冶運(yùn)濤, 蔣云鐘, 寇懷忠, 顧晶晶, 董甲平, 黃建雄, 關(guān)昊哲

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 2.水利部數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038;3.水利部黃河水利委員會(huì),河南 鄭州 450003)

以流域?yàn)榛A(chǔ)單元開展“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”[1-2],既堅(jiān)持了水資源綜合管理的系統(tǒng)觀念,又遵循了江河湖泊的自然演變特性,同時(shí)能夠系統(tǒng)治理山水林田湖草沙,并且統(tǒng)籌流域上下游、左右岸各相關(guān)方的利益訴求,進(jìn)而通過流域內(nèi)水利工程的合理布局、防災(zāi)減災(zāi)措施的制定、資源的空間均衡配置、生態(tài)環(huán)境防控方案的優(yōu)化來推動(dòng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的健康宜居[3-4]。數(shù)字孿生流域是以物理流域和虛擬流域?qū)崟r(shí)交互為目標(biāo),將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、水利專業(yè)模型等技術(shù)融合產(chǎn)生的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高質(zhì)量治水管理而衍生的概念,它不僅是智慧水利創(chuàng)新發(fā)展的核心建設(shè)內(nèi)容和研究方向,也是貫通充足算據(jù)、高效算力和精確算法的綜合載體,還是集成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化主線各技術(shù)要素的關(guān)鍵[5-7]。

近年來,數(shù)字孿生理念和技術(shù)在流域治理管理中被加速應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)治水?dāng)?shù)字孿生體系開展了許多研究。在國內(nèi),2021年水利部從國家網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略、新一代信息技術(shù)群驅(qū)動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、流域治理管理需求等方面分析了推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)的必要性,并給出了建設(shè)思路(總要求、主線、建設(shè)路徑、建設(shè)任務(wù)等)[8],引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。在理論研究方面,我國學(xué)者給出了由概念定義、內(nèi)涵特征、基本模型、核心能力、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向構(gòu)成的數(shù)字孿生流域科學(xué)框架,對(duì)數(shù)字孿生流域未來發(fā)展和建設(shè)具有指導(dǎo)意義[9-10]。在關(guān)鍵技術(shù)研究方面,目前研究成果以數(shù)字孿生流域在防洪中的應(yīng)用為主,旨在探索數(shù)據(jù)、算力、模型、平臺(tái)服務(wù)等建設(shè)技術(shù)[11-13]。在應(yīng)用方面:宋文龍等[14]提出了面向數(shù)據(jù)底板建設(shè)的水利遙感監(jiān)測的目標(biāo)識(shí)別與變化檢測、水情監(jiān)測與數(shù)字映射、智能服務(wù)等技術(shù)方案;劉業(yè)森等[15]研究了面向流域防洪“四預(yù)”的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享管理平臺(tái)以及數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)底板建設(shè)技術(shù)方案;胡春宏等[16]將數(shù)字孿生流域模型分為3個(gè)層級(jí)并分別作為獨(dú)立事件研究了模型的保真度,并據(jù)此提出了提高數(shù)字孿生流域整體保真度的兩條路徑;劉志雨[17]探索了數(shù)字孿生流域賦能業(yè)務(wù)“四預(yù)”實(shí)現(xiàn)路徑,提出加強(qiáng)感知體系、數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)與賦能防汛“四預(yù)”具體措施。在國外:GOURBESVILLE P等[18]將數(shù)字孿生作為智慧江河管理的重要發(fā)展方向;RIGON R等[19]將建設(shè)數(shù)字地球?qū)\生水文系統(tǒng)作為水文學(xué)家的藍(lán)圖;BROCCA L等[20]利用高分辨率(1 km)土壤濕度和降水量數(shù)據(jù)開發(fā)了數(shù)字孿生地球水文系統(tǒng);HUANG T等探索了面向洪水預(yù)測和分析的地球數(shù)字孿生系統(tǒng)[21];JIANG P S等[22]在數(shù)字孿生地球的海岸系統(tǒng)中,通過神經(jīng)算子開發(fā)了海岸洪水的快速物理替代模型;ALPEREN C I等[23]研發(fā)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水文數(shù)字孿生模型,將其應(yīng)用于法國加登-圣克羅伊盆地洪水模擬;PEDERSEN A N等[24]建立了城市供水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和原型數(shù)字孿生;ZEKRI S等[25]提出了一個(gè)基于多智能體系統(tǒng)和數(shù)字孿生范式的新框架,以解決數(shù)據(jù)采集處理、資產(chǎn)控制、服務(wù)生成和交付過程中缺乏的智能化和自主性的問題;TAORMINA R等[26]利用數(shù)字孿生技術(shù)保護(hù)城市水基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

需要指出的是,在提出數(shù)字孿生流域建設(shè)之前,已有很多研究成果為從數(shù)字流域向數(shù)字孿生流域邁進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。如:黃河水利委員會(huì)2001年提出利用“3S”、虛擬現(xiàn)實(shí)、專業(yè)模型、河工模型試驗(yàn)等技術(shù)與方法建立“三條黃河”(原型黃河、數(shù)字黃河、模型黃河)科學(xué)決策場,以實(shí)現(xiàn)堤防不決口、河道不斷流、污染不超標(biāo)、河床不抬高為標(biāo)準(zhǔn)的黃河健康生命保障目標(biāo)[27];在此基礎(chǔ)上,王興奎等[3]建立了集原型觀測、實(shí)體模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算于一體的三維虛擬仿真平臺(tái),并對(duì)大型地形場景實(shí)時(shí)生成、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模、模擬控制、實(shí)時(shí)交互技術(shù)進(jìn)行了研究;冶運(yùn)濤等[28]結(jié)合虛擬地理環(huán)境理論和流域特點(diǎn)以及數(shù)字流域的實(shí)踐,提出了虛擬流域理論技術(shù)體系。已有研究成果的梳理能夠厘清水利信息化發(fā)展脈絡(luò),使數(shù)字孿生流域研究與應(yīng)用具有延續(xù)性。數(shù)字孿生流域要在數(shù)字流域基礎(chǔ)上迭代升級(jí),尚有很多技術(shù)難題需要攻關(guān)[15]。

