数字孪生流域｜防洪“四预”数字孪生技术及应用研究

0  引言

“十四五”期间水利系统高质量发展的主要目标是建设数字孪生流域，建设“2+N”水利智能业务应用体系，建成智慧水利体系1.0版。防洪“四预”应用即流域防洪领域预报、预警、预演、预案4个方面的应用，数字孪生技术是防洪“四预”应用区别于传统水利信息化应用的重要技术手段之一，也是近些年来各个领域研究的热门技术之一。数字孪生技术由密歇根大学教授Grieves于2003年提出，即以数字化的方式描述物理实体，建立全息的动态虚拟模型，通过虚拟模型对数据的仿真、模拟、分析来监控、预测、控制实体属性、行为等。随着信息技术、人工智能技术和虚拟现实技术的发展，数字孪生技术在各个领域的应用正在迅速发展，数字孪生技术的“先行仿真，后在现实世界执行”的功能，大大节省了工业设计、决策指挥等方面试错的成本，产生了实际的生产效益，因而数字孪生技术的研究也具有现实的生产应用价值。

数字孪生技术在城市管理、交通、能源、制造业等领域都有一定的应用。在智慧城市建设领域，数字孪生技术助力实现城市规划、建设、运营、治理、服务的全过程、全要素、全方位、全周期的数字化、在线化、智能化，可提高城市规划质量和水平，推动城市发展和建设。在智慧能源领域，数字孪生技术应用于能源开发、生产、运输、消费等能源全生命周期，使其具有自我学习、分析、决策、执行的能力。在智能制造领域，将设计设备生产的规划从经验和手工方式，转化为计算机辅助数字仿真与优化的精确可靠的规划设计，以达成节支降本、提质增效和协同高效的管理目的。在智慧水利领域，应用数字孪生技术进行洪水仿真，以及利用数据底板建设数字孪生流域等也形成了初步的应用。在淮河流域防洪“四预”试点应用中，应用了数字孪生技术展现了数字流场的概念和视觉效果，直观反映王家坝洪水态势及蒙洼蓄洪区分洪过程。数字孪生黄河、数字孪生珠江以构建数字孪生流域、开展智慧化模拟、支撑精准化决策作为实施路径，数字孪生技术作为其中的技术支撑。在海河流域防洪“四预”试点中，通过智能感知、三维建模、三维仿真等技术实现数字流域和物理流域数字映射，形成流域调度的实时写真、虚实互动。

数字孪生技术在防洪领域已经有了初步的应用，也是防洪“四预”应用的重要支撑技术，因而对相关技术进行研究十分必要。但由于数字孪生技术是新兴技术，其涉及技术领域广，相关技术也正在同步快速的发展，同时防洪“四预”应用领域的数字孪生技术研究也存在一定难度。目前来说，防洪“四预”应用领域的数字孪生技术还处于概念阶段，相关边界和规范尚不明晰，比如数字孪生流域建设的内容和标准还不够明确。另外就是数字孪生技术在防洪“四预”领域的具体应用尚不充分，目前数字孪生技术在流域实时监测，洪水场景虚拟仿真方面有一定的应用，在调度控制、智能决策等方面的应用尚需进一步研究和发展。中国水利水电科学研究院在淮河流域、海河流域进行了防洪“四预”相关的试点应用，本文在前期试点应用的基础上，梳理防洪“四预”领域的主要数字孪生技术和应用方面，探索智慧水利建设的技术和方法。

1 技术框架

防洪“四预”应用一项重要的工作就是数字孪生流域建设，并在数字孪生流域的基础上开展各类防洪业务应用。数字孪生流域实现物理流域的精准映射，实现数字流域和物理流域的虚实交互，通过智能干预实现流域防洪调度的智能化决策。关于数字孪生流域建设方面，水利部已经发布《数字孪生流域建设技术大纲》《数字孪生水利工程建设技术导则》和《水利业务“四预”功能基本技术要求》等文件，规范了数字孪生流域建设内容和技术标准。根据防洪“四预”应用系统实践和数字孪生技术的相关研究，提出防洪“四预”数字孪生技术框架（图1）。

