摘要：數(shù)字孿生水利涵蓋數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水網(wǎng)三大范疇，主要研究?jī)?nèi)容包括數(shù)字孿生-水利工程、數(shù)字孿生-流域、數(shù)字孿生-水網(wǎng)、水網(wǎng)-流域、水網(wǎng)-水利工程、流域-水利工程六大關(guān)系。其中，數(shù)字孿生水利工程是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域的關(guān)鍵，數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生流域是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生水網(wǎng)的前提。對(duì)數(shù)字孿生水利的基本內(nèi)涵、核心要素，以及與智慧水利的關(guān)系等進(jìn)行了剖析，得到了目前數(shù)字孿生水利建設(shè)過(guò)程中面臨的主要挑戰(zhàn)：水利信息模型、數(shù)據(jù)融合和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，專業(yè)模型智能化程度不高、智能基因注入不足，孿生應(yīng)用場(chǎng)景廣度不夠、深度不足?；诖?，構(gòu)建了數(shù)字孿生賦能國(guó)家水網(wǎng)全維度構(gòu)建、流域多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，以及水利工程全生命期建設(shè)的應(yīng)用場(chǎng)景，可為數(shù)字孿生水利提供建設(shè)思路。

關(guān) 鍵 詞：數(shù)字孿生； 水利工程； 流域； 水網(wǎng)； 應(yīng)用場(chǎng)景

中圖法分類號(hào)： TV697.1；TP3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.032

0 引 言

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬映射體，基于歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用算法模型等，實(shí)時(shí)感知、模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)和控制物理實(shí)體全生命周期狀態(tài)和過(guò)程的技術(shù)手段，即通過(guò)優(yōu)化和指令來(lái)調(diào)控物理實(shí)體的行為，通過(guò)虛擬映射體的自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化來(lái)進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體全生命周期內(nèi)的決策［1-4］。通過(guò)數(shù)字孿生，可以有效打通物理世界與虛擬空間的通道，用技術(shù)模糊現(xiàn)實(shí)與虛擬的界限，從而推進(jìn)水利新基建，加快產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保障國(guó)家水網(wǎng)、雅魯藏布江下游水電開(kāi)發(fā)等重大工程建設(shè)，滿足行業(yè)智慧化發(fā)展要求，驅(qū)動(dòng)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)水利高質(zhì)量發(fā)展。

水利信息化發(fā)展歷經(jīng)金水工程（系統(tǒng)）、數(shù)字水利（數(shù)據(jù)）和智慧水利（服務(wù)）3個(gè)階段，目前正在大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)。水利行業(yè)從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化，再到智慧化，不僅是技術(shù)的進(jìn)步，更重要的是理念和數(shù)字水文化的超越。

國(guó)內(nèi)外水利信息化的研究和建設(shè)速度非常迅速，如水利一張圖、水利工程管理信息系統(tǒng)、國(guó)家水利數(shù)據(jù)中心、國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)等。全國(guó)水利系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了從水情雨情信息的采集、傳輸、接收、處理、監(jiān)視到聯(lián)機(jī)洪水預(yù)報(bào)；在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)始建設(shè)“國(guó)家水文數(shù)據(jù)庫(kù)”并取得了部分成果；水利部門辦公自動(dòng)化的水平也在逐步提高，開(kāi)始實(shí)行遠(yuǎn)程文件傳輸、公文管理和檔案聯(lián)機(jī)管理；一些水利部門建立了網(wǎng)站并接入了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；建成了連接全國(guó)流域機(jī)構(gòu)和各?。ㄊ?、區(qū)）的水情計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)。傳統(tǒng)的水利信息化建設(shè)中條塊化的智慧應(yīng)用（如智慧水務(wù)、智慧工程、河湖管理、水行政管理等）易導(dǎo)致數(shù)據(jù)割裂和業(yè)務(wù)壁壘，而智慧化所需的資源共享與業(yè)務(wù)協(xié)同機(jī)制一直沒(méi)有建立起來(lái)，建設(shè)模式在推進(jìn)過(guò)程中漸顯疲態(tài)，同時(shí)，水利信息化建設(shè)雖在信息感知、核心平臺(tái)、一張圖等方面取得了較大進(jìn)展，但智慧化應(yīng)用場(chǎng)景廣度不夠、深度不足。信息技術(shù)的飛速發(fā)展和迭代演進(jìn)，驅(qū)動(dòng)著水利數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求日益凸顯、要求不斷升級(jí)，數(shù)字孿生是數(shù)字化的必然趨勢(shì)和理想狀態(tài)。數(shù)字孿生水利建設(shè)并不是另起爐灶，而是在現(xiàn)有信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，整合、改造、擴(kuò)展、升級(jí)，推動(dòng)水利信息化向智慧化方向發(fā)展。本文對(duì)數(shù)字孿生水利的基本內(nèi)涵、核心要素，以及與智慧水利的關(guān)系等進(jìn)行了剖析，構(gòu)建了數(shù)字孿生賦能國(guó)家水網(wǎng)全維度構(gòu)建、流域多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度，以及水利工程全生命期建設(shè)的應(yīng)用場(chǎng)景，為數(shù)字孿生水利提供建設(shè)思路。

