王權(quán)森

摘要：數(shù)字孿生與水利行業(yè)的融合是新一代信息技術(shù)、通信技術(shù)在水利行業(yè)的綜合集成應(yīng)用，是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實(shí)施路徑。目前水利行業(yè)智慧化水平仍然較低，對(duì)于數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用相對(duì)較少。為此，深入探討了數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵與發(fā)展理念，并重點(diǎn)圍繞行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)過(guò)程可能面臨的問(wèn)題開(kāi)展了研究。研究給出了以數(shù)據(jù)底座建設(shè)、數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)、智慧化模擬與精準(zhǔn)化決策支撐建設(shè)為主軸的行蓄洪空間建設(shè)總體方案。相關(guān)成果可為今后智慧流域建設(shè)提供有建設(shè)性的規(guī)劃思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生流域; 行蓄洪空間; 數(shù)據(jù)底座; 智慧化模擬; 精準(zhǔn)化決策; 長(zhǎng)江中下游

中圖法分類號(hào)： U231.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.031

0引 言

數(shù)字孿生是流域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支撐技術(shù)，其主要通過(guò)歷史資料以及傳感器獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料，在算法模型基礎(chǔ)上，利用分布式存儲(chǔ)、數(shù)字映射、云計(jì)算等多種信息領(lǐng)域與通信領(lǐng)域技術(shù)，使真實(shí)世界中多時(shí)空尺度、多變量、多物理場(chǎng)、多概率過(guò)程在虛擬世界中進(jìn)行數(shù)字化映射，并對(duì)相應(yīng)物理實(shí)體的全生命周期過(guò)程進(jìn)行歷史復(fù)演、現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)與未來(lái)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬數(shù)字世界的孿生交互與融合，全面提升物理世界信息數(shù)據(jù)應(yīng)用能力，降本增效[1-2]。隨著各種傳感通信、信息測(cè)量與控制決策技術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)軟硬件水平的大力提升，數(shù)字孿生技術(shù)也為各行各業(yè)發(fā)展提供了無(wú)限創(chuàng)新的機(jī)遇。自2016年起，數(shù)字孿生技術(shù)連續(xù)被Gartner Group公司評(píng)為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略趨勢(shì)之一，在工業(yè)、汽車、交通、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用與高速發(fā)展，尤其是在智慧城市建設(shè)、能源系統(tǒng)規(guī)劃以及智能制造方面取得了一系列的成果，極大加快了技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型[3-5]。

近年來(lái)，水利部積極推進(jìn)水利行業(yè)信息化、智慧化建設(shè)，隨著信息資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷深入，數(shù)字孿生技術(shù)也已被推廣應(yīng)用至流域水資源規(guī)劃管理中。2018年11月IBM公司首次提出了智慧地球的理念，并基于此為哥倫比亞水務(wù)局開(kāi)發(fā)了一套智能水務(wù)系統(tǒng)，使得水務(wù)局能夠前瞻性地管理水務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)[6]。蔣云鐘[7]等借鑒“智慧地球”的理念，分析了“智慧流域”的戰(zhàn)略需求與技術(shù)推動(dòng)因素，并對(duì)其中使用的關(guān)鍵技術(shù)和支撐平臺(tái)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、射頻識(shí)別標(biāo)簽、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算與云存儲(chǔ)、流域虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)、基于多源耦合的氣象水文信息保障平臺(tái)、二元水循環(huán)數(shù)值模擬平臺(tái)、水資源數(shù)值調(diào)控平臺(tái)和流域數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)平臺(tái)等進(jìn)行了探討。蔣亞?wèn)|等[8]剖析了當(dāng)前水利工程運(yùn)行管理中存在的不足，重點(diǎn)分析了數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在水利工程運(yùn)行管理中的運(yùn)行機(jī)制，提出了可通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)水利工程運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、診斷、分析、決策和預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水利工程的智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控和可靠運(yùn)維。同時(shí)，數(shù)字與水利融合的“數(shù)字孿生流域”“數(shù)字孿生水網(wǎng)”已經(jīng)成為水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的標(biāo)志，多種水利智慧化系統(tǒng)平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，包括“智慧長(zhǎng)江”“數(shù)字黃河”“水利一張圖”“智慧大壩”數(shù)字水利物聯(lián)網(wǎng)等。

