流域数字孪生理论及其在黄河防汛中的实践

    数字孪生是以数据、模型为主要元素构建的基于模型的系统工程。目前数字孪生技术在水利行业还存在应用场景少、技术瓶颈突破难等问题。

    数字孪生技术通过传感技术和物联网技术链接现实世界，采用人工智能技术、大数据分析、数值模拟等技术手段建立并持续更新数字孪生模型。在水利行业应用中，建立防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持和流域规划等业务机理模型，逐步建立各水利工程实体的几何外观孪生、全生命周期孪生及多尺度孪生，为实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策的智慧水利建设服务。

    一、研究现状

    数字孪生是指具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图。

    目前其定义也在发展演化中，美国国家航空航天局和美国空军研究实验室的数字孪生模式图示化表示，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，从而反映相对应的实体的全生命周期过程。Deloitte定义数字孪生是物理世界(Physical)与数字世界(Digital)的桥梁，搭建物理系统、资产或过程的数字仿真模型。2018年北航数字孪生技术研究小组提出了数字孪生五维模型的概念以适应新需求。

    数字孪生技术的发展可以分为四个阶段，即几何外观数字孪生、多学科多专业数字孪生、全生命周期数字孪生以及多尺度数字孪生。通用数字孪生理论与实践大大激发了水利行业的应用创新。

    在水利行业，数字孪生的理论可用于单独水库、水闸、堤防、河道整治工程、局部河段等数字孪生体的构建。由这些虚拟的零件组合成虚拟的组件，由组件进一步组合成河流的各个作用系统，进而组合成整条河流。若与流域的规划、水旱灾害防御、水资源管理等其他系统相连接，可以创建流域管理的数字孪生模型。

    目前数字孪生技术正在向这方面发展。黄河水利科学研究院智慧水利创新团队秉承“数字黄河”时代之“数学模型”攻关团队的水动力模拟基因，开展了关于黄河中下游人工智能预报、水库调度智能适配技术、洪水演进、灾情评估等模型的模拟研究，并在数字孪生地形上进行展示，为黄河流域管理决策提供辅助支持。“数字黄河”工程也是数字孪生技术在黄河治理开发与管理上的应用体现，“数字黄河”就是物理黄河的虚拟对照体，是计算机里的黄河。不同层面的数据分析可以对导致淤积或冲刷的工程和整个水资源配置进行预测。

    通过数字技术、机器学习(Machine Learning)和优化洞察物理世界的行为，提供更精准的人为决策。基于模型、数据、服务等方面的优势，数字孪生已广泛被全球各行业、各背景、各层次的专家、学者和企业研究与应用，目前数字孪生在制造领域开展了较多的应用探索和落地实践，但在航空航天、电力、汽车、智慧城市、水利等领域也具有广阔的应用价值和应用前景。

    二、流域数字孪生模型构建关键技术

    数字孪生并不是单一的数字化技术，而是在多种使能技术迅速发展和交叉融合基础上，通过构建物理实体所对应的数字孪生模型，并对数字孪生模型进行可视化、调校、体验、分析与优化，从而提升物理实体性能和优化实体效能的技术策略，是推进数字化转型的核心战略举措之一。

    从数字孪生技术的发展背景可以看出，数字孪生模型是相对于其物理实体而言的。应用数字孪生模型进行虚拟试验，通过对数字孪生的分析优化物理实体的运行。需要强调的是，数字孪生的关键技术如数学模型，在数字孪生诞生之前就已经存在。而数字孪生的应用，又促进了这些关键技术的进一步发展。构建流域数字孪生模型，涉及的关键技术有BIM设计、无人机倾斜摄影、机理数学模型、GIS+融合和河流数字孪生模型构建等。

    1.BIM设计

    设计阶段的数字孪生主要表现为3D建模和仿真，通过计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)软件、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)软件、计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件等工具实现设计阶段的数字孪生模型。这个阶段采用数字孪生技术能够在虚拟环境中验证不同场景下设计方案的适应性、合理性，能够提高设计效率、优化设计方案。设计阶段采用数字孪生模型付出的成本和代价最低，而获益最大。

    水利工程中水库或河道整治工程设计阶段通常会以CAD或BIM模型来查看不同的布局方案，评估模型是否有干涉等，以水动力模型分析不同方案之间水流淹没范围以及流速分布情况，从而为选择最佳设计方案提供依据。