1 數(shù)字孿生水利基本內(nèi)涵

水利是指人類社會(huì)為了生存和發(fā)展的需要，采取各種措施對(duì)自然界的水和水域進(jìn)行控制和調(diào)配，以防治水旱災(zāi)害，開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)水資源。水利具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和綜合性，基于水利概念和特點(diǎn)，數(shù)字孿生水利建設(shè)涵蓋數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水網(wǎng)三大范疇，主要研究?jī)?nèi)容包括數(shù)字孿生-水利工程、數(shù)字孿生-流域、數(shù)字孿生-水網(wǎng)、水網(wǎng)-流域、水網(wǎng)-水利工程、流域-水利工程6個(gè)關(guān)系［5-6］（見(jiàn)圖1），構(gòu)建水利數(shù)字孿生體。其中，數(shù)字孿生水利工程是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域的關(guān)鍵，數(shù)字孿生水利工程、數(shù)字孿生流域是實(shí)現(xiàn)國(guó)家水網(wǎng)數(shù)字孿生的前提。從這6個(gè)關(guān)系中，可以看出數(shù)字孿生水利概念的框架，可將現(xiàn)階段數(shù)字孿生水利存在的問(wèn)題包含在內(nèi)。

（1） 數(shù)字孿生-水利工程的關(guān)系。這是數(shù)字孿生水利工程研究的核心問(wèn)題。將水利工程的地理空間環(huán)境、水利工程要素、內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行數(shù)字化，在信息空間再造一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的虛擬水利工程，把信息空間上構(gòu)建的水利工程虛擬映像疊加在物理空間上。形成物理維度上的實(shí)體水利工程與信息維度上的數(shù)字水利工程同生共存、虛實(shí)互動(dòng)、實(shí)時(shí)連結(jié)的雙向映射，貫穿水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行乃至退役的整個(gè)生命期。輔助和指導(dǎo)水利工程更好的建設(shè)，通過(guò)建立物理實(shí)體和孿生體全面的實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)，根據(jù)孿生體反饋的信息，對(duì)水利工程物理實(shí)體采取進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)，使水利工程更好地用起來(lái)，這就是數(shù)字孿生水利工程。

（2） 數(shù)字孿生-流域的關(guān)系。這是數(shù)字孿生流域研究的核心問(wèn)題。數(shù)字孿生流域是以物理流域?yàn)閱卧?、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程的數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。

（3） 數(shù)字孿生-水網(wǎng)的關(guān)系。這是數(shù)字孿生水網(wǎng)研究的核心問(wèn)題。通過(guò)建立集物理水網(wǎng)、管理水網(wǎng)、信息水網(wǎng)和數(shù)字水網(wǎng)于一體，面向水網(wǎng)綱、目、節(jié)全要素及其拓?fù)潢P(guān)系，融合水流-信息流-業(yè)務(wù)流-價(jià)值流的水網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)水網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行數(shù)智化應(yīng)用體系，以及數(shù)據(jù)全生命期繼承和功能模塊共享模式，構(gòu)建數(shù)字孿生水網(wǎng)。

（4） 水網(wǎng)-流域的關(guān)系。這是數(shù)字孿生水利要素關(guān)系的內(nèi)核之一。根據(jù)水流狀態(tài)等構(gòu)建天然江河湖水系，以及水系汊點(diǎn)、濕地等拓?fù)潢P(guān)系，建立連通網(wǎng)。

（5） 水網(wǎng)-水利工程的關(guān)系。這是數(shù)字孿生水利要素關(guān)系的內(nèi)核之二。根據(jù)引水、輸水、排水等關(guān)系，構(gòu)建供水、排水、泄水通道，以及庫(kù)、壩、堤、閘、泵、廠（站）、井等的拓?fù)渚W(wǎng)。

（6） 流域-水利工程的關(guān)系。這是數(shù)字孿生水利要素關(guān)系的內(nèi)核之三。根據(jù)流域關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建流域內(nèi)，以及流域和流域間的庫(kù)、壩、堤、閘、泵、廠（站）、井等與流域的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

