1、基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水利應(yīng)用研究摘要:本文分析了當(dāng)前智慧水利發(fā)展面臨的問題，提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水利應(yīng)用體系構(gòu)建原則及總體框架，指出了數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用方向，通過融合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多層級數(shù)據(jù)的整合共享、智能分析與全面展示，為水利管理工作提供輔助決策支撐。關(guān)鍵詞: 數(shù)字孿生；智慧水利；數(shù)據(jù)挖掘；虛擬映射現(xiàn)今我國水利工作的重心轉(zhuǎn)移到“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”上來，要求各級水管部門按照實(shí)際需求盡快補(bǔ)齊信息化短板，在水利信息化建設(shè)上提檔升級。智慧水利是智慧社會的組成部分，對社會經(jīng)濟(jì)的支撐作用和地位尤為重要， 對促進(jìn)水利可持續(xù)發(fā)展有重要意義。水利信息化向水利智慧化

2、的轉(zhuǎn)變成為趨勢。因此，亟待加強(qiáng)智慧水利相關(guān)內(nèi)涵與應(yīng)用研究，將數(shù)字孿生技術(shù)與智慧水利需求相融合，構(gòu)建覆蓋水利十大業(yè)務(wù)的智慧水利應(yīng)用體系。1 智慧水利發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)不同時期的治水特點(diǎn)及思路，我國水利發(fā)展可分為“工程水利”階段、“資源水利”階段、“生態(tài)水利”階段及“智慧水利”階段，當(dāng)前正是水利信息化朝著智慧水利方向發(fā)展的階段，各省市在水利信息化方面均已有成效，目前較為成熟的信息系統(tǒng)涉及水旱災(zāi)害防御、水利工程運(yùn)行管理、水資源配置、河湖長制等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。我國的水利信息化建設(shè)目前存在著感知采集不全面、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不融合、數(shù)據(jù)挖掘不深入、業(yè)務(wù)管理不智能等諸多問題。1.1 感知采集不全面智慧水利的實(shí)現(xiàn)需要借助各類

3、型傳感器、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等設(shè)備及技術(shù)的支持，為水利管理提供持續(xù)監(jiān)測、智能預(yù)警、統(tǒng)計(jì)分析等智慧應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前在水資源、水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害、水工程等方面均已初步建設(shè)部分感知采集體系，但是部分地區(qū)在農(nóng)村飲水、灌區(qū)自動化、水利工程安全監(jiān)測等方面仍然存在短板，總體來說， 感知采集體系建設(shè)距離智慧水利要求還有一定差距，存在著監(jiān)測、傳輸、控制手段落后，監(jiān)測種類不全，監(jiān)測分布不均等問題。1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不融合目前水利主管單位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量多且電子化程度較低的現(xiàn)象，水利工程管理涵蓋了十大業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)覆蓋面廣，工作過程數(shù)據(jù)繁多，但還有很多與業(yè)務(wù)管理相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚未實(shí)現(xiàn)電

4、子化，如河道劃界、岸線規(guī)劃、采砂規(guī)劃、供水工程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于水利管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲分散、不成體系，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)維度單一、分析深度不夠、要素關(guān)聯(lián)不足等問題，管理人員無法總體掌握各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)基本情況。1.3 數(shù)據(jù)挖掘不深入目前，各水利系統(tǒng)多采用獨(dú)立開發(fā)的形式建設(shè)，多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)割裂，十大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并未實(shí)現(xiàn)融合共享。數(shù)據(jù)的缺失和整合不充分，直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系與關(guān)聯(lián)關(guān)系無法建立，難以形成綜合性的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)服務(wù)，難以對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析與價值挖掘，且目前水利模型庫與學(xué)習(xí)算法庫還未搭建成型，未實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的深度挖掘。2 數(shù)字孿生技術(shù)“數(shù)字孿生”是一項(xiàng)用數(shù)字化的方法構(gòu)建一個與現(xiàn)實(shí)世界一模一樣的數(shù)字世界的技術(shù)， 通過這

5、項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)是一個通過集成多個學(xué)科、多個物理變量、多維度測量、事件概率統(tǒng)計(jì)的仿真過程，通過在虛擬空間中建立映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期。數(shù)字孿生應(yīng)用需要在基礎(chǔ)設(shè)施的支撐下實(shí)現(xiàn)。3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水利應(yīng)用設(shè)計(jì)水管理涉及水利十大業(yè)務(wù)中的監(jiān)測預(yù)警、運(yùn)行調(diào)度、監(jiān)督管理等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，需要對廣泛的管理對象建立模型，輔助實(shí)現(xiàn)管理過程中的數(shù)據(jù)收集、決策支持等，由此看來，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與思路和智慧水利頂層設(shè)計(jì)框架較一致，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)能夠?yàn)樗芾硖峁├碚摵图夹g(shù)上的支持。3.1 構(gòu)建原則（1）虛實(shí)結(jié)合。由于水利管理過程中涉及多學(xué)科、多對象

