能基因注入不足 水利專業模型、規則、知識等是實現數字孿生水利“智慧化模擬，精準化決策”的基礎，是水利能力中臺的核心構件。傳統的水利專業模型一方面由于研發時間早，技術迭代更新慢，且限于當時信息技術的發展現狀，模型在算量、算力等方面存在很大的提升空間［7-8］；另一方面，針對歷史數據和實時感知數據的大數據分析和數據挖掘有很大的應用空間，規則、知識的凝練和挖掘亟待深化［9-10］。目前，水利“四預”的傳統模型與新一代信息技術的融合和創新應用不足，新一代信息技術對傳統模型的改造和優化不夠。如針對傳統的二維產匯流模型、二維水動力模型等，基于并行計算、云計算等架構模式進行分割，實現在保證模型計算精度甚至優化模型精度的前提下大幅度提高計算效率，利用人工智能、邊緣計算等技術提升對動態數據快速分析處理的能力等。

2.3 孿生應用場景廣度不夠、深度不足

實現孿生應用是建設數字孿生水利的根本目標。目前，對于數字孿生水利的概念還沒有一個明確的定義，孿生應用存在的主要問題包括：① “過度孿生”水網、流域和工程外在，聚焦于水網、流域和工程的“一草一木、一磚一瓦”，追求表面的無損刻畫，忽視對流域和工程狀態、相態、時態、關系和機理等運行治理的孿生；② 數字孿生在流域綜合化管理、工程全生命期各階段應用還處于初級階段，應用場景挖掘不夠；③ 支撐數字化映射、智慧化模擬、精準化決策的算法、模型成熟度不高，尚待沉淀，數字孿生技術減少試錯成本、保證工程安全、降低建設經費等核心價值還遠未釋放，不少應用以數字孿生之名，行傳統信息化之實［11-13］。

3 數字孿生水利應用場景

數字孿生水利基于數據底板，利用專業模型、大數據、AI等分析算法，實現對物理水利發展演進的孿生，實現水流、信息流、業務流和價值流的全過程流轉，解決現實水網建設、流域水資源優化配置、防洪調度等綜合管理，以及工程規劃、設計、施工、運行管理和服務的復雜性和不確定性，賦予水網、流域和工程“前可追溯歷史，后可預測未來”的能力特性，實現水利業務“四預”能力，指導物理水利綠色、協調、可持續發展。數字孿生水利應用體系（見圖3）建設內容不僅包括水資源優化配置、流域防洪減災、水生態系統保護、工程全生命期各階段應用、水行政監督執法等的“水流”“水盆”和監督管理，更包括凸顯水網、流域、工程建設和管理數字孿生特征的智慧應用。如水網、流域和工程畫像、決策支持等，從而構建水利數字孿生體，支撐工程勘察設計方案快速優化；施工過程和進度仿真，災害快速應急響應和分析決策等，保障工程安全、防洪安全、供水安全、航運安全、發電安全和生態安全等。

（1） 水網孿生應用體系包括：雨-水-工-險-災一體化聯動安全網、綱-目-節一體化水資源供需網、山-水-林-田-湖-草-沙一體化生態平衡網建設等應用。

（2） 流域孿生應用體系包括：圍繞生態、防洪、供水、發電、通航、灌溉、養殖等多目標統籌優化的流域防洪調度、水資源管理與調配、河湖管理、水土保持、農村供水管理等應用。

（3） 工程孿生應用體系包括：圍繞工程安全的數字規劃、協同設計、智能建造、智慧運維等。

3.1 水網全維度構建

針對水網復雜系統，統籌水源區和受水區，以及水網“大動脈”與“毛細血管”建設并舉，兼顧流域上下游、左右岸、干支流、地上地下之間的關系［14］，在構建河道、工程（水庫、泵站、涵閘等）、蓄滯（分）洪區、洲灘民垸等水利要素拓撲關系結構，以及全國水資源分布一張圖、全國水庫庫容一張圖、全國雨量分布一張圖等的基礎上，通過拓撲關系的網絡分析、一張圖的疊置分析等，實現天上的來水水量、地面的蓄水能力、生態的用水需求等信息連通，水利要素的全連接。在連通連接的基礎上，精準地預測會來多少水，高效地計算容量有多少，快速地統計用水需多少，分析重組泄水-蓄水-供水的最優組合，并進行模擬仿真推演，實現兼顧時間維度、空間維度等的水資源重組迭代優化，根據優化后的方案進行決策，制定豐水、枯水等情況下時空均衡的調度和配置預案，實現風險小、調度準、配置優的增值效應（見圖4）。