然而水利行業(yè)總體還處于智慧水利的起步階段，與城市交通、電力、氣象等智慧行業(yè)相比還存在較大差距。現(xiàn)有水資源信息化系統(tǒng)多面向特定水資源業(yè)務(wù)需求構(gòu)建，各子系統(tǒng)各模塊之間缺少協(xié)調(diào)和共享，數(shù)據(jù)壁壘、信息孤島等問(wèn)題突出，整體智慧化水平較低，缺少實(shí)時(shí)與外部交互的途徑[9]。尤其是流域防洪體系數(shù)字化、智慧化建設(shè)仍面臨諸多問(wèn)題，如監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系建設(shè)不足、無(wú)法實(shí)時(shí)感知流域動(dòng)態(tài)發(fā)生的多種變化過(guò)程。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱、模型基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用間差距較大等因素，導(dǎo)致現(xiàn)有模型算力難以支撐實(shí)際調(diào)度應(yīng)用需求，且模擬精度較低，無(wú)法反映真實(shí)世界變化與虛擬世界響應(yīng)之間的互饋關(guān)系。因此，如何立足于新時(shí)期智慧流域提出的新要求，以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，建立流域水資源管理智能服務(wù)平臺(tái)，已成為新時(shí)代水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。

在此背景下，本文將重點(diǎn)闡述對(duì)流域數(shù)字孿生基本內(nèi)涵及其發(fā)展理念的認(rèn)識(shí)與思考，并以流域行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)為目標(biāo)，系統(tǒng)地論述行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)總體技術(shù)方案與建設(shè)內(nèi)容，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討。以期通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化、控制自動(dòng)化、決策智能化，強(qiáng)化預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能建設(shè)，全面推進(jìn)水利現(xiàn)代化發(fā)展，促進(jìn)水資源集約利用。

1流域數(shù)字孿生基本內(nèi)涵及其發(fā)展理念

1.1數(shù)字孿生流域基本內(nèi)涵與特性

數(shù)字孿生流域是數(shù)字孿生技術(shù)在流域水資源綜合管理中的應(yīng)用，本質(zhì)上是通過(guò)信息技術(shù)在虛擬數(shù)字空間中建立與真實(shí)世界中不同要素一一對(duì)應(yīng)、不同物理過(guò)程互映射，且能與外部世界實(shí)時(shí)協(xié)同交互的孿生流域系統(tǒng)。流域數(shù)字孿生的目標(biāo)對(duì)象具體包括整個(gè)流域范圍內(nèi)的如水庫(kù)、堤防、蓄滯洪區(qū)等重要工程以及關(guān)鍵河道斷面、水文站點(diǎn)、沿岸城市等不同要素以及不同尺度下各要素物理變化過(guò)程如降雨、產(chǎn)流、匯流以及水工程預(yù)報(bào)調(diào)度等。

相對(duì)于傳統(tǒng)流域水資源管理系統(tǒng)平臺(tái)，數(shù)字孿生最大的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)學(xué)模型與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系的有機(jī)融合，通過(guò)外部物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)感知體系可為真實(shí)流域仿真建模提供良好的數(shù)據(jù)支撐與更有力的建模手段。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知、通信傳遞、后臺(tái)模型初始邊界更新的信息傳遞鏈條，使后臺(tái)模型能夠不斷獲取與更新外部信息，更加完善地對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行“數(shù)化”與“賦息”。同時(shí)，在面對(duì)復(fù)雜水資源系統(tǒng)機(jī)理認(rèn)知不足的問(wèn)題時(shí)，可基于采集的大量數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)人工智能等技術(shù)建立“灰箱”或“黑箱”模型對(duì)復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行仿真建模，能有效對(duì)傳統(tǒng)基于物理過(guò)程的建模技術(shù)進(jìn)行發(fā)展、完善與補(bǔ)充，輔助精準(zhǔn)化決策。