將數(shù)字孿生的理念和技術(shù)體系引入到智慧水利中,提出建設(shè)數(shù)字孿生流域,在理念和技術(shù)邏輯上極大增強(qiáng)了智慧水利的整體性、系統(tǒng)性、完備性、有機(jī)性。同時(shí),數(shù)字孿生流域的建設(shè)發(fā)展也面臨著迫切需要研究的問題,主要包括:①數(shù)字孿生具有豐富的內(nèi)涵和特點(diǎn),需要透徹地把握數(shù)字孿生的內(nèi)在邏輯,研究構(gòu)建符合數(shù)字孿生流域治理管理業(yè)務(wù)特色的基礎(chǔ)模型,真正把數(shù)字孿生理念和技術(shù)科學(xué)地融合到智慧水利體系中,以此提升流域治理管理能力,從而指導(dǎo)數(shù)字孿生流域建設(shè)。②數(shù)字孿生流域建設(shè)是一個(gè)影響因素多、涉及環(huán)節(jié)錯(cuò)綜復(fù)雜、學(xué)科交叉性強(qiáng)、建設(shè)利益方訴求各異的復(fù)雜系統(tǒng)工程,雖然已有研究成果對(duì)數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)介紹[5-6],但在實(shí)際應(yīng)用過程中,往往較少考慮如何分階段、分步驟地構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生流域,缺乏對(duì)數(shù)字孿生流域技術(shù)路線的描述。因此,有必要開展數(shù)字孿生流域演化路徑研究,深刻認(rèn)識(shí)并合理安排實(shí)施計(jì)劃,循序推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作。③數(shù)字孿生流域建設(shè)已經(jīng)開展,但目前還缺乏科學(xué)的評(píng)價(jià)手段,在實(shí)施數(shù)字孿生流域過程中容易被貼上“數(shù)字孿生”標(biāo)簽,相比以往的研究處于無實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的窘境。因此,建立一套科學(xué)評(píng)判準(zhǔn)則,以成熟度評(píng)估促進(jìn)有序建設(shè)、有力整改和有效管理,從而實(shí)現(xiàn)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)共享和推廣,創(chuàng)建利用數(shù)字孿生創(chuàng)新水利信息化發(fā)展新業(yè)態(tài)。④數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容多,涉及水文學(xué)及水資源、水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)、農(nóng)業(yè)水利、結(jié)構(gòu)力學(xué)、信息通信、“3S”(遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。實(shí)踐中,必須結(jié)合具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域和發(fā)展階段的特色要求,明確建設(shè)關(guān)鍵要點(diǎn),推動(dòng)數(shù)字孿生流域良性發(fā)展。通過對(duì)上述問題的回答,以期為我國數(shù)字孿生流域建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型

數(shù)字孿生是一種通過虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的交互來獲得物理實(shí)體精準(zhǔn)虛擬映射的技術(shù),為決策、控制和調(diào)度等提供理論支持[29]。數(shù)字孿生發(fā)展過程中的里程碑事件如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生發(fā)展過程中的里程碑事件

盡管學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生的理解相似,但到目前為止仍沒有統(tǒng)一的定義。表1和表2分別是近年來學(xué)者和著名企業(yè)給出的一些數(shù)字孿生概念。由表1可知,大多數(shù)概念都是圍繞一個(gè)關(guān)鍵詞“模型”給出的。該模型是數(shù)字孿生中最重要和最核心的部分,它應(yīng)準(zhǔn)確反映物理實(shí)體的情況,并實(shí)時(shí)跟蹤物理實(shí)體的變化。此外,表2中的一些概念體現(xiàn)了數(shù)字孿生在工業(yè)中的應(yīng)用?？梢园l(fā)現(xiàn),數(shù)字孿生能夠改善行業(yè)中的許多問題,包括預(yù)測[30]、優(yōu)化[31]、控制[32]、決策[33]等問題。

表1 學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生的定義

表2 著名企業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的定義

上述定義是根據(jù)各公司的業(yè)務(wù)需要給出的。復(fù)雜的定義難以準(zhǔn)確把握數(shù)字孿生的實(shí)質(zhì),簡單的定義又難以體現(xiàn)數(shù)字孿生的內(nèi)涵特征和范疇,而模型在傳達(dá)概念方面更形象、更豐富[41]。GRIEVES M提出的由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及兩者連接組成的三維概念模型已被公認(rèn)[42]。陶飛等[43]在數(shù)字孿生三維概念模型的基礎(chǔ)上增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個(gè)維度,建立了五維概念模型。雖然五維概念模型比三維概念模型具有更加豐富的內(nèi)容和更為清晰的分類,但是五維概念模型中各維度均沒有突出數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)能力,不能直觀反映數(shù)字孿生迭代優(yōu)化的本質(zhì)特征。因此,數(shù)字孿生概念模型的完備程度有待提升[44]。

冶運(yùn)濤等[9]把知識(shí)作為提升學(xué)習(xí)能力的要素,并將其增加為數(shù)字孿生的一個(gè)維度,提出了數(shù)字孿生六維概念模型,結(jié)合流域科學(xué)發(fā)展需要和綜合管理實(shí)踐需求,建立了由物理流域、虛擬流域、實(shí)時(shí)連接交互、數(shù)字賦能服務(wù)、孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識(shí)組成的數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型(圖2)。在數(shù)字孿生流域6個(gè)組成要素中,“實(shí)時(shí)連接交互”要考慮各要素之間數(shù)據(jù)流和信息流的安全性,利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)共享與交換的傳輸機(jī)制,以防止數(shù)據(jù)丟失和篡改。此外,SHARMA A等[45]通過總結(jié)文獻(xiàn)認(rèn)為,數(shù)字孿生性能評(píng)價(jià)是數(shù)字孿生流域的必要組成部分,其主要包括評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(精度、彈性、魯棒性等)、評(píng)價(jià)方法和測試。

圖2 數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型

基于上述基礎(chǔ)模型建設(shè)數(shù)字孿生流域,首先針對(duì)應(yīng)用對(duì)象及需求分析物理流域的時(shí)空變化特征,以此建立虛擬模型,構(gòu)建實(shí)現(xiàn)虛實(shí)信息數(shù)據(jù)連接的交互關(guān)系,并借助孿生數(shù)據(jù)和知識(shí)的融合與分析,最終為使用者提供各種服務(wù)應(yīng)用。為推動(dòng)數(shù)字孿生流域的落地應(yīng)用,構(gòu)建數(shù)字孿生流域時(shí)可遵循以下準(zhǔn)則[46]:

1)流域信息物理融合為基石。物理流域各種涉水要素的智能感知與互聯(lián)、流域虛擬模型的構(gòu)建、孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識(shí)的融合、實(shí)時(shí)連接交互的實(shí)現(xiàn)、數(shù)字賦能服務(wù)的生成等的前提是通過信息物理融合建立物理流域的精準(zhǔn)映射和反饋。同時(shí),流域信息物理融合貫穿于流域治理管理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行階段,是防洪、水資源管理與調(diào)配等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的根本。

