流域數(shù)字孿生理論及其在黃河防汛中的實踐

    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)還存在應用場景少、技術(shù)瓶頸突破難等問題。

    數(shù)字孿生技術(shù)通過傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)鏈接現(xiàn)實世界，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)應用中，建立防汛減災、水資源管理與調(diào)度、水資源保護、水土保持和流域規(guī)劃等業(yè)務機理模型，逐步建立各水利工程實體的幾何外觀孿生、全生命周期孿生及多尺度孿生，為實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策的智慧水利建設服務。

    一、研究現(xiàn)狀

    數(shù)字孿生是指具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達，可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖。

    目前其定義也在發(fā)展演化中，美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室的數(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、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。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新需求。

    數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展可以分為四個階段，即幾何外觀數(shù)字孿生、多學科多專業(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)字孿生理論與實踐大大激發(fā)了水利行業(yè)的應用創(chuàng)新。

    在水利行業(yè)，數(shù)字孿生的理論可用于單獨水庫、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，由組件進一步組合成河流的各個作用系統(tǒng)，進而組合成整條河流。若與流域的規(guī)劃、水旱災害防御、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。黃河水利科學研究院智慧水利創(chuàng)新團隊秉承“數(shù)字黃河”時代之“數(shù)學模型”攻關團隊的水動力模擬基因，開展了關于黃河中下游人工智能預報、水庫調(diào)度智能適配技術(shù)、洪水演進、災情評估等模型的模擬研究，并在數(shù)字孿生地形上進行展示，為黃河流域管理決策提供輔助支持。“數(shù)字黃河”工程也是數(shù)字孿生技術(shù)在黃河治理開發(fā)與管理上的應用體現(xiàn)，“數(shù)字黃河”就是物理黃河的虛擬對照體，是計算機里的黃河。不同層面的數(shù)據(jù)分析可以對導致淤積或沖刷的工程和整個水資源配置進行預測。

    通過數(shù)字技術(shù)、機器學習(Machine Learning)和優(yōu)化洞察物理世界的行為，提供更精準的人為決策�；�于模型、數(shù)據(jù)、服務等方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生已廣泛被全球各行業(yè)、各背景、各層次的專家、學者和企業(yè)研究與應用，目前數(shù)字孿生在制造領域開展了較多的應用探索和落地實踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、水利等領域也具有廣闊的應用價值和應用前景。

    二、流域數(shù)字孿生模型構(gòu)建關鍵技術(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)展和交叉融合基礎上，通過構(gòu)建物理實體所對應的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進行可視化、調(diào)校、體驗、分析與優(yōu)化，從而提升物理實體性能和優(yōu)化實體效能的技術(shù)策略，是推進數(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)字孿生模型是相對于其物理實體而言的。應用數(shù)字孿生模型進行虛擬試驗，通過對數(shù)字孿生的分析優(yōu)化物理實體的運行。需要強調(diào)的是，數(shù)字孿生的關鍵技術(shù)如數(shù)學模型，在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應用，又促進了這些關鍵技術(shù)的進一步發(fā)展。構(gòu)建流域數(shù)字孿生模型，涉及的關鍵技術(shù)有BIM設計、無人機傾斜攝影、機理數(shù)學模型、GIS+融合和河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建等。

    1.BIM設計

    設計階段的數(shù)字孿生主要表現(xiàn)為3D建模和仿真，通過計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)軟件、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)軟件、計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件等工具實現(xiàn)設計階段的數(shù)字孿生模型。這個階段采用數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中驗證不同場景下設計方案的適應性、合理性，能夠提高設計效率、優(yōu)化設計方案。設計階段采用數(shù)字孿生模型付出的成本和代價最低，而獲益最大。

    水利工程中水庫或河道整治工程設計階段通常會以CAD或BIM模型來查看不同的布局方案，評估模型是否有干涉等，以水動力模型分析不同方案之間水流淹沒范圍以及流速分布情況，從而為選擇最佳設計方案提供依據(jù)。

    2.無人機傾斜攝影

    傾斜攝影是攝影機主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向并按一定傾斜角進行的攝影，用于制作數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)正射影像。通過相應的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的傾斜影像進行預處理，包括調(diào)色、糾偏、校正、鑲嵌、融合等系列處理，形成符合應用需求的傾斜影像數(shù)據(jù)結(jié)果。