6、、多尺度、多過程的物理實(shí)體、調(diào)度過程、運(yùn)行環(huán)境等要素，要求智慧水利體系具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、動態(tài)性等多特性，需要數(shù)字孿生體具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時感知和互聯(lián)能力，能夠?qū)θ?、機(jī)、物、環(huán)境四大要素進(jìn)行全面的感知和融合，實(shí)現(xiàn)對河湖、水庫、水電站、水廠、管網(wǎng)、渠道、閘門、泵站等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，形成虛擬對象在信息維度上對實(shí)體對象的精準(zhǔn)信息進(jìn)行表達(dá)和映射。(2) 應(yīng)用交互。水利管理要素的數(shù)字孿生體不僅用于展示，重要的是應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。將真實(shí)的河湖、水利工程等要素的狀態(tài)和趨勢作為邊界條件，輸入對應(yīng)的數(shù)字模型后，各項(xiàng)物理指標(biāo)均能在數(shù)字孿生體中展示，支持水利管理中的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等方案模擬與發(fā)展推

7、演，從而構(gòu)建虛實(shí)融合、雙向映射、虛實(shí)協(xié)同的創(chuàng)新管理體系。(3) 輔助決策。數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是預(yù)測預(yù)警和智慧決策。借助大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，在云計(jì)算的支撐下，水利數(shù)字孿生體通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、模擬評估、優(yōu)化分析、預(yù)測預(yù)警，為水利管理中各業(yè)務(wù)決策提供科學(xué)化和智慧化的應(yīng)用指導(dǎo)。3.2 總體框架(1) 感知采集層。通過對江河湖泊、水利工程、水利管理活動的感知，實(shí)時獲取所有感知數(shù)據(jù)，為上層應(yīng)用及數(shù)字孿生體提供輸入。(2) 基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施包括項(xiàng)目需要的計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、安全服務(wù)資源及實(shí)體運(yùn)行環(huán)境等內(nèi)容，滿足會商、日常工作需要。(3) 數(shù)據(jù)中心層。進(jìn)行縱向及橫向數(shù)據(jù)資源

8、整合，縱向整合各級(省、市、縣等) 水利管理的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資源，橫向整合自然資源、生態(tài)環(huán)境等多領(lǐng)域涉水?dāng)?shù)據(jù)，為輔助決策提供全面數(shù)據(jù)支撐。(4) 支撐平臺層。包括基礎(chǔ)支撐平臺及使能平臺， 使能平臺即水利模型庫和算法庫， 集空間模型、專題模型和應(yīng)用模型為一體，整合水利多維業(yè)務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)模型孿生。其中洪水業(yè)務(wù)包括洪水預(yù)報模型、洪水演進(jìn)三維模型、區(qū)域洪水聯(lián)合預(yù)報調(diào)度模型等；干旱業(yè)務(wù)包括氣象、水文、農(nóng)情等旱情遙感監(jiān)測模型、多指標(biāo)旱情綜合評估模型等；水利工程安全運(yùn)行業(yè)務(wù)包括工程運(yùn)行安全評估預(yù)警模型、仿真調(diào)度模型、安全評估模型等；水工程建設(shè)與安全運(yùn)行監(jiān)控業(yè)務(wù)包括水利工程建設(shè)BIM+GIS數(shù)字工程信息模型等；水資

9、源開發(fā)利用業(yè)務(wù)包括水量分配模擬模型、區(qū)域取用水大數(shù)據(jù)分析模型等；水土流失業(yè)務(wù)包括生產(chǎn)建設(shè)擾動圖斑識別模型、水土流失預(yù)測預(yù)報模型等；河流湖泊包括水域岸線違法違規(guī)現(xiàn)象追溯模型、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目遙感識別模型等等。(5) 智慧應(yīng)用層。智慧應(yīng)用覆蓋水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害、水工程、水監(jiān)督、水行政、水公共服務(wù)、綜合決策、綜合運(yùn)維、綜合決策等類別。支持水利管理要素的可視化的動態(tài)展示，為決策者提供全局最優(yōu)的決策方案。3.3 主要應(yīng)用(1) 實(shí)現(xiàn)水利要素虛擬映射。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真工具等方式實(shí)現(xiàn)對河湖、水庫、水電站、水廠、管網(wǎng)、渠道、閘門、泵站等水利要素的全面數(shù)字化建模，建設(shè)全要素、全對象、全流程的數(shù)字孿生體。(2) 實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)價值挖掘。通過數(shù)字孿生技術(shù)將目前涉及的水利空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)字資產(chǎn)管理起來，并通過數(shù)字孿生體對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和規(guī)律，為輔助決策提供參考。(3) 實(shí)現(xiàn)水利管理可控、可預(yù)測。通過對水利管理過程的進(jìn)程、狀態(tài)、實(shí)時參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合水利模型庫、算法庫，實(shí)現(xiàn)防汛抗旱、水利工程運(yùn)行管理、水資源調(diào)度管理等