2)多維多尺度流域虛擬模型為引擎。多維多尺度虛擬模型是實(shí)現(xiàn)流域防洪、水資源管理與調(diào)配等“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能最核心的組件,在機(jī)理驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下多維多尺度虛擬模型將應(yīng)用功能從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“心臟”。

3)孿生流域數(shù)據(jù)和知識(shí)為驅(qū)動(dòng)。孿生流域數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生流域最核心的要素,它源于物理流域、虛擬流域、數(shù)字賦能服務(wù)系統(tǒng)、孿生流域知識(shí),同時(shí)在融合處理后融入到各部分中,推動(dòng)了各部分的運(yùn)轉(zhuǎn),是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“血液”。孿生流域知識(shí)是實(shí)現(xiàn)流域智能管理的核心,只有孿生流域知識(shí)的不斷積累,推動(dòng)人工智能的業(yè)務(wù)應(yīng)用,智慧流域的實(shí)現(xiàn)才能成為可能。

4)實(shí)時(shí)連接交互為動(dòng)脈。實(shí)時(shí)連接交互將物理流域、虛擬流域、數(shù)字賦能服務(wù)系統(tǒng)連接為一個(gè)有機(jī)的整體,使信息與數(shù)據(jù)、知識(shí)得以在各部分間交換傳遞,是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“血管”和“神經(jīng)系統(tǒng)”。

5)數(shù)字賦能服務(wù)為目的。數(shù)字賦能服務(wù)將數(shù)字孿生流域應(yīng)用生成的智能應(yīng)用、精準(zhǔn)管理、可靠運(yùn)行與維護(hù)、遠(yuǎn)程控制等功能以最為便捷的形式提供給用戶,同時(shí)給予用戶最直觀的交互。

6)全要素物理流域?qū)ο髮?shí)體為載體。全要素物理流域資源的交互融合、多維多尺度虛擬模型的仿真計(jì)算、數(shù)據(jù)分析處理、知識(shí)融合推理,都是建立在全要素物理流域?qū)ο髮?shí)體之上的,同時(shí)物理流域?qū)ο髮?shí)體帶動(dòng)各個(gè)部分的運(yùn)轉(zhuǎn),令數(shù)字孿生流域得以實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字孿生流域研究和實(shí)踐中,除了遵循數(shù)字孿生基礎(chǔ)模型外,還需要掌握數(shù)字孿生的虛實(shí)和實(shí)時(shí)的雙向連接、自進(jìn)化、連續(xù)模擬與分析(取決于同步頻率)、時(shí)序數(shù)據(jù)的可用性等必要特性和自治性、同步性等動(dòng)態(tài)特性。自治性要考慮流域不同層次對(duì)象的特點(diǎn),同步性可根據(jù)業(yè)務(wù)管控需要確定。

在技術(shù)的表現(xiàn)上,數(shù)字孿生特性決定了該技術(shù)與其他技術(shù)有所區(qū)別,見表3[45]。通過了解這些區(qū)別,有助于明確數(shù)字孿生流域建設(shè)的技術(shù)方向和技術(shù)難點(diǎn)。

表3 數(shù)字孿生與已有技術(shù)的區(qū)別

2 數(shù)字孿生流域的演化路徑

KRITZINGER W等[47]按照虛實(shí)融合程度將數(shù)字孿生細(xì)分為數(shù)字模型(digital model)、數(shù)字投影(digital shadow)及嚴(yán)格意義上的數(shù)字孿生(digital twin)。江海凡等[48-49]、張帆等[50]借鑒文獻(xiàn)[36]的方法分別研究了車間、礦山的數(shù)字演化過程。江海凡等[49]提出了由可視化模型、數(shù)字模型、數(shù)字投影以及數(shù)字孿生組成的數(shù)字孿生演進(jìn)模型,并探索了該模型在智能制造中的應(yīng)用方法、關(guān)鍵技術(shù)與工具平臺(tái)。

為了指導(dǎo)數(shù)字孿生流域工程實(shí)踐,結(jié)合已有研究成果,將數(shù)字孿生流域構(gòu)建和應(yīng)用過程分為流域數(shù)字感知、流域數(shù)字映射、流域數(shù)字認(rèn)知、流域數(shù)字模型、流域數(shù)字投影和流域數(shù)字孿生6個(gè)階段,如圖3所示。需要指出的是,6個(gè)階段不是嚴(yán)格孤立的,而是存在循環(huán)迭代的關(guān)系。

圖3 數(shù)字孿生流域演化過程

2.1 流域數(shù)字感知

基于流域水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害的科學(xué)研究和業(yè)務(wù)管控需求,將全面掌握以流域?yàn)閱卧匀?社會(huì)二元水循環(huán)的“降水-坡面-河道-水庫”和“取水-供水-用水-排水”的全空間、全鏈條、全環(huán)節(jié)的時(shí)空要素信息作為目標(biāo),遵循流域“水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”耦合組成復(fù)雜系統(tǒng)的演變特征和規(guī)律,兼顧流域機(jī)理研究、科學(xué)計(jì)算與精準(zhǔn)決策的要求,基于空天地一體化的思路,構(gòu)建具有全域、立體、精準(zhǔn)、異構(gòu)、多元內(nèi)涵以及泛在、共享、互操作、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自治、可擴(kuò)展、靈活、智能等特征的綜合感知網(wǎng)[51-52]。該綜合感知網(wǎng)是萬維網(wǎng)應(yīng)用于流域科學(xué)的新型網(wǎng)絡(luò)物理時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種傳感資源的集成和共享管理、獲得實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的時(shí)空連續(xù)數(shù)據(jù)、進(jìn)行互操作和在線流域科學(xué)數(shù)據(jù)處理和分析以及提供基于網(wǎng)絡(luò)的流域科學(xué)信息和知識(shí)的聚焦服務(wù)[53],實(shí)現(xiàn)“以虛感實(shí)”。