1.2數(shù)字孿生流域建設(shè)路線與發(fā)展理念

數(shù)字孿生流域可根據(jù)數(shù)據(jù)底座構(gòu)建、數(shù)字化場(chǎng)景搭建、智慧化模擬與精準(zhǔn)化決策支撐建設(shè)的總體路線進(jìn)行發(fā)展建設(shè)。

（1） 數(shù)據(jù)底座。

數(shù)據(jù)底座是以時(shí)空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，匯集不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息通訊技術(shù)，形成集信息采集、記錄、決策于一體的循環(huán)數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)底座為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供了基礎(chǔ)，它也是孿生流域與真實(shí)流域的紐帶，主要以全域要素?cái)?shù)字化標(biāo)識(shí)和空天地一體化感知監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系為本底，通過(guò)外部數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)感知、數(shù)據(jù)組織管理、對(duì)象數(shù)字化映射來(lái)使虛擬世界與物理世界進(jìn)行鏈接。

（2） 數(shù)字化場(chǎng)景。

數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)則是孿生流域?qū)φ鎸?shí)流域的刻畫(huà)，主要以數(shù)字孿生模型平臺(tái)作為流域水資源綜合利用信息集成展示載體，引入GIS、VR等三維可視化技術(shù)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)決策需求，建設(shè)多尺度融合的數(shù)字孿生流域主題場(chǎng)景。

（3） 智慧化模擬。

智慧化模擬則重點(diǎn)體現(xiàn)孿生流域?qū)φ鎸?shí)世界的交互響應(yīng)，主要以全域全景的數(shù)據(jù)資源、高性能的協(xié)同計(jì)算、深度學(xué)習(xí)的機(jī)器智能平臺(tái)為“智慧中樞”，在虛擬孿生流域中對(duì)真實(shí)流域全要素全過(guò)程精確刻畫(huà)與模擬。

（4） 精準(zhǔn)化決策。

精準(zhǔn)化決策是指孿生流域?qū)φ鎸?shí)流域的作用，結(jié)合智慧化模擬調(diào)度結(jié)果，從時(shí)、空、量、度4個(gè)角度對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行細(xì)化與優(yōu)化，支撐不同時(shí)空粒度下調(diào)度決策精細(xì)化實(shí)施，并定量評(píng)估方案作用于真實(shí)世界后帶來(lái)的影響。

通過(guò)數(shù)字孿生流域建設(shè)與完善，可創(chuàng)建一個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)象的宇宙。在未來(lái)，能進(jìn)一步形成“全域立體感知、萬(wàn)物可信互聯(lián)、場(chǎng)景動(dòng)態(tài)展示、分布式泛在計(jì)算、全景交互調(diào)控、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策”的一整套流域水資源運(yùn)行管理的新模式，如圖1所示。

1.3行蓄洪空間數(shù)字孿生特點(diǎn)

由于流域內(nèi)要素過(guò)多，變化過(guò)程龐雜，現(xiàn)有技術(shù)手段難以對(duì)流域進(jìn)行整體數(shù)字孿生，需根據(jù)不同要素自身特性、業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，分區(qū)域、分工程對(duì)象進(jìn)行數(shù)字孿生建設(shè)。行蓄洪空間作為流域數(shù)字孿生中重要的一環(huán)，其孿生對(duì)象主要是針對(duì)蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸等現(xiàn)有防洪系統(tǒng)中薄弱環(huán)進(jìn)行建設(shè)?，F(xiàn)階段，由于流域蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸等行蓄洪空間缺乏管控、建設(shè)滯后等原因，行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)工作具有建設(shè)范圍大、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱、運(yùn)用機(jī)制尚未明晰等特點(diǎn)。因此，亟需建立更加智慧、精準(zhǔn)的行蓄洪空間智慧孿生模擬體系，為行蓄洪空間調(diào)度管控與流域防洪減災(zāi)提供有力支撐。

2行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)總體方案與目標(biāo)