    3.機理數(shù)學模型

    機理數(shù)學模型的建設主要滿足防汛減災、水資源管理與調(diào)度、水資源保護、水土保持和流域規(guī)劃等部門及相關決策層的需求，可支持數(shù)字孿生模型的建設。目前已開發(fā)出大量的氣象預報、流域產(chǎn)流產(chǎn)沙、洪水預報、河冰預報、水庫調(diào)度、河道演進等基于不同理論背景的不同空間層次和傳質(zhì)的數(shù)學模型。

    （1）防汛減災

    黃河防汛減災業(yè)務應用模型主要包括氣象徑流預報、洪水預報、冰情預報、洪水泥沙調(diào)度和洪水泥沙演進等五類應用模型。

    氣象預報模型主要有：黃河流域長期天氣預報模型集（包括物理因子概念模型、動力氣候模式輸出產(chǎn)品預測模型、數(shù)理統(tǒng)計模型、動力氣候模型）、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報模型、黃河流域中期降雨預報模型（三花區(qū)間和涇渭洛河流域）、伊洛河、沁河徑流預測模型。

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

    冰情預報模型主要有：寧蒙河段冰凌預報統(tǒng)計模型、寧蒙河段冰情預報神經(jīng)網(wǎng)絡模型、寧蒙河段槽蓄水量計算模型和黃河下游冰情預報模型。

    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、故縣四庫防洪調(diào)度模型，小浪底水庫一維水動力學模型等。

    洪水泥沙演進模型主要包括：黃河下游一維非恒定流水沙動力學模型、黃河下游二維水沙演進動力學模型。

    （2）水資源管理與調(diào)度

    黃河水資源調(diào)度與管理應用模型主要包括水資源預報和水量調(diào)度等兩類模型。

    水資源預報模型主要有：黃河上中游主要來水區(qū)間非汛期徑流預報模型、花園口年度天然徑流量預報模型、河源區(qū)分布式徑流預報模型。

    水量調(diào)度模型主要有：黃河下游河段枯水演進模型、寧蒙河段枯水演進模型、水量調(diào)度方案模型、寧夏灌區(qū)月排水量計算模型。

    （3）水資源保護

    黃河水資源保護應用模型主要包括：小浪底至高村河段水質(zhì)模型（黑箱模型、相關模型、一維穩(wěn)態(tài)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型）、黃河下游一維動態(tài)水質(zhì)模型。

    （4）水土保持

    黃河水土保持應用模型主要包括：小流域分布式水動力學模型（姚文藝等）、農(nóng)地年土壤侵蝕量的經(jīng)驗模型（劉善建）、陜北中小流域輸沙量計算模型（牟金澤）等。

    （5）流域規(guī)劃

    黃河流域規(guī)劃應用模型主要包括：水庫水文水動力學數(shù)學模型（內(nèi)嵌古賢、三門峽和小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控模塊）、水庫一維水動力學模型、寧蒙河段水文水動力學模型、龍潼河段水文水動力學模型、黃河下游水文水動力學模型、黃河下游一維恒定流水動力學模型、黃河口一維恒定流水動力學模型、水資源經(jīng)濟模型、黃河上游龍青段梯級水電站聯(lián)合補償調(diào)節(jié)計算模型、黃河上游電能計算模型、基于電源優(yōu)化擴展規(guī)劃的抽水蓄能經(jīng)濟評價軟件、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體創(chuàng)建的水利工程數(shù)字資產(chǎn)對接到GIS的過程。模型導入GIS系統(tǒng)后，在GIS系統(tǒng)中完成建筑物外部地理信息、實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應關系的方式，建立實體+GIS數(shù)據(jù)關聯(lián)，將工程從建設到運行全生命周期中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)集成到導入GIS系統(tǒng)的實體模型中，通過實體+GIS數(shù)據(jù)共享服務平臺進行數(shù)據(jù)及服務發(fā)布，全方位的支撐數(shù)字資產(chǎn)運維。

    5.河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建

    河流數(shù)字孿生模型的基礎是水文預報、水庫調(diào)度、洪水演進及災情評估模型，它將氣象、水文、水動力、人口經(jīng)濟等作為一個整體，應用系統(tǒng)分析原理和方法，對降雨產(chǎn)匯流、水工程調(diào)度、洪水演進、泥沙沖淤、河床演變、灘區(qū)淹沒、水庫異重流形成與發(fā)展、下游河道沖淤變化、河勢演變等水動力過程及其對河床和環(huán)境的反饋關系進行理論概括和數(shù)量分析，繼而建立相應數(shù)學模型，進行洪水演進過程的實時定量模擬，并可以動態(tài)可視化渲染，與經(jīng)濟社會人口等進行互饋。