2.2 流域數(shù)字映射

目前,實(shí)踐應(yīng)用中偏重于數(shù)字孿生的可視化特點(diǎn)研究且將其作為首要的研究目標(biāo),在追求視覺美感的同時(shí)忽略了數(shù)字孿生的真實(shí)性特點(diǎn),這就類似于追求人的外貌而忽略了個(gè)體本身所附帶的教育、文化、技能等內(nèi)涵。數(shù)字映射首先要保持流域自然背景、流場動(dòng)態(tài)、水利工程及設(shè)施設(shè)備的真實(shí)性,參考河流實(shí)體模型試驗(yàn)的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過在虛擬空間上構(gòu)建物理流域?qū)ο笞訂卧膸缀?、結(jié)構(gòu)、屬性、關(guān)系等相適應(yīng)的數(shù)字映射鏡像,利用數(shù)據(jù)組織模型對(duì)各種物理對(duì)象子單元進(jìn)行聚合構(gòu)造,形成真實(shí)性的流域數(shù)字對(duì)象[54],進(jìn)而將數(shù)字感知的實(shí)時(shí)信息賦予物理對(duì)象,從而使數(shù)字對(duì)象“鮮活”起來,實(shí)現(xiàn)“以虛映實(shí)”。

2.3 流域數(shù)字認(rèn)知

基于試驗(yàn)、理論演繹、仿真模擬以及數(shù)據(jù)分析方法,對(duì)流域系統(tǒng)演變規(guī)律及系統(tǒng)間相互作用機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確地認(rèn)知[55],實(shí)現(xiàn)“以虛知實(shí)”。例如:研究變化環(huán)境下的“四水”(大氣水、地表水、土壤水、地下水)演變規(guī)律及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系;研究水土資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)相互作用的機(jī)理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需水規(guī)律;研究降雨-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)全過程洪水形成演變規(guī)律、氣候系統(tǒng)異常特征與干旱之間關(guān)系及旱澇急轉(zhuǎn)的形成機(jī)制;研究坡面土壤侵蝕機(jī)理、河湖環(huán)境變異機(jī)制及與生態(tài)效應(yīng)、水庫型飲用水源地富營養(yǎng)化演變機(jī)理、水庫群及引調(diào)水工程泥沙沖淤規(guī)律;研究水利工程全生命周期性能演化機(jī)理[56]。

2.4 流域數(shù)字模型

目前研究流域自然-社會(huì)二元水循環(huán)及其伴生過程采用的模型仍以機(jī)理模型為主,采用的建模方式是離線方式。模型常用于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的工作,如流域綜合規(guī)劃、洪旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖制作、水資源配置規(guī)劃等。隨著數(shù)據(jù)量的日益龐大,尤其是數(shù)據(jù)密集型科學(xué)的發(fā)展,以機(jī)器學(xué)習(xí)(尤其是深度學(xué)習(xí))為核心的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型受到青睞[57]。盡管如此,由于流域系統(tǒng)過程具有復(fù)雜性、交互性、多尺度、異質(zhì)性等特點(diǎn)[58],同時(shí)來源多樣的數(shù)據(jù)可能存在不確定性,以及具有可用價(jià)值數(shù)據(jù)的稀疏性,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型還不能完全替代機(jī)理模型[59-61]。因此,應(yīng)在數(shù)字認(rèn)知的基礎(chǔ)上,將兩者優(yōu)勢互補(bǔ),以機(jī)理-數(shù)據(jù)耦合驅(qū)動(dòng)的方式構(gòu)建新型數(shù)字模型[62-64],實(shí)現(xiàn)“以虛仿實(shí)”。

2.5 流域數(shù)字投影

實(shí)時(shí)性是數(shù)字孿生的重要特征,也是數(shù)字孿生保證時(shí)效性的基礎(chǔ)。數(shù)字投影是通過數(shù)據(jù)和模型融合,建立數(shù)字感知和數(shù)字模型的實(shí)時(shí)連接通道,將感知的降水、蒸散發(fā)、徑流、土壤含水量、水位等信息和取供用排信息,以及更新的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息,動(dòng)態(tài)融合到數(shù)字模型運(yùn)行過程中。數(shù)字模型系統(tǒng)能夠根據(jù)流域的動(dòng)態(tài)“脾性”,“察言觀色”地實(shí)時(shí)(可以根據(jù)時(shí)間業(yè)務(wù)需求選擇合適的頻次)更新數(shù)字模型的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)變量和參數(shù),使數(shù)字模型結(jié)構(gòu)能夠真實(shí)反映物理流域的物理過程及其時(shí)空關(guān)系。狀態(tài)變量和參數(shù)能夠真實(shí)反映物理流域的運(yùn)行態(tài)勢,最終使數(shù)字模型輸出的決策變量的預(yù)測結(jié)果無限逼近真值,實(shí)現(xiàn)“以虛預(yù)實(shí)”。

2.6 流域數(shù)字孿生

基于對(duì)流域單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)及系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)各層次對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線跟蹤、及時(shí)診斷預(yù)警和高精度模擬預(yù)測,以及設(shè)定的預(yù)期目標(biāo),建立多目標(biāo)決策模型優(yōu)化流域管控可行方案集,利用綜合集成方法確定最優(yōu)方案,以控制指令或管理命令的方式發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備、執(zhí)行人員或執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行方案執(zhí)行,可稱為“硬控制”和“軟控制”,從而使流域系統(tǒng)按照預(yù)期軌跡運(yùn)行,使其效益達(dá)到最優(yōu),實(shí)現(xiàn)“以虛優(yōu)實(shí)”和“以虛控實(shí)”。由于不同層級(jí)系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同,執(zhí)行命令的方式亦有所不同。對(duì)于邊界條件較簡單的水庫,調(diào)度規(guī)則明確,可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果按既定規(guī)則自動(dòng)調(diào)整閘門開度;對(duì)于邊界條件復(fù)雜且由多個(gè)水利工程耦合的系統(tǒng),需要結(jié)合多庫優(yōu)化規(guī)則和單庫規(guī)則,經(jīng)多個(gè)利益主體協(xié)商確定工程調(diào)度執(zhí)行指令;對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng),如“四水四定”涉及水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用,制定的決策方案需要反復(fù)調(diào)整才能執(zhí)行。