在数字孪生技术框架中，物理流域和数字流域构建成了一对“孪生体”。物理流域是现实中的流域，而数字流域则是利用地理信息系统（GIS）、虚拟现实（VR）、算法模型、人工智能等技术构建起来的虚拟流域，物理流域和数字流域之间通过数字孪生技术构成“虚实映射”的“孪生体”。区别于传统方法通过人工观测或控制直接作用于现实对象，在数字流域中用户可以通过孪生的数字流域来监控、决策和控制物理流域。“虚实映射”的数字孪生应用由数字孪生应用支撑层来提供应用支撑，这些应用支撑包括“算法”“算例”和“算力”的支撑。其中，网络传输层接收物理流域的实时监测信息并映射到数字流域中，同时可将数字流域中用户的调度控制信息传送到物理流域的控制设备上。数据底板包括高精度DEM（Digital Elevation Model）、DOM（Digital Orthophoto Map）、BIM（Building Information Modeling）等数据资源，是用来构建数字流域场景的基础数据，形成数字流域的“算例”支撑。算力支撑是对数字流域的高性能计算支持，能够满足数字流域计算分析的实时性需求，使“虚实映射”能够同步呼应。算法及仿真支撑是数字孪生流域的核心部分，负责在数字流域模拟各类防洪“四预”应用场景下的物理流域的状态及变化，并通过尽可能接近现实的虚拟仿真技术展现出来，让用户能够有身临其境的感受。数字孪生技术框架阐述了物理流域、人类、数字流域之间的关系，是防洪“四预”应用的基础技术框架。

2 核心数字孪生技术

在防洪“四预”应用中实现数字流域和物理流域的“虚实映射”应用，需要多项技术来支撑。数字流域模拟系统模拟物理流域的各类水文现象，“孪生体”状态同步技术保持数字流域和物理流域的状态统一，数字化场景技术将模拟的数字流域直观展现给用户，“算力”提升技术则是“虚实映射”用户体验的性能保障。

2.1 数字流域模拟系统

降雨、产流、洪水演进、溃坝、水利工程调度等在物理流域的各类涉水相关现象，在数字流域中同步模拟出来，则需要通过专业的数字流域模拟系统来完成。数字流域模拟系统中，模拟降雨、辐射、蒸散发、下渗等陆面过程使用陆面水文过程模型，目前有中国水利水电科学院的时空变元分布式水文模型，以及VIC（Variable Infiltration Capacity）、PRMS（Precipitation Runoff Modeling System）等知名陆面过程模型可以实现全流域的水文模拟。还有其他产汇流模型诸如新安江模型、前期影响雨量模型（API）等也可以支持水文过程的模拟。模拟洪水在河道里、蓄滞洪区、城市内涝区域的演进需要使用到一、二维水动力学、管网模型等，水动力学模型有DHI公司MIKE11和MIKE21模型软件，以及中国水利水电科学院的IFMS（Integrated Flood Modeling System）软件平台等。在数字流域中模拟各类涉水现象，除了水文、水动力模拟以外，还需要能够模拟流域水工程调度控制的水工程调度模型，模拟降雨分布的人工智能模型，模拟机电设备运行的物理模型等。可见，没有数字流域模拟系统就无法在数字流域中模拟物理流域的各类涉水现象，无法实现从“实”到“虚”的对应，所以数字流域模拟系统是数字孪生技术的核心技术之一。

2.2 “孪生体”状态同步

数字流域的模型系统在不断地模拟物理流域的各类状态，但数字流域模拟系统长时间运行后会出现状态漂移现象。数字流域模拟结果偏离物理流域的状态导致“虚实”不对应，因而需要持续地将物理流域监测到状态数据，通过网络传输到数字流域中，通过实时校正技术将物理流域状态同化到数字流域中，从而形成“虚实映射”的数字流域。实时校正技术有传统的误差自回归、基于K最邻近算法（KNN）的非参数校正及基于Kalman滤波的多断面校正法等，各类校正技术适用于不同的模型算法。“孪生体”状态同步实现的主要难点是物理流域监测状态数据和数字流域的状态数据在时间、空间尺度上不匹配。空间尺度上不匹配，表现为物理流域的监测站点比较少，状态数据分散，但数字流域的模拟是精细化网格，需要高分辨率的状态数据。时间尺度上不匹配表现为，物理流域一般监测为1小时尺度的状态量，而数字流域的时间尺度则更小（如10秒尺度）。