    洪水環(huán)境感知通過傳感器收集氣溫、濕度、土壤水分和溫濕度、洪水產(chǎn)匯流過程的淹沒情況、漫灘和洪水峰型形態(tài)圖像和數(shù)據(jù)。通過機器學習的辦法利用洪水傳播圖像實現(xiàn)風險期的識別。關鍵技術(shù)是通過大數(shù)據(jù)判斷雨、洪、沙和水庫調(diào)度的洪水波形狀態(tài)識別技術(shù)�？梢詣討B(tài)調(diào)整模型的參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)下的洪水傳播模擬。通過大數(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。通過大數(shù)據(jù)分析找出水庫沖淤與下游河道沖淤變化，實現(xiàn)洪水淹沒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)與水動力數(shù)學模型預測數(shù)據(jù)融合，關鍵是利用觀測數(shù)據(jù)進行結(jié)果精度評價。

    三、數(shù)字孿生在黃河防汛中的應用

    利用“數(shù)字黃河”建設中的模型研發(fā)成果，黃河水利科學研究院智慧水利創(chuàng)新團隊采用最新的數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)，連通了廣泛眾多水利傳感設備通信協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)平臺，集成了洪水風險評估理論與技術(shù)，在水旱災害防御領域開展了一系列的應用實踐，實現(xiàn)了如下功能：

    動態(tài)感知。集成物聯(lián)網(wǎng)感知和各類水文監(jiān)測信息，實現(xiàn)各類信息集成展示。包括水庫（三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等水庫庫容、泄流曲線、視頻等）、河道整治工程、水文站、堤防等信息。可實時查詢各斷面歷史沖淤變化情況。

    預報調(diào)度。平臺接入氣象預報數(shù)據(jù)，為實時預報與全鏈條業(yè)務模型提供實時數(shù)據(jù)輸入；通過輸入的氣象水文數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌智能算法對黑石關、武陟進行徑流預測，基于相似度適配技術(shù)進行小浪底水庫調(diào)度方案推薦，對徑流預報結(jié)果進行調(diào)度計算結(jié)果展示。同時兼容黃委水文局預報結(jié)果，聯(lián)動五庫聯(lián)調(diào)模型。

    方案預演。基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計算結(jié)果數(shù)據(jù)量大，通過GIS平臺渲染效率低的問題。實現(xiàn)了下游大洪水演進方案預演展示，并提供方案信息一覽表，為防汛決策預案提供支撐；提供黃河下游防洪過程中居民遷安救護撤退路線的實時生成功能，為防汛預案管理和信息發(fā)布提供支持。

    方案對比。平臺提供洪水演進方案對比功能，實現(xiàn)對所有計算方案信息的存貯，并可實時比對與實時分屏展示的細節(jié)對比。

    預警發(fā)布。提供對黃河下游站點的預警功能，在登入系統(tǒng)后可滾動播報，接入手機短信發(fā)布功能，可根據(jù)規(guī)定對相關群體發(fā)布預警或通知。

    智慧河務。實現(xiàn)對黃河流域重要工程的實景展示，對防汛期間重要工程出險情況采用5G接入現(xiàn)場無人機視頻，并加載傾斜攝影成果實現(xiàn)3D實景顯示。

    四、結(jié)論

    整體來看，數(shù)字孿生技術(shù)在初期，不僅僅是一項通用使能技術(shù)，也將徹底改變大家發(fā)現(xiàn)、認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景中得到應用，但隨著技術(shù)不斷演化、精密設備的增加，數(shù)字孿生技術(shù)應用的場景也會相應增加。但由于數(shù)字孿生是一個新生事物，其建設發(fā)展是人類認識世界觀的改變，在水利業(yè)務中發(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，通過對數(shù)字孿生模型的運行模擬，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設計、無人機傾斜攝影、河流數(shù)字孿生模型構(gòu)建、機理數(shù)學模型和BIM+GIS融合等關鍵技術(shù)的支撐；同時，數(shù)字孿生技術(shù)的應用又進一步促進了這些關鍵技術(shù)的發(fā)展。

    三是在黃河防汛的智慧化建設中，利用機器學習算法、機理模型和數(shù)字孿生技術(shù)，在黃河智慧防汛平臺上開展了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。

    推進數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)的應用發(fā)展，還需要在數(shù)據(jù)共享的標準、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生體建設和數(shù)值模擬與AI結(jié)合等方面加快步伐。

    來源/《中國水利》2021年第20期