3 數(shù)字孿生流域的評(píng)判準(zhǔn)則

數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型及演進(jìn)路徑作為基礎(chǔ)理論回答了如何理解和建設(shè)數(shù)字孿生流域的問題,正如SHARMA A論證了“評(píng)價(jià)”是數(shù)字孿生必不可少的要素[45]。因此,如何評(píng)判建設(shè)效果是數(shù)字孿生流域?qū)嵤┎豢苫乇艿膯栴}。CHEN L等[65]基于Gemini原則建立了一種衡量資產(chǎn)管理的數(shù)字孿生成熟度模型,該成熟度模型由3個(gè)主要維度、9個(gè)子維度、27個(gè)準(zhǔn)則組成,形成了數(shù)字孿生開發(fā)和實(shí)施的系統(tǒng)視圖。UHLENKAMP J F等[66]利用IT管理開發(fā)成熟度模型,根據(jù)PRISMA(Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses)指南,通過系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述確定了相關(guān)功能和特點(diǎn),建立了由7個(gè)類別(環(huán)境、數(shù)據(jù)、計(jì)算能力、模型、集成、控制、人機(jī)界面)組成的成熟度模型。MEDINA F G等建立了商業(yè)航天OEM(Original Equipment Manufacturer)行業(yè)數(shù)字孿生實(shí)施的成熟度模型,該模型包含10個(gè)維度[67]。陶飛等[68]以制造領(lǐng)域?yàn)槔?提出了由5個(gè)維度、19項(xiàng)因子組成的成熟度模型。

上述研究成果表明,由于作者專業(yè)背景不同,建立的數(shù)字孿生成熟度模型具有明顯差別。數(shù)字孿生流域建設(shè)是個(gè)龐大的系統(tǒng),在數(shù)字孿生流域概念定義、內(nèi)涵特征及核心能力基礎(chǔ)上[15],結(jié)合數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型、演化路徑,提出數(shù)字孿生流域?qū)嵤┑脑u(píng)判準(zhǔn)則(圖4),包括要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測、推演能模擬現(xiàn)實(shí)假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實(shí)能動(dòng)態(tài)交互。利用該評(píng)判準(zhǔn)則從多維度評(píng)價(jià)數(shù)字孿生流域項(xiàng)目的成熟度,確定其建設(shè)成效與數(shù)字孿生理想目標(biāo)的差距,為實(shí)現(xiàn)升級(jí)迭代明確工作方向。

圖4 數(shù)字孿生流域評(píng)判準(zhǔn)則

3.1 要素能透徹感知

要素能透徹感知是數(shù)字孿生流域建設(shè)的基礎(chǔ)特性,是物理流域與虛擬流域融合的前提。通過對(duì)流域不同層級(jí)對(duì)象布設(shè)監(jiān)測計(jì)量設(shè)施,獲取相應(yīng)的基礎(chǔ)信息和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。這些監(jiān)測計(jì)量設(shè)施的布設(shè)位置應(yīng)具有代表性,不僅能夠?qū)α饔蜃匀坏乩?、干支流、水利工程及水利治理?duì)象的基礎(chǔ)特性進(jìn)行全面描述,進(jìn)而為構(gòu)建流域不同層次對(duì)象的幾何模型提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù),精準(zhǔn)反映幾何模型的骨架,而且還能夠準(zhǔn)確反映流域不同層級(jí)對(duì)象的狀態(tài)變化和屬性變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自然地理、干支流、水利工程、水利治理管理對(duì)象“精準(zhǔn)畫像”,能夠動(dòng)態(tài)跟蹤不同層級(jí)對(duì)象全生命周期的變化。此外,需要考慮數(shù)據(jù)更新機(jī)制,包括重要站點(diǎn)的雨情、水情、泥沙、水質(zhì)、工情、險(xiǎn)情、災(zāi)情等信息及關(guān)鍵河段和工程部位的視頻監(jiān)控信息的更新頻次,不同季節(jié)的流域地表覆被、土壤含水量等下墊面信息的更新頻次,較大場次洪水事前、事中和事后的水下地形信息以及洪水影響區(qū)和供水覆蓋區(qū)的城鎮(zhèn)化、灌區(qū)等經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息的更新頻次。要素能透徹感知準(zhǔn)則從感知覆蓋度、感知自動(dòng)化程度、感知要素的完整程度、感知數(shù)據(jù)的更新頻次等多個(gè)方面評(píng)價(jià)。

3.2 映射能高度逼真

映射能高度逼真即在三維虛擬環(huán)境中以可視化的角度對(duì)物理流域?qū)ο笕芷谶^程進(jìn)行不同方位、不同尺度的觀察和分析。由于虛擬流域集合了物理流域?qū)ο蟮膸缀巍⑼庥^等信息,以及降水、水位、流量、土壤含水量、地下水位、水質(zhì)、取水量、用水量、水利工程安全等監(jiān)測計(jì)量結(jié)果和流域來水、需水仿真計(jì)算結(jié)果,因此,能夠直觀、實(shí)時(shí)地融合物理流域?qū)ο蟮挠^測數(shù)據(jù),從而解決自然水系、水利工程及水利治理管理對(duì)象的可觀測性問題。比如,在建立水利樞紐的大壩、壩區(qū)、庫區(qū)、設(shè)備設(shè)施、泄洪影響區(qū)的三維數(shù)字模型時(shí),將雨情、水情、工情、災(zāi)情、險(xiǎn)情等傳感器監(jiān)測或者水利模型計(jì)算得到的水利樞紐相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與三維全景模型相結(jié)合,在計(jì)算機(jī)生成的虛擬流域立體空間中,可以形象、生動(dòng)、動(dòng)態(tài)地展示水利樞紐各相關(guān)地理空間對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。映射能高度逼真準(zhǔn)則可以從以下方面評(píng)價(jià):具有滿足防洪排澇、水資源監(jiān)管、水資源配置與調(diào)度、水環(huán)境保護(hù)等業(yè)務(wù)需求的大屏端、電腦端、移動(dòng)端的可視化界面;建有包含自然地形地貌、干支流、水利工程等物理流域?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)的三維可視化模型;能夠及時(shí)展示流域水流演進(jìn)、河道沖淤形態(tài)、地下水位變化、水質(zhì)情況、大壩及設(shè)備設(shè)施等實(shí)時(shí)狀態(tài)和更新參數(shù);能夠及時(shí)展示給定降水、來水等預(yù)測信息或者不同水利工程控制工況下的自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)及其伴生過程的未來發(fā)展態(tài)勢和趨勢。