2.1行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)總體方案

結(jié)合“四預(yù)”總體要求，按照“大系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)建設(shè)”模式開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)。首先基于歷史水情、雨情、工情、社情數(shù)據(jù)、自然地理資料以及站網(wǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，研發(fā)可感知互饋且能實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)底座。然后，充分調(diào)研業(yè)務(wù)需求，將河道水動(dòng)力演進(jìn)模型、行蓄洪空間運(yùn)用模型與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策模型等專業(yè)模型按照統(tǒng)一規(guī)范格式進(jìn)行封裝，形成專業(yè)模型庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能等技術(shù)，建立知識(shí)圖譜、智慧圖譜、模型誤差反饋校正模型、風(fēng)險(xiǎn)群決策模型與自適應(yīng)調(diào)控等高階模型。該類模型主要特點(diǎn)是具有高度的集成性與可解釋性，模型機(jī)制更加符合人類的學(xué)習(xí)和決斷過(guò)程，能有效提高現(xiàn)有模型算力，完善模型功能。同時(shí)高階知識(shí)模型也是孿生流域能對(duì)真實(shí)流域全景、全要素、全時(shí)空、全過(guò)程進(jìn)行“毫秒級(jí)”智慧化模擬的關(guān)鍵支撐。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智慧化模擬得到的險(xiǎn)情、災(zāi)情信息，結(jié)合群智能決策支持系統(tǒng)，精準(zhǔn)把控不同調(diào)度方案下風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)空狀態(tài)以及演變態(tài)勢(shì)，并通過(guò)可視化技術(shù)完成集全域險(xiǎn)情呈現(xiàn)、全態(tài)勢(shì)感知預(yù)警、災(zāi)損互饋?lái)憫?yīng)于一體的數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)，實(shí)現(xiàn)在人機(jī)交互條件下實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行反饋優(yōu)化與精準(zhǔn)化決策。行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)總體路線圖如圖2所示。

2.2行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)目標(biāo)

行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)目標(biāo)具體可分為以下4個(gè)目標(biāo)：

（1） 基于空天地一體化物聯(lián)站網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系，建立一個(gè)能實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)底座。

（2） 建成多尺度數(shù)字化場(chǎng)景，能將傳統(tǒng)數(shù)字化場(chǎng)景的呈現(xiàn)方式從基于低維點(diǎn)、線、面展示方法提升為多維廣域、全景的展示方法。

（3） 使水工程模擬調(diào)度從基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)M調(diào)度模式提升為全要素全時(shí)空智慧圖譜調(diào)度模式。

（4） 使決策支持從傳統(tǒng)基于靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)決策方法提升為交互式動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)群決策方法。

最終可建設(shè)一個(gè)集流域感知監(jiān)控、預(yù)報(bào)調(diào)度、方案預(yù)演、智能決策、預(yù)警發(fā)布、預(yù)案生成于一體，并具有深度自主學(xué)習(xí)能力、能不斷自適應(yīng)優(yōu)化的可嵌入式流域數(shù)字孿生決策支持平臺(tái)。從場(chǎng)景展示、計(jì)算能力、決策交互多角度對(duì)綜調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行提升。

3行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

3.1數(shù)據(jù)底座建設(shè)

流域數(shù)據(jù)底座是支撐水利現(xiàn)代化高質(zhì)量發(fā)展的新一代基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)底座建設(shè)應(yīng)結(jié)合不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，考慮數(shù)據(jù)獲取難度、建設(shè)成本、建設(shè)周期等多種因素，按照“分尺度建設(shè)，多尺度融合”的總體建設(shè)思路，