    2.无人机倾斜摄影

    倾斜摄影是摄影机主光轴明显偏离铅垂线或水平方向并按一定倾斜角进行的摄影，用于制作数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)正射影像。通过相应的倾斜影像数据处理软件，对采集到的倾斜影像进行预处理，包括调色、纠偏、校正、镶嵌、融合等系列处理，形成符合应用需求的倾斜影像数据结果。

    3.机理数学模型

    机理数学模型的建设主要满足防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持和流域规划等部门及相关决策层的需求，可支持数字孪生模型的建设。目前已开发出大量的气象预报、流域产流产沙、洪水预报、河冰预报、水库调度、河道演进等基于不同理论背景的不同空间层次和传质的数学模型。

    （1）防汛减灾

    黄河防汛减灾业务应用模型主要包括气象径流预报、洪水预报、冰情预报、洪水泥沙调度和洪水泥沙演进等五类应用模型。

    气象预报模型主要有：黄河流域长期天气预报模型集（包括物理因子概念模型、动力气候模式输出产品预测模型、数理统计模型、动力气候模型）、中尺度数值模式MM5、中尺度数值模式AREM和黄河下游中短期冬季气温预报模型、黄河流域中期降雨预报模型（三花区间和泾渭洛河流域）、伊洛河、沁河径流预测模型。

    洪水预报模型主要有：渭河中下游洪水预报模型、黄河中游三门峡库区洪水预报模型、花园口站年最大流量预报模型、黄河三花间降雨径流模型、小花间分布式水文模型、黄河下游夹河滩～利津洪水流量及水位预报模型。

    冰情预报模型主要有：宁蒙河段冰凌预报统计模型、宁蒙河段冰情预报神经网络模型、宁蒙河段槽蓄水量计算模型和黄河下游冰情预报模型。

    洪水泥沙调度模型主要包括：龙羊峡、刘家峡联合防洪调度模型，三门峡、小浪底、陆浑、故县四库防洪调度模型，小浪底水库一维水动力学模型等。

    洪水泥沙演进模型主要包括：黄河下游一维非恒定流水沙动力学模型、黄河下游二维水沙演进动力学模型。

    （2）水资源管理与调度

    黄河水资源调度与管理应用模型主要包括水资源预报和水量调度等两类模型。

    水资源预报模型主要有：黄河上中游主要来水区间非汛期径流预报模型、花园口年度天然径流量预报模型、河源区分布式径流预报模型。

    水量调度模型主要有：黄河下游河段枯水演进模型、宁蒙河段枯水演进模型、水量调度方案模型、宁夏灌区月排水量计算模型。

    （3）水资源保护

    黄河水资源保护应用模型主要包括：小浪底至高村河段水质模型（黑箱模型、相关模型、一维稳态模型和人工神经网络模型）、黄河下游一维动态水质模型。

    （4）水土保持

    黄河水土保持应用模型主要包括：小流域分布式水动力学模型（姚文艺等）、农地年土壤侵蚀量的经验模型（刘善建）、陕北中小流域输沙量计算模型（牟金泽）等。

    （5）流域规划

    黄河流域规划应用模型主要包括：水库水文水动力学数学模型（内嵌古贤、三门峡和小浪底水库联合调控模块）、水库一维水动力学模型、宁蒙河段水文水动力学模型、龙潼河段水文水动力学模型、黄河下游水文水动力学模型、黄河下游一维恒定流水动力学模型、黄河口一维恒定流水动力学模型、水资源经济模型、黄河上游龙青段梯级水电站联合补偿调节计算模型、黄河上游电能计算模型、基于电源优化扩展规划的抽水蓄能经济评价软件、电力系统电源优化开发模型。

    4.GIS+融合

    GIS+融合指的是将基于实体创建的水利工程数字资产对接到GIS的过程。模型导入GIS系统后，在GIS系统中完成建筑物外部地理信息、实体几何信息及挂接的属性信息的整合，采用编码确定唯一对应关系的方式，建立实体+GIS数据关联，将工程从建设到运行全生命周期中产生的过程数据集成到导入GIS系统的实体模型中，通过实体+GIS数据共享服务平台进行数据及服务发布，全方位的支撑数字资产运维。