3.3 狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測

狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測指在研究透徹流域產(chǎn)匯流機(jī)理、洪水形成及演變規(guī)律、水庫群及引調(diào)水工程泥沙沖淤規(guī)律、河道泥沙演變趨勢、江河關(guān)系變化機(jī)理以及水利工程災(zāi)變機(jī)理等基礎(chǔ)上,構(gòu)建水利機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型相結(jié)合的高保真、高精度水利模型,從而動(dòng)態(tài)融合數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行短期、中期、長期嵌套滾動(dòng)預(yù)測預(yù)報(bào)未來的降水(尤其是暴雨)、汛期及非汛期徑流(尤其是汛期洪水、枯季徑流)、壓采區(qū)的地下水水位、不同作物種植結(jié)構(gòu)下的土壤墑情、非點(diǎn)源污染輸出量及河道水質(zhì)和水環(huán)境容量、水庫大壩安全狀態(tài)變化量等水安全要素。在水文模型、水力學(xué)模型及結(jié)構(gòu)力學(xué)模型代碼并行化改造基礎(chǔ)上,狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測準(zhǔn)則能夠支撐模型的快速解算,滿足不同業(yè)務(wù)特點(diǎn)的需要,如當(dāng)流域防洪時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)及洪水淹沒分析,當(dāng)結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的安全分析等。狀態(tài)可預(yù)測性評(píng)價(jià)根據(jù)以下4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià):可預(yù)測未來運(yùn)行狀態(tài)的物理對(duì)象數(shù)目占全部物理對(duì)象數(shù)目的比例、物理流域?qū)ο蟮目深A(yù)測的水安全要素?cái)?shù)占全部水安全要素?cái)?shù)的比例、虛擬流域模型在規(guī)定的時(shí)空尺度上對(duì)水安全要素的預(yù)測精度、虛擬流域模型的計(jì)算時(shí)效。

3.4 推演能擬實(shí)假設(shè)

推演能擬實(shí)假設(shè)指利用虛擬流域不僅能夠?qū)σ呀?jīng)發(fā)生的事件進(jìn)行復(fù)盤,而且能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)情況尚未出現(xiàn)的情景進(jìn)行仿真推演。對(duì)已發(fā)事件,如洪水事件,將已記錄的天氣系統(tǒng)和降水、徑流、下墊面等信息以及水利工程調(diào)度信息、決策者的經(jīng)驗(yàn)信息以及應(yīng)急處置信息,作為邊界條件輸入虛擬模型,復(fù)盤“降水-產(chǎn)流-匯流-演進(jìn)-調(diào)度-處置”全過程,深刻洞察成功經(jīng)驗(yàn),準(zhǔn)確識(shí)別薄弱瓶頸。對(duì)未來可能發(fā)生的事件,根據(jù)洪水、水資源、水工程可能遭遇的事件設(shè)定不同的環(huán)境影響參數(shù)、水工程調(diào)度方案數(shù)據(jù)以及場景應(yīng)對(duì)目標(biāo),實(shí)時(shí)分析風(fēng)險(xiǎn)因子及風(fēng)險(xiǎn)演變過程,綜合分析事件可能的影響程度,提出切實(shí)可行的方案以及操作流程,尤其是對(duì)氣候變化導(dǎo)致的超標(biāo)洪水、特大干旱、潰堤、潰壩等極端工況可進(jìn)行推演。推演成敗的關(guān)鍵因素除了虛擬模型的精度外,對(duì)不同場景下可設(shè)置的邊界比例及邊界數(shù)據(jù)所反映的實(shí)際情況也是需要關(guān)注的指標(biāo)[69]。

3.5 現(xiàn)象能合理解釋

現(xiàn)象能合理解釋是指當(dāng)物理流域中出現(xiàn)洪水、干旱、水污染、水工程災(zāi)變等水安全現(xiàn)象時(shí),利用虛擬流域模型對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行規(guī)律解析、態(tài)勢判斷以及模擬分析,建立各種關(guān)聯(lián)因子的知識(shí)圖譜,以挖掘水安全現(xiàn)象所蘊(yùn)含的機(jī)理,從而使流域管理者和決策者能夠全面理解和合理解釋流域、河流及工程運(yùn)行的行為,制定合理的控制性策略。數(shù)字孿生流域的虛擬模型是基于反映流域“骨架”的幾何模型和動(dòng)態(tài)更新的數(shù)字映射模型,融合了水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各子系統(tǒng)相互作用機(jī)理的揭示以及水循環(huán)演變規(guī)律的準(zhǔn)確掌握所構(gòu)建的微分代數(shù)模型和基于水文水資源及水利工程運(yùn)行等專業(yè)知識(shí)啟發(fā)所建立的統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型(如數(shù)理統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等)。其中,微分代數(shù)模型考慮了流域現(xiàn)象的因果關(guān)系,反映了運(yùn)行機(jī)理,但是對(duì)復(fù)雜情況概化帶來了很多不確定性,如分布式和集總式水文模型出現(xiàn)“異參同效”的現(xiàn)象;統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型是通過對(duì)大量樣本進(jìn)行因子挖掘,進(jìn)而建立因變量和自變量之間的相關(guān)關(guān)系,但是模型精度易受樣本代表性的影響。將微分代數(shù)模型和統(tǒng)計(jì)相關(guān)模型融合能揚(yáng)長避短,不僅可規(guī)避前者不完備的動(dòng)態(tài)建模和不確定性信息影響的不足,而且能避免后者樣本有限和樣本有偏的缺點(diǎn),既保證了模型計(jì)算精度,又能提高結(jié)果的可解釋性?，F(xiàn)象的解釋性要從機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的建模、仿真模擬、決策支持等互補(bǔ)融合層面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.6 虛實(shí)能動(dòng)態(tài)交互

物理流域和虛擬流域的同步運(yùn)行和迭代優(yōu)化要求兩者能夠虛實(shí)交互,通過雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng),促進(jìn)兩者實(shí)現(xiàn)共智進(jìn)化。虛擬流域利用實(shí)時(shí)采集的洪水漲落、干旱輕重、水資源豐枯、墑情好差、泥沙多寡、臺(tái)風(fēng)暴潮疾緩、水質(zhì)優(yōu)劣、工程安危等水安全要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)虛擬流域?qū)ο蟮膸缀谓Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)、模型參數(shù)、外觀狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)更新和自動(dòng)演化,保證了虛擬流域和物理流域的同步性。虛擬流域作為自然水系、水利工程、水利治理管理對(duì)象等實(shí)體對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、演變態(tài)勢診斷、發(fā)展形勢預(yù)測、決策方案優(yōu)化、控制策略驗(yàn)證等平臺(tái),有助于流域管理者和決策者讓自然水系、水利工程、水利治理管理對(duì)象按照期望的運(yùn)行軌跡進(jìn)行演化。虛實(shí)的互動(dòng)性可以從流域防洪、水資源管理與調(diào)配等業(yè)務(wù)需求所決定的時(shí)間尺度方面進(jìn)行評(píng)價(jià):一是虛擬流域利用采集的洪水、枯季徑流、地下水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行模型自動(dòng)化更新與升級(jí);二是利用虛擬流域?qū)ψ匀凰怠⑺こ痰任锢砹饔驅(qū)ο筮M(jìn)行方案優(yōu)化后下達(dá)和執(zhí)行最優(yōu)的決策方案。