將流域數(shù)據(jù)底座分成大尺度、中觀尺度與精細(xì)尺度不同場(chǎng)景進(jìn)行分類別建設(shè)（見(jiàn)圖3）。

（1） 流域?qū)用鏀?shù)據(jù)底座建設(shè)。

流域?qū)用妫瑢儆诖蟪叨?，其?shù)據(jù)底座建設(shè)重點(diǎn)關(guān)注流域全局信息。流域?qū)用鏀?shù)據(jù)底座以大尺度流域3維或2.5維地形圖為底圖，將能輔助決策的關(guān)鍵信息刻畫(huà)到3維底圖中，具體數(shù)據(jù)信息包含：流域大尺度衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、水系信息、地名數(shù)據(jù)等自然地理信息;各區(qū)域行政區(qū)劃、人口、耕地、道路、單位、企業(yè)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)信息;不同蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸空間位置、實(shí)時(shí)工程狀態(tài)信息等工情信息;堤防等重要建筑物空間信息以及實(shí)時(shí)工情信息;以及不同控制站點(diǎn)實(shí)時(shí)水情、雨情信息等。

（2） 河段層面數(shù)據(jù)底座建設(shè)。

河段層面屬于中觀尺度，其關(guān)注某一具體河段內(nèi)信息。河段層面數(shù)據(jù)底座以河段高精度地形圖為底圖，將沿岸河道堤防、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸堤防和重要行蓄洪工程設(shè)施等，以及附近涉水區(qū)域重要跨河建筑物、重要臨江建筑物、重要風(fēng)險(xiǎn)隱患堤段進(jìn)行3維建模，部分區(qū)域可使用白模代替。并根據(jù)衛(wèi)星影像提供的要素地理空間布局信息，將不同站點(diǎn)實(shí)時(shí)水雨情信息、河道沿程水位信息、流速信息、堤防設(shè)計(jì)水位信息、堤防級(jí)別、堤頂高程、堤段內(nèi)部屬性信息、關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)信息、無(wú)人機(jī)與攝像頭布設(shè)位置信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫(huà)面信息、沿岸城市人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、道路信息等信息疊置在河段尺度數(shù)字3維模型中。

（3） 行蓄洪空間層面數(shù)據(jù)底座建設(shè)。

行蓄洪空間層面屬于精細(xì)尺度，其重點(diǎn)關(guān)注某一個(gè)蓄滯洪區(qū)或洲灘民垸信息。行蓄洪空間數(shù)據(jù)底座以行蓄洪空間精細(xì)化3維地形圖為本底，對(duì)行蓄洪空間分洪工程、圍堤、隔堤、安全臺(tái)等重要防洪工程進(jìn)行3維數(shù)字化建模。將3維要素與地形圖進(jìn)行疊置，并將行蓄洪空間工程名稱、所在行政區(qū)域、蓄滯洪區(qū)分類、設(shè)計(jì)蓄洪水位、蓄洪面積和有效蓄洪容積，圍堤達(dá)標(biāo)情況，分洪設(shè)施名稱、位置、設(shè)計(jì)流量以及安全區(qū)名稱、位置等靜態(tài)信息以及實(shí)時(shí)分洪流量、淹沒(méi)深度、淹沒(méi)面積等動(dòng)態(tài)工情信息刻畫(huà)在底圖上。

3.2數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)

在數(shù)據(jù)底座建設(shè)基礎(chǔ)上，需結(jié)合不同階段實(shí)際業(yè)務(wù)需求，按照“大尺度決策、小尺度精細(xì)”的理念展開(kāi)，即面向規(guī)劃設(shè)計(jì)、局部精細(xì)化模擬調(diào)度等不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求，構(gòu)建能深入刻畫(huà)相應(yīng)尺度下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程與特性的數(shù)字化主題場(chǎng)景。其中，大、中尺度場(chǎng)景建設(shè)目標(biāo)主要為了使決策者能便捷、快速掌握全局信息，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與決策。局部精細(xì)化尺度場(chǎng)景建設(shè)主要為使決策者能精細(xì)化掌握重點(diǎn)工程的風(fēng)險(xiǎn)變化情況。行蓄洪空間數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)可分為流域大尺度場(chǎng)景建設(shè)、河段中尺度場(chǎng)景建設(shè)與行蓄洪空間局部尺度場(chǎng)景建設(shè)。

3.2.1流域大尺度全景決策場(chǎng)景建設(shè)