    5.河流数字孪生模型构建

    河流数字孪生模型的基础是水文预报、水库调度、洪水演进及灾情评估模型，它将气象、水文、水动力、人口经济等作为一个整体，应用系统分析原理和方法，对降雨产汇流、水工程调度、洪水演进、泥沙冲淤、河床演变、滩区淹没、水库异重流形成与发展、下游河道冲淤变化、河势演变等水动力过程及其对河床和环境的反馈关系进行理论概括和数量分析，继而建立相应数学模型，进行洪水演进过程的实时定量模拟，并可以动态可视化渲染，与经济社会人口等进行互馈。

    洪水环境感知通过传感器收集气温、湿度、土壤水分和温湿度、洪水产汇流过程的淹没情况、漫滩和洪水峰型形态图像和数据。通过机器学习的办法利用洪水传播图像实现风险期的识别。关键技术是通过大数据判断雨、洪、沙和水库调度的洪水波形状态识别技术。可以动态调整模型的参数，实现数字孪生技术下的洪水传播模拟。通过大数据分析得到洪水传播的各河段流量及水位变化，获得洪水传播规律。通过大数据分析找出水库冲淤与下游河道冲淤变化，实现洪水淹没损失最小和洪水资源化的辅助决策。利用视频解决图像数据与水动力数学模型预测数据融合，关键是利用观测数据进行结果精度评价。

    三、数字孪生在黄河防汛中的应用

    利用“数字黄河”建设中的模型研发成果，黄河水利科学研究院智慧水利创新团队采用最新的数字孪生模型构建技术，连通了广泛众多水利传感设备通信协议的物联网平台，集成了洪水风险评估理论与技术，在水旱灾害防御领域开展了一系列的应用实践，实现了如下功能：

    动态感知。集成物联网感知和各类水文监测信息，实现各类信息集成展示。包括水库（三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村等水库库容、泄流曲线、视频等）、河道整治工程、水文站、堤防等信息。可实时查询各断面历史冲淤变化情况。

    预报调度。平台接入气象预报数据，为实时预报与全链条业务模型提供实时数据输入；通过输入的气象水文数据，内嵌智能算法对黑石关、武陟进行径流预测，基于相似度适配技术进行小浪底水库调度方案推荐，对径流预报结果进行调度计算结果展示。同时兼容黄委水文局预报结果，联动五库联调模型。

    方案预演。基于渲染插件的方法的可视化技术可以呈现最高的模型结果渲染质量，解决了黄河下游二维河道演进计算结果数据量大，通过GIS平台渲染效率低的问题。实现了下游大洪水演进方案预演展示，并提供方案信息一览表，为防汛决策预案提供支撑；提供黄河下游防洪过程中居民迁安救护撤退路线的实时生成功能，为防汛预案管理和信息发布提供支持。

    方案对比。平台提供洪水演进方案对比功能，实现对所有计算方案信息的存贮，并可实时比对与实时分屏展示的细节对比。

    预警发布。提供对黄河下游站点的预警功能，在登入系统后可滚动播报，接入手机短信发布功能，可根据规定对相关群体发布预警或通知。

    智慧河务。实现对黄河流域重要工程的实景展示，对防汛期间重要工程出险情况采用5G接入现场无人机视频，并加载倾斜摄影成果实现3D实景显示。

    四、结论

    整体来看，数字孪生技术在初期，不仅仅是一项通用使能技术，也将彻底改变大家发现、认知和更新改造世界的方法。虽然目前数字孪生只能在有限的场景中得到应用，但随着技术不断演化、精密设备的增加，数字孪生技术应用的场景也会相应增加。但由于数字孪生是一个新生事物，其建设发展是人类认识世界观的改变，在水利业务中发展还比较缓慢。

    一是流域数字孪生的理论可用于不同水利工程的数字孪生体的构建，由各个虚拟组件组合成虚拟流域系统，构建流域数字孪生模型，通过对数字孪生模型的运行模拟，可以反映物理流域的表现。

    二是构建流域数字孪生模型，需要BIM设计、无人机倾斜摄影、河流数字孪生模型构建、机理数学模型和BIM+GIS融合等关键技术的支撑；同时，数字孪生技术的应用又进一步促进了这些关键技术的发展。

    三是在黄河防汛的智慧化建设中，利用机器学习算法、机理模型和数字孪生技术，在黄河智慧防汛平台上开展了2021年的防汛演练工作，是数字孪生技术在水治理工作中的一次尝试。

    推进数字孪生技术在水利行业的应用发展，还需要在数据共享的标准、数据共享、数据挖掘、数字孪生体建设和数值模拟与AI结合等方面加快步伐。

    来源/《中国水利》2021年第20期