在要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測、推演能擬實(shí)假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實(shí)能動(dòng)態(tài)交互6個(gè)評(píng)判準(zhǔn)則下,不同項(xiàng)目建設(shè)成效的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減,評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化方法應(yīng)根據(jù)定性或定量的類別進(jìn)行確定。對(duì)于同一評(píng)判準(zhǔn)則有多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的情況,可以采用層次分析法、語氣算子法等主客觀相結(jié)合的方式確定權(quán)重,然后利用可變集、模糊集、模糊綜合評(píng)價(jià)等加權(quán)組合方式得出該評(píng)判準(zhǔn)則的綜合評(píng)判結(jié)果,最后利用雷達(dá)圖的方式繪制6個(gè)評(píng)判準(zhǔn)則的評(píng)判結(jié)果,以此結(jié)果分析項(xiàng)目與數(shù)字孿生流域特征相比需要改進(jìn)的方向。

4 數(shù)字孿生流域建設(shè)關(guān)注的重點(diǎn)

數(shù)字孿生流域以其獨(dú)有的特征和能力方面的要求激發(fā)了新一代信息技術(shù)在流域治理管理中的潛在價(jià)值和發(fā)展活力[9,70],為傳統(tǒng)水利領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型和“大云物移智鏈”技術(shù)融合的潛力釋放創(chuàng)造了有利條件[71]。因此,數(shù)字孿生流域建設(shè)應(yīng)在深刻理解數(shù)字孿生涵義的基礎(chǔ)上,在流域治理管理中踐行數(shù)字孿生理念,以驅(qū)動(dòng)流域治理管理模式的變革。數(shù)字孿生流域建設(shè)任務(wù)多且體系復(fù)雜,未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下內(nèi)容。

1)準(zhǔn)確認(rèn)知是方向。關(guān)于數(shù)字孿生的定義尚未達(dá)成共識(shí),對(duì)數(shù)字孿生流域也有不同的理解[5,9-10,12]。流域系統(tǒng)是由自然-人工共同組成的開放式復(fù)雜巨系統(tǒng),產(chǎn)生于制造領(lǐng)域和航天領(lǐng)域的數(shù)字孿生的對(duì)象屬于純粹的人工系統(tǒng),所以數(shù)字孿生流域必然有其特點(diǎn)。雖然中國各地掀起了數(shù)字孿生流域建設(shè)高潮,但是對(duì)數(shù)字孿生流域理論與技術(shù)的研究滯后于水利實(shí)踐。這就導(dǎo)致建設(shè)過程中僅僅滿足建設(shè)內(nèi)容,而缺乏從系統(tǒng)的視角審視數(shù)字孿生流域建設(shè)效果,難以解決水旱災(zāi)害精準(zhǔn)化防御、水資源精細(xì)化管理、水生態(tài)環(huán)境科學(xué)化治理等水利業(yè)務(wù)管理中存在的站點(diǎn)覆蓋程度不高、協(xié)同感知透徹程度不高、模型算法預(yù)測精度不高、模型計(jì)算效率低、業(yè)務(wù)鏈條難以連接等難題,造成采用傳統(tǒng)水利信息系統(tǒng)開發(fā)模式低水平重復(fù)建設(shè)、有“數(shù)字孿生”標(biāo)簽卻不實(shí)用不好用的窘境。這說明流域治理管理還沒有真正達(dá)到“數(shù)字孿生”的要求。因此,在政策邏輯和學(xué)理邏輯基礎(chǔ)上,建立數(shù)字孿生流域的知識(shí)體系和技術(shù)體系,以指導(dǎo)數(shù)字孿生在業(yè)務(wù)管理中的適用性。此外,數(shù)字孿生流域建設(shè)要注意平衡投資和效益、遠(yuǎn)期和近期、實(shí)踐和研究之間的關(guān)系,避免盲目跟風(fēng)不切本地實(shí)際、短視不著眼長遠(yuǎn)發(fā)展和急出成績不遵循客觀規(guī)律地構(gòu)建數(shù)字孿生體。

2)全量數(shù)據(jù)是要點(diǎn)。數(shù)字孿生流域建設(shè)既要求虛擬流域通過“實(shí)時(shí)交互連接”獲取物理流域空間的所有基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理等水利數(shù)據(jù),又要求提升虛擬流域在物理流域空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行全生命周期中數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)反饋、決策支撐能力。經(jīng)過多年建設(shè),我國水利、氣象、環(huán)境等部門建立了類型豐富、數(shù)量眾多的水循環(huán)要素地面監(jiān)測站點(diǎn),其中縣級(jí)以上水利部門建成43.4萬處各類信息采集點(diǎn)(含約20.9萬處水文、水資源、水土保持等采集點(diǎn)以及約22.5萬處大中型水庫安全監(jiān)測采集點(diǎn))[72],氣象部門已建設(shè)3.2萬多個(gè)氣象站點(diǎn)(包括2 000多個(gè)常規(guī)站點(diǎn)和3萬多個(gè)自動(dòng)站點(diǎn))[73],生態(tài)環(huán)境部門已建設(shè)2.1萬多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站(包括956個(gè)地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面和20 401個(gè)地下水監(jiān)測站點(diǎn))[73]。國內(nèi)地面監(jiān)測站網(wǎng)與全球地面氣象站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、全球環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)等全球地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成了覆蓋范圍廣、監(jiān)測項(xiàng)目互為補(bǔ)充的監(jiān)測站網(wǎng)體系。此外,各類國內(nèi)國際在軌遙感衛(wèi)星協(xié)同監(jiān)測數(shù)據(jù)為從大范圍獲取流域信息提供了有益補(bǔ)充。雖然全國甚至全球范圍的監(jiān)測站點(diǎn)密度日益增加,但是由于各監(jiān)測數(shù)據(jù)之間尚未達(dá)到在線共享交互,還不能形成全量數(shù)據(jù)的局面,導(dǎo)致可挖掘的信息有限。因此,需要加強(qiáng)跨部門、跨層級(jí)、跨國度等的數(shù)據(jù)共享,豐富數(shù)據(jù)供給源,滿足流域科學(xué)研究和水利高質(zhì)量發(fā)展實(shí)踐的需求[74]。沒有全時(shí)空數(shù)據(jù)支撐,數(shù)字孿生流域就失去高保真映射的“源泉”[75]。