为了时、空尺度相一致，在空间尺度上，可对物理流域的状态数据进行空间插值来匹配分辨率更高的数字流域，使二者尺度一致。时间分辨率不相同时不用进行插值匹配，二者在相同的时间点进行状态同步即可，必要时通过插值将二者的状态数据统一到相同的时间点。更好的办法是从物理流域中获取更高时空分辨率的状态数据，比如利用现代遥感技术获取高时、空高分辨率的土壤湿度、水面等实时状态数据映射到数字流域中，实现用精细化的数据去同步数字流域的状态。通过“孪生体”状态同步技术让数字流域和物理流域保持统一，让数字流域能持续、准确地反映出物理流域的状态及变化是“虚实映射”的重要技术之一。

2.3 数字化场景

数字化场景技术是通过三维GIS、VR、粒子效果等技术将数字流域以虚拟现实的方式展现给用户，从而让用户可以通过数字流域来监控、分析和控制物理流域（图2）。

目前虚拟现实有多种技术手段，如VR、增强虚拟现实技术（AR）、混合现实技术（MR）、扩展现实技术（XR）等。虚拟现实一方面需要高精度的数据底板支撑，另一方面需要支持虚拟现实的平台支撑。虚拟现实平台如Cesium、UE4、X3D等，其中Cesium是支持B/S环境中的各类三维场景渲染，UE4或UE5能够更加真实地模拟现实世界。数据底板方面，需要高精度的DEM、DOM、BIM模型等数据支撑。在中国水利水电科学研究院试点建设的数字孪生流域中，以高精度DEM（2米）、DOM（0.1米）、河底地形及沿河倾斜摄影和水利工程BIM模型等构建了淮河流域王家坝至正阳关段的数字底板。在该试点应用中，虚拟现实平台使用了Cesium平台，除了加载上述高精度的数字底板数据构建三维场景以外，还利用粒子技术模拟降雨、洪水演进等虚拟现实效果，以及通过BIM模型的控制模拟工程调度（如开闸放水），初步满足了当前阶段洪水场景的虚拟现实需求。虚拟现实是数字孪生的核心技术之一，直接承载着各类防洪“四预”应用，也是提升用户使用体验最重要的部分。虚拟现实技术应用还处于初级阶段，还需要通过不断的研究，从而拓展出适应范围更广、更加逼真、渲染效率更高的数字化场景技术。

2.4 “算力”提升

孪生物理流域的模型系统、虚拟现实渲染等涉及大量的计算，如果不能实时或近实时的完成相应的计算，则不能同步数字流域和物理流域二者的状态。如在数字流域中模拟蓄滞洪区洪水演进的二维水动力模型有数万个网格单元，相应的模型计算量很大，如果不能高效计算，一方面不能实时形成“虚实映射”的“孪生体”，另一方面缓慢的系统响应将给用户带来不好的使用体验。实现“算力”提升的技术包括分布式计算、MPI（Message Passing Interface）、多线程、GPU（Graphics Processing Unit）加速、云计算等，各类高性能计算技术适应于不同的计算场景。中国水利水电科学院的时空变元分布式水文模型采用分布式并行加速技术，其将模型计算任务分配到多台服务器上并行计算以提升模型整体计算效率；IFMS平台中一维、二维水动力学模型采用有限体积法，其采用GPU加速技术进行提升模型的计算效率，数十万个网格在Tesla V100的GPU处理器上实现秒级计算。高性能计算的实现，一方面是需要在算法上的改进，比如粒子群法、SCE-UA（Shuffled Complex Evolution Algorithm）可以实现快速收敛的优化算法，以及改进的水动力模型支持GPU加速计算；另一方面需要提高硬“算力”，如增加硬件资源的数量或质量。“算力”提升是数字孪生流域模拟的性能保障，也是数字孪生的重要技术之一。