厘清水網研究對象及其構成要素、屬性項和內在關系，定義水網復雜系統概念。從時間維度、空間維度研究和分析物理水網、管理水網、信息水網、數字孿生水網之間水流、信息流、業務流和價值流的流轉，設計和構建顧及水網綱、目、節全要素及其拓撲關系，融合水流-信息流-業務流-價值流的水網復雜系統（見圖5）。

3.2 流域多目標聯合調度

基于構建的數字孿生流域平臺，圍繞生態、防洪、供水、發電、通航、灌溉、養殖等調度目標，實現目標驅動的不同周期、不同時期水情、工情等預警閾值自適應調整［15-16］；建立水利專業模型推演為主，人工智能模型輔助支持的預演分析模式，根據預演結果生成調度方案集；利用流域聯合調度規則和知識庫［17］，通過對各方案進行險情、災情等指標評估，進行方案推薦并制定預案。同時，針對超出既定規則的調度場景，采用目標驅動的智能優化算法進行尋優分析，獲取推薦方案并制定預案。根據預案執行的實時反饋信息對推薦的調度方案進行持續模擬優化和更新迭代，最終實現基于數字孿生的防洪調度、發電調度、供水調度和生態調度等的聯合優化（見圖6）。

長江流域水工程防災聯合調度系統通過多元數據融合、流域模擬預報、防洪形式分析、工程聯合調度、防洪風險評估、防洪避險轉移，全鏈條、場景化、一體化賦能流域防洪“四預”實現。為長江流域洪水復盤演練、2020年長江大洪水、2021年漢江秋汛的防汛工作提供了技術和系統支撐（見圖7）。

3.3 工程全生命期建設

通過增強工程信息智能感知能力、數字映射能力、計算分析能力和科學決策能力，基于工程規劃數字化、多專業BIM正向協同設計、施工仿真、智能水量調度、工程安全監測與決策分析等場景應用（見圖8），實現物理實體工程與數字工程的實時交互和迭代優化，優化工程設計方案，創新工程施工、運行管理模式，助力工程全生命期智慧建設和管理，降低工程建設風險，減少工程建設成本，提升工程建成后效益。

基于工程規劃范圍或線路起點、終點位置信息，以及周邊環境，進行工程選址或線路規劃、地質鉆孔布置等工作，并對選址、線路規劃、鉆孔布置等過程進行數字化表達。通過分析鉆孔探測數據、超前預報監測反饋的數據、環境要素數據（交通、人口等），基于專業模型與知識平臺中構建的規則和知識，對方案進行評估，支撐設計方案的快速可視化及比選，輔助方案動態調整，最終確定設計方案，并將最終設計成果數據、地理空間數據、業務專題數據等進行融合可視化，建設數字孿生水利工程數據底板。同時，針對工程建成后運行階段的管理業務，設計傳感設備、監測感知設備、網絡傳輸設備等的布設方案，輔助施工和運行期感知設備布設。

基于工程數據底板，根據專業模型與知識平臺中施工安全、進度、質量、資金等要素的關聯規則和知識，以及隧洞圍巖巖體智能識別、結構面解譯、巖性分析與定量評價分析等專業分析模型，對施工過程進行仿真，在數字空間中對完整的施工方案進行預演、復合和調整，輔助施工資源的合理有效配置和優化施工方案，實現施工全要素管理的精細化和精益化，以及數字工程與物理工程同步建設和孿生互動，從而實現數字孿生最核心、最重要的價值，即在保證工程安全的前提下，減少在物理空間中的試錯成本，指導工程建設和管理［18-19］。

基于工程的數字孿生體，結合工程運行過程中出現的實際問題，編制應急預案，并將促發這些應急預案的條件和相應的預案進行聯動和可視化，實現工程預警和預案的模擬仿真。通過構建的工程全域感知網，實際獲取工程全域立體感知數據，實現工程安全的實時、準實時動態監測和工程設施設備的智慧運維，并基于調水、用水、生態環保，以及工程安全等數據分析和評估結果，輔助決策分析和應急管理等。