3)保真模型是核心。科學(xué)性是流域管理與決策的最重要屬性,而模型是保證管理與決策科學(xué)性的重要工具。不確定性的氣候變化和強(qiáng)烈的人類活動(dòng)使得自然-社會(huì)二元水循環(huán)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜,以現(xiàn)有的物理定律和數(shù)學(xué)模型全面認(rèn)識(shí)流域現(xiàn)狀、預(yù)測預(yù)報(bào)流域變化趨勢的仿真范式已顯得“力不從心”、困難重重[76],數(shù)據(jù)密集型科學(xué)范式為模型構(gòu)建提供了新思路[77]。因此,需要在理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)基礎(chǔ)上,以仿真為代表的第三范式和以數(shù)據(jù)為代表的第四范式相得益彰,形成數(shù)據(jù)模型與機(jī)理模型相結(jié)合的“雙模型引擎”。數(shù)字孿生流域的虛擬流域與物理流域通過實(shí)時(shí)交互連接進(jìn)行相互增益而持續(xù)進(jìn)化成長,同時(shí)智能協(xié)同地篩選“孿生數(shù)據(jù)”尋優(yōu)方案集并自主做出最佳決策。受“阿爾法狗”圍棋戰(zhàn)勝人類啟發(fā),數(shù)字孿生流域的智能協(xié)同與自主決策要以水利知識(shí)為中心,將每個(gè)物理流域?qū)ο蟠蛟斐梢灾R(shí)武裝的“數(shù)字體”或“智能體”[7],但是目前機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法還無法給出流域管理所需要的明確語義解釋,還需要借助具有邏輯演繹能力的領(lǐng)域知識(shí)圖譜融合事實(shí)性流域知識(shí)、概念性知識(shí)、過程性知識(shí)和規(guī)則性知識(shí)[9],提升流域治理管理與決策語義理解能力,增強(qiáng)復(fù)雜條件下的知識(shí)推理能力。

4)業(yè)務(wù)應(yīng)用是目的。與數(shù)字孿生在制造、航天、礦山等領(lǐng)域已取得的大量研究成果相比,數(shù)字孿生流域的研究顯得比較少,在基礎(chǔ)理論探索、體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬模型設(shè)計(jì)、信息組織、知識(shí)表達(dá)和成長及進(jìn)化等方面仍存在亟須攻克的難題[9,78-80],勢必制約數(shù)字孿生流域發(fā)展。因此,需要面向流域治理管理迫切需要解決的難題,聚焦數(shù)字孿生流域建設(shè)中的關(guān)鍵問題開展理論方法與技術(shù)研究,推動(dòng)數(shù)字孿生流域有序健康發(fā)展;還要利用數(shù)字孿生的物理實(shí)體與虛擬實(shí)體同步、虛實(shí)互動(dòng)、迭代進(jìn)化等理念,重塑流域治理管理新范式,實(shí)現(xiàn)水利系統(tǒng)的安全運(yùn)行和高效管控,促進(jìn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展,更好地保障江河安瀾、供水安全、生態(tài)健康、環(huán)境友好。

5 結(jié)語

針對(duì)目前存在的數(shù)字孿生流域的底層邏輯不清晰、演化模式不明確、成熟度評(píng)估方法缺乏等基礎(chǔ)問題,開展了數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型、演化路徑、評(píng)判準(zhǔn)則、建設(shè)關(guān)注重點(diǎn)等方面的研究,得到如下結(jié)論:

1)總結(jié)了數(shù)字孿生國際研究現(xiàn)狀,解析了數(shù)字孿生的概念和定義,并以數(shù)字孿生三維概念模型為基礎(chǔ),結(jié)合流域治理管理需要,提出了數(shù)字孿生流域的6維概念模型,包括以信息物理融合為“基石”的物理流域、以多維多尺度虛擬模型為“引擎”的虛擬流域、以高速大容量雙向通信為“動(dòng)脈”的實(shí)時(shí)連接交互、以業(yè)務(wù)能力提升為目標(biāo)的數(shù)字賦能服務(wù)、以全息化和決策化為“牽引”的孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識(shí)。

2)以物理流域和虛擬流域的虛實(shí)融合程度為基礎(chǔ),提出了數(shù)字孿生流域的數(shù)字感知、數(shù)字映射、數(shù)字認(rèn)知、數(shù)字模型、數(shù)字投影和數(shù)字孿生的演化路徑。其中,數(shù)字感知、數(shù)字映射和數(shù)字認(rèn)知是構(gòu)建數(shù)字模型、數(shù)字投影、數(shù)字孿生的基礎(chǔ),后者又是改善前者的工具,正是通過循環(huán)迭代的共同演進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的數(shù)字孿生流域的構(gòu)建。

3)建立了數(shù)字孿生流域項(xiàng)目成熟度評(píng)價(jià)的基本準(zhǔn)則,即要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準(zhǔn)預(yù)測、推演能擬實(shí)假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實(shí)能動(dòng)態(tài)交互。依此基本準(zhǔn)則并根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)充形成能夠切實(shí)反映數(shù)字孿生流域發(fā)展階段的具體指標(biāo),聚合形成用以指導(dǎo)數(shù)字孿生流域的“孿生指數(shù)”雷達(dá)圖,直觀顯示數(shù)字孿生流域建設(shè)中的“短板”,厘清制約發(fā)展的科學(xué)問題、技術(shù)難題和實(shí)踐瓶頸,提出相應(yīng)的解決方案來避免低水平重復(fù)建設(shè),提升數(shù)字孿生的實(shí)踐性的應(yīng)用價(jià)值。

4)數(shù)字孿生流域建設(shè)以破解傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理中難點(diǎn)和痛點(diǎn)問題為導(dǎo)向,構(gòu)建以學(xué)理邏輯為基礎(chǔ)和以政策邏輯為導(dǎo)向的數(shù)字孿生流域知識(shí)體系和技術(shù)體系。數(shù)字孿生流域作為傳統(tǒng)水利仿真模擬的升華,要以數(shù)字孿生新的理念重新認(rèn)識(shí)水利系統(tǒng)。在數(shù)字孿生流域建設(shè)中,準(zhǔn)確的認(rèn)知是方向、全量數(shù)據(jù)是要點(diǎn)、保真模型是核心、業(yè)務(wù)應(yīng)用是目的。