3 防汛“四预”应用

数字孪生技术的目的是为了实现模拟、监控、诊断、预测、仿真和控制等应用。防洪“四预”应用的数字孪生技术目前主要实现了模拟、监控等初级应用。本文根据防洪“四预”应用实践归纳几点数字孪生技术的应用，为进一步拓展数字孪生技术应用提供借鉴。

3.1 流域洪水虚拟化监控

防汛期间往往需要实时掌握各流域洪水形势、水利工程的运行状态。数字孪生技术提供了强大的技术手段，通过VR技术模拟出整个流域的河流、地形、地貌和水利工程的数字化场景，并将物理流域监测的各类状态数据同步到数字流域，让用户身临其境查看相关雨情、水情、工情的虚拟实况。降雨量可以同步为数字化场景中的降雨粒子效果；河道、水库水位同步为数字化场景中的虚拟水位，可以直观展示水面与防洪保护对象、堤防的关系；实时视频可以融合到数字化场景中，形成“虚实融合”的可视化场景。流域洪水虚拟化监视把物理流域映射到数字流域中形成数字化场景，用户在防洪调度指挥中心就可以直观、真实地查看物理流域的各类细节，达到汛情监视的直观、准确和高效掌握（图3）。

3.2 水利工程虚拟化巡查

通过BIM模型和三维仿真技术，可以将水利工程及相关机电设施设备虚拟化到数字流域中。在数字流域的虚拟现实场景中可通过三维飞行技术支持对河道、湖泊等水利工程的巡查，以及支持室内、室外的机电设施、设备状态的巡查（图4）。同步水利工程和机电设施、设备状态到数字流域中，在机电设施、设备巡检时，可以及时发现设施、设备存在的问题，提升流域防洪安全保障能力。

3.3 水利工程远程调度与控制

数字孪生技术的“虚实映射”还可以通过反向映射来控制物理世界的对象，即通过数字流域来控制物理流域的对象。工作人员在数字化场景中进行操作，如操作机电设备的开关按钮、控制旋钮等，再通过数字孪生技术将操作转换为一定接口标准的控制指令，通过网络传输给远端控制设备，再由控制设备来操作具体的机电设备达到调度的目的。远端设备操作的结果再通过网络传送回至数字流域，在数字流域中映射对应设备的状态，通过数字化场景展示给工作人员，实现物理流域和数字流域的“双向映射”。实际运用中，操作人员甚至可以在数字流域中进行模拟调度与控制（图5），数字流域模拟调度效果，让用户判别调度方案的合理性，选择合适的调度方法，大大减少传统方法调度与控制“试错”带来的成本。

3.4 洪水模拟推演与智能化决策

数字孪生技术支持流域洪水的模拟推演和智能决策。数字流域根据当前的防洪形势，在数字流域中利用对抗神经网络、数字流域模拟系统分析不同的降雨条件下和不同调度控制条件下的洪水影响情况（如淹没面积、影响人口等），对比调度影响和效果，通过智能化决策选择最优的调度方案，实现流域洪水调度“虚拟模拟先行，决策调度在后”，大大提高决策的科学性。在数字流域中利用预测数据（如降雨数值预报）进行超前的洪水推演，工作人员对可能出现的洪涝灾害提前采取应对措施，从而最大限度地避免洪灾带来的损失。随着人工智能技术的发展，数字流域在映射物理流域的各类状态信息的基础上，通过预报预测、模拟推演和智能决策，并自动执行最优化的水工程调度，未来有望在物理流域中实现部分或全部的自主管理。

4 结论

数字流域和物理流域构成“虚实映射”的“孪生体”。本文基于防洪“四预”应用试点建设实践，总结了防洪“四预”应用相关的数字流域模拟系统，数字化场景和“孪生体”状态同步等几点数字孪生核心技术，归纳了流域虚拟化监控、水利工程虚拟化巡查、远程调度控制和智能化决策等几个方面的应用。数字孪生技术在智慧水利领域有了初步的应用，为防洪“四预”应用发挥了积极作用，数字孪生在技术和应用方面还有巨大的发展空间，值得进一步研究和发展。