針對引江補漢工程，在工程勘察設計階段，根據工程地形、地質、取水條件、社會環境等數據，以補水點與丹江口水庫大壩位置關系，初步規劃壩上、壩下和壩上壩下結合三類方案，并在虛擬環境中（見圖9）分析計算各類方案補水效益、經濟指標等，對方案進行評估和比選。同時，基于調水目標、水源可調水量，以及水質、社會環境、工程地形、地質等數據，在虛擬環境中計算分析施工條件、環境影響以及工程投資等方面的基礎上，將選線原則進行量化和規則化，規劃設計壩上、壩下和壩上壩下結合三類方案的調水線路，并進行可視化，對各類方案的調水線路選型進行輸水模擬仿真，通過技術、經濟綜合比選，初步確定調水線路和輸水方案。

在引江補漢虛擬環境中，基于工程地質數據自動化采集與智能識別體系，結合隧洞三維數字影像、超前鉆孔參數、掘進參數、物探數據、巖渣特征等數據，實現多源數據融合，構建圍巖級別和掌子面穩定性級別樣本庫，建立自動化構建隧洞施工期巖體特征智能識別模型，以及巖體特征-分級指標映射關系。一方面，將掘進參數、超前鉆孔參數等多源地質信息綜合判別得到的圍巖級別與原設計方案自動對比，當兩者不一致時，啟動圍巖變更流程；另一方面，根據隧洞已開挖段圍巖級別，在虛擬空間中，融合前期勘測的圍巖信息、超前地質預報信息等，自動預測掌子面前方圍巖級別（見圖10）。同時，基于建立的工程風險評價體系，根據現場采集、監測等數據，超前地質預報成果，以及坍塌、卡機預警結果進行多源數據融合和綜合評估分析，快速定位不良地質體（見圖11），提出地質災害風險防控對策和超前處理預案，精準輔助智慧化施工決策。

4 結 語

數字孿生水利是在水利數據積累從量變到質變，在感知、建模、仿真、人工智能等信息技術取得重大突破的背景下，將數字孿生技術滲透到水網構建、流域調度和工程建設的提質、增效、降本等業務場景，促使水網構建全維度、流域調度全過程、工程建設全生命期具備全流程、全要素的數字映射、智慧模擬和精準決策能力。在虛擬場景中仿真、模擬、優化物理水利，再將虛擬場景中驗證的結果應用到現實，對涉水問題進行模擬仿真和態勢推演，實現快速應急響應和精準決策分析。

數字孿生水利一方面數字化映射物理水利，另一方面在數字空間進行智慧化模擬，實現對物理水利的精準化決策，重塑水利基礎設施，構筑具有“四預”功能的智慧水利體系［20］，形成“共智+共治”的水利數實相生發展新形態，支撐和驅動新階段水利高質量發展。

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（編輯：黃文晉）

Connotation and application scenarios of digital twin water conservancyXIE Mingxia

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： Digital twin water conservancy includes 3 major categories：digital twin hydraulic engineering，digital twin basins and digital twin water network.The main research content includes 6 relationships：digital twin-hydraulic engineering，digital twin-basins，a digital twin-water network，water network-basins，water network-hydraulic engineering，and basins-hydraulic engineering.Among them，digital twin hydraulic engineering is the key to realizing digital twin basins，and digital twin hydraulic engineering and digital twin basins are the prerequisites for realizing digital twin water networks.I analyzed and summarized the basic connotation and core elements of digital twin water conservancy and the relationship with smart water conservancy.The main challenge facing the current digital twin water conservancy construction was the lack of water information models，data fusion and service standards，the low level of intelligence process of professional models，the insufficiency of intelligent gene injection，the lack of breadth and depth of twin application scenarios.Based on these，I proposed several application scenarios such as digital twin empowerment for full-dimensional construction of a national water network，multi-objective joint scheduling in basins，and hydraulic engineering life-cycle construction，to provide construction ideas for digital twin water conservancy.

Key words： digital twin；hydraulic engineering；basin；water network；application scenarios

收稿日期：2023-01-30；接受日期：2023-03-03

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC3005504）

作者簡介：謝明霞，女，高級工程師，博士，主要從事水利信息化、空間數據分析等研究。E-mail：xiemingxia@cjwsjy.com.cn