大尺度場(chǎng)景建設(shè)重點(diǎn)關(guān)注流域宏觀全局信息，防洪調(diào)度階段不同，所展示的場(chǎng)景內(nèi)容不同。在預(yù)報(bào)預(yù)警階段，重點(diǎn)將不同站點(diǎn)降雨徑流監(jiān)測(cè)信息、預(yù)報(bào)信息以及關(guān)鍵河段水位、流量過(guò)程等工程信息以3維動(dòng)畫(huà)、3維專題圖等多種方式直觀立體地展示出來(lái)。并且根據(jù)預(yù)報(bào)流量超限量、水位抬升量，實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)生管涌、滲流、潰決等不同類型風(fēng)險(xiǎn)的堤防險(xiǎn)段長(zhǎng)度，并在3維底圖上展示預(yù)見(jiàn)期內(nèi)堤防最大險(xiǎn)段范圍、最大承災(zāi)時(shí)間等綜合統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

同時(shí)，流域大尺度孿生場(chǎng)景也可提供方便快捷的調(diào)度方案人機(jī)交互功能，在后臺(tái)高階知識(shí)模型支撐下，通過(guò)精細(xì)化修改調(diào)度方案，能在滿足模擬精度的同時(shí)快速得到不同行蓄洪空間運(yùn)用方案的模擬結(jié)果。并且，數(shù)字孿生系統(tǒng)將提供更多維的險(xiǎn)情災(zāi)情描述信息。例如，可通過(guò)效益風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)決策倉(cāng)的形式給出堤防總超警時(shí)間、超警總長(zhǎng)度、總淹沒(méi)損失GDP等不同類型綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)大小，并通過(guò)智能決策支持系統(tǒng)，記錄并統(tǒng)計(jì)每個(gè)專家對(duì)不同方案的評(píng)價(jià)結(jié)果，通過(guò)模型計(jì)算對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行綜合排序與優(yōu)選。

數(shù)字孿生背景下，流域大尺度決策場(chǎng)景相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)度手段在預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)描述、方案計(jì)算效率以及決策指標(biāo)和決策方式精細(xì)程度上將有極大提升。

3.2.2河段尺度數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)

河段尺度數(shù)字化場(chǎng)景視角主要聚焦于河段，重點(diǎn)呈現(xiàn)重點(diǎn)河段附近洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用對(duì)河段風(fēng)險(xiǎn)降低效果。根據(jù)水文預(yù)報(bào)成果，結(jié)合知識(shí)圖譜驅(qū)動(dòng)的洪水演進(jìn)模型，快速模擬出預(yù)見(jiàn)期內(nèi)水流在干流和湖區(qū)的演進(jìn)特征。通過(guò)框選或勾選河段附近不同蓄滯洪區(qū)與洲灘民垸，結(jié)合行蓄洪空間調(diào)度運(yùn)用知識(shí)圖譜，進(jìn)行行蓄洪空間調(diào)度預(yù)演，判斷不同行蓄洪空間投入使用組合對(duì)控制站沿程堤防水位降低作用，并對(duì)水位降低空間進(jìn)行標(biāo)記與突出展示。在此基礎(chǔ)上通過(guò)熱力圖、配合統(tǒng)計(jì)表格精細(xì)化展示并量化河段堤防沿程風(fēng)險(xiǎn)大小變化情況。同時(shí)可在界面下方展示時(shí)間軸，動(dòng)態(tài)顯示不同時(shí)刻的河段堤防沿程水位、安全系數(shù)、行蓄洪空間水位、蓄洪容積、分洪流量、沿岸城鎮(zhèn)淹沒(méi)損失等要素動(dòng)態(tài)變化情況。

此外，可根據(jù)歷史險(xiǎn)情分析，在關(guān)鍵控制河段附近設(shè)置多個(gè)歷史險(xiǎn)工險(xiǎn)段作為風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)注。點(diǎn)擊風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)將進(jìn)入全景視角，在漫游狀態(tài)下對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行云端巡視與監(jiān)控，并將風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近河道沿程水位、堤防設(shè)計(jì)洪水位、堤防實(shí)時(shí)險(xiǎn)情、以及淹沒(méi)損失等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)刻畫(huà)在3維全景視角中，輔助決策者近距離直觀掌握重要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的險(xiǎn)情與災(zāi)情。

孿生場(chǎng)景的投入運(yùn)用能使決策者更加直觀、精細(xì)掌握關(guān)鍵河段不同斷面、不同類型風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化情況。圖4展示了河段尺度數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)。

3.2.3行蓄洪空間尺度數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)

行蓄洪空間尺度數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)聚焦于分洪運(yùn)用場(chǎng)景建設(shè)與避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移場(chǎng)景建設(shè)。在啟用分洪后。通過(guò)無(wú)人機(jī)、攝像頭等監(jiān)測(cè)設(shè)備，精細(xì)化決策分洪口門(mén)開(kāi)啟個(gè)數(shù)、分洪閘門(mén)開(kāi)度、分洪速率等，并將這類信息在數(shù)據(jù)底座上進(jìn)行賦息。結(jié)合行蓄洪空間分洪閘運(yùn)用情況，動(dòng)態(tài)仿真行蓄洪空間內(nèi)部洪水行進(jìn)狀態(tài)，仿真洪水在研究區(qū)域的傳播過(guò)程，實(shí)時(shí)展現(xiàn)洪水波的影響范圍，如淹沒(méi)面積、淹沒(méi)水深、受影響耕地面積、受影響房屋面積、受影響人口、圍堤狀態(tài)等關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)要素變化情況，并以流向圖的形式展示區(qū)內(nèi)水流流向，預(yù)估并標(biāo)記將要淹沒(méi)區(qū)域的范圍。并且，實(shí)時(shí)展示閘前水位以及河段防洪控制站水位降低情況，用以分析蓄滯洪區(qū)分洪效果。并且可以結(jié)合“三大運(yùn)營(yíng)商”功能，并通過(guò)熱力圖等形式，展示避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移人群實(shí)時(shí)狀態(tài)信息（見(jiàn)圖5）。

3.3智慧化模擬支撐建設(shè)

傳統(tǒng)行蓄洪空間分洪運(yùn)用、調(diào)度效果分析往往基于一二維水動(dòng)力學(xué)模型實(shí)施，計(jì)算時(shí)間代價(jià)較高，極大限制了行蓄洪空間在實(shí)時(shí)聯(lián)合防洪調(diào)度中的應(yīng)用，無(wú)法快速準(zhǔn)確反映物理世界真實(shí)擾動(dòng)對(duì)孿生世界的信息反饋以及孿生世界的交互決策對(duì)真實(shí)物理世界的作用影響。而在數(shù)據(jù)孿生的背景下，由于數(shù)據(jù)維度與數(shù)據(jù)量的大幅增加，包括大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，使得基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型成為解決行蓄洪空間在實(shí)時(shí)調(diào)度模擬分析中運(yùn)用困難的一條新的路徑。新興技術(shù)體系下行蓄洪空間調(diào)度運(yùn)用建模與仿真也是行蓄洪空間數(shù)字孿生智慧化模擬支撐建設(shè)的重要研究方向。

因此，需在現(xiàn)有河道洪水水動(dòng)力演進(jìn)模型與蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸分洪運(yùn)用模型等專業(yè)模型基礎(chǔ)上，基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能方法，根據(jù)不同河段特點(diǎn)，對(duì)河道洪水歷史演進(jìn)過(guò)程樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行特征因子提取，逐時(shí)段、逐斷面建立歷史來(lái)水以及預(yù)報(bào)來(lái)水信息與斷面未來(lái)水位流量過(guò)程之間的映射關(guān)系，開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確的河道洪水演進(jìn)模擬功能的智能演進(jìn)模型。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探明防洪工程群組對(duì)河湖水文情勢(shì)的作用機(jī)理，抽取對(duì)下游保護(hù)對(duì)象防洪補(bǔ)償效果明顯的防洪工程實(shí)體組合，引入多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建具有可解釋性的人工智能動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建具有“時(shí)、空、量”跨維度效用防洪工程運(yùn)用效果分析模型，支撐人機(jī)交互模式下全態(tài)感知與調(diào)度方案快速、精準(zhǔn)的模擬計(jì)算。

3.4精準(zhǔn)化決策支撐建設(shè)

通過(guò)高階知識(shí)模型對(duì)數(shù)據(jù)底座進(jìn)行智慧賦能，使得調(diào)度模擬模型計(jì)算效率與精度得到提升，可進(jìn)一步輔助提升決策效率。然而，由于行蓄洪空間孿生系統(tǒng)建設(shè)面向大范圍、全時(shí)空、多尺度、強(qiáng)耦合過(guò)程的業(yè)務(wù)需求，孿生系統(tǒng)運(yùn)行模擬過(guò)程將產(chǎn)生復(fù)雜的決策信息。如何在廣域、龐雜的決策信息流背景下，結(jié)合數(shù)字孿生系統(tǒng)信息多樣性、集成性與高交互性等優(yōu)勢(shì)，是支撐防洪調(diào)度精準(zhǔn)化決策的重中之重。

因此，行蓄洪空間調(diào)度精準(zhǔn)化決策支撐建設(shè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注調(diào)度方案多屬性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與群智能決策的功能開(kāi)發(fā)。需在智慧化模擬功能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)不同河湖要素調(diào)度前后變化特征，建立時(shí)空態(tài)勢(shì)圖譜損失評(píng)估模型，根據(jù)調(diào)度前后水雨工情變化情況，評(píng)估并獲取不同調(diào)度方案下淹沒(méi)影響房屋、人口等災(zāi)情信息，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)度方案的同時(shí)，精準(zhǔn)掌握全域風(fēng)險(xiǎn)變化情景。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合專家群組評(píng)估信息，建立群智能決策模型，統(tǒng)籌考慮多種效益風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，協(xié)調(diào)考慮專家組不同建議，選取綜合最優(yōu)的調(diào)度方案。最終建設(shè)一套“時(shí)-空-量-度”立體精細(xì)化調(diào)度決策體系，實(shí)現(xiàn)行蓄洪空間精準(zhǔn)運(yùn)用、風(fēng)險(xiǎn)損失精準(zhǔn)刻畫(huà)、洪量精細(xì)分配、人員精確避洪轉(zhuǎn)移，如圖6所示。

4結(jié) 論

未來(lái)智慧流域?qū)⒕邆涓叩男畔⒒?、?shù)字化水平，從而將真正意義上整體實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域的概念。行蓄洪空間數(shù)字孿生則將作為其中關(guān)鍵組成部分，在支撐流域防洪減災(zāi)中發(fā)揮重要作用。在此背景下，本文詳細(xì)論述了流域數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵與發(fā)展理念，以行蓄洪空間數(shù)據(jù)孿生為例，提出了以數(shù)據(jù)底座建設(shè)、數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)、智慧化模擬支撐建設(shè)與精細(xì)化決策支撐建設(shè)為主軸的行蓄洪空間數(shù)字孿生建設(shè)總體方案，并論述了不同建設(shè)內(nèi)容的功能意義以及相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)體系的功能提升。

綜合考慮流域智慧化建設(shè)的現(xiàn)實(shí)條件，現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)應(yīng)通過(guò)數(shù)據(jù)底座對(duì)流域現(xiàn)狀進(jìn)行精準(zhǔn)、全方位、動(dòng)態(tài)映射的現(xiàn)狀孿生。并且在大量實(shí)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)的背景下，通過(guò)高階知識(shí)模型學(xué)習(xí)、分析、識(shí)別并總結(jié)流域運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，使孿生流域可以自我學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，在人機(jī)交互條件下，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境、不同調(diào)度方案下流域未來(lái)發(fā)展情景的模擬孿生，最后作出精準(zhǔn)決策。在未來(lái)，可進(jìn)一步融合、利用人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，拓展人類認(rèn)知之外的知識(shí)，從純數(shù)學(xué)的角度去解構(gòu)流域水資源管理模式，分析提煉流域水資源管理可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并自動(dòng)衍生出相應(yīng)的解決問(wèn)題的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)流域自主孿生。

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（編輯：鄭 毅）