數(shù)字孿生水利建設(shè)實(shí)施路徑為：首先利用信息感知、計(jì)算分析和模擬仿真等實(shí)現(xiàn)工程、流域、水網(wǎng)的數(shù)字化映射。然后基于數(shù)字化映射，建立物理水利和數(shù)字孿生水利全面的實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)。最后通過(guò)在數(shù)字空間的先知先覺(jué)（基于專業(yè)模型的機(jī)理分析計(jì)算、基于智能算法和模型的預(yù)測(cè)、預(yù)演等），對(duì)工程、流域和水網(wǎng)采取進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)，使工程、流域和水網(wǎng)更好地建起來(lái)、用起來(lái)、管起來(lái)，指導(dǎo)和改進(jìn)物理水利。同時(shí)，通過(guò)對(duì)物理水利發(fā)展演進(jìn)的外在和內(nèi)在的不斷學(xué)習(xí)，優(yōu)化數(shù)字孿生水利，從而實(shí)現(xiàn)物理水利和數(shù)字孿生水利的共享智慧和共同治理。數(shù)字孿生建設(shè)可以貫穿工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)乃至退役的全生命期、流域綜合調(diào)度全過(guò)程和水網(wǎng)構(gòu)建全維度，其核心要素包括：數(shù)據(jù)底板、業(yè)務(wù)模型、智能基因和孿生應(yīng)用。其中，數(shù)據(jù)底板是基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)模型是核心，智能基因是動(dòng)能，孿生應(yīng)用是目的（見(jiàn)圖2）。

2 數(shù)字孿生水利建設(shè)面臨的主要挑戰(zhàn)

2.1 水利信息模型、數(shù)據(jù)融合和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)缺失

通過(guò)數(shù)字孿生可以最大限度地搜集、整合、挖掘、開(kāi)發(fā)和利用各條流域、各類工程產(chǎn)生的海量信息，建立功能加載、業(yè)務(wù)承載、應(yīng)用實(shí)踐的數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)水利物理空間到數(shù)據(jù)空間再到圖形空間的構(gòu)建。目前，隨著流域綜合管理的發(fā)展，以及眾多工程的不斷建設(shè)，各類型水利數(shù)據(jù)飛速增長(zhǎng)，因?yàn)楣芾頇C(jī)制和業(yè)務(wù)分塊、原業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)模式條線性強(qiáng)、協(xié)同性弱等因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散和標(biāo)準(zhǔn)不一［3］?，F(xiàn)階段水利相關(guān)部門和單位對(duì)水利數(shù)據(jù)底板有著強(qiáng)烈的需求，亟需的不是統(tǒng)一各部門和單位原有水利相關(guān)數(shù)據(jù)格式，而是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件下，定義統(tǒng)一的水利信息模型、數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)接口，以及水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編碼和操作方法，并開(kāi)放和共享數(shù)據(jù)服務(wù)目錄，打通數(shù)據(jù)壁壘。

2.2 專業(yè)模型智能化程度不高、智能基因注入不足 水利專業(yè)模型、規(guī)則、知識(shí)等是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生水利“智慧化模擬，精準(zhǔn)化決策”的基礎(chǔ)，是水利能力中臺(tái)的核心構(gòu)件。傳統(tǒng)的水利專業(yè)模型一方面由于研發(fā)時(shí)間早，技術(shù)迭代更新慢，且限于當(dāng)時(shí)信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，模型在算量、算力等方面存在很大的提升空間［7-8］；另一方面，針對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘有很大的應(yīng)用空間，規(guī)則、知識(shí)的凝練和挖掘亟待深化［9-10］。目前，水利“四預(yù)”的傳統(tǒng)模型與新一代信息技術(shù)的融合和創(chuàng)新應(yīng)用不足，新一代信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)模型的改造和優(yōu)化不夠。如針對(duì)傳統(tǒng)的二維產(chǎn)匯流模型、二維水動(dòng)力模型等，基于并行計(jì)算、云計(jì)算等架構(gòu)模式進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)在保證模型計(jì)算精度甚至優(yōu)化模型精度的前提下大幅度提高計(jì)算效率，利用人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)提升對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)快速分析處理的能力等。

2.3 孿生應(yīng)用場(chǎng)景廣度不夠、深度不足

實(shí)現(xiàn)孿生應(yīng)用是建設(shè)數(shù)字孿生水利的根本目標(biāo)。目前，對(duì)于數(shù)字孿生水利的概念還沒(méi)有一個(gè)明確的定義，孿生應(yīng)用存在的主要問(wèn)題包括：① “過(guò)度孿生”水網(wǎng)、流域和工程外在，聚焦于水網(wǎng)、流域和工程的“一草一木、一磚一瓦”，追求表面的無(wú)損刻畫，忽視對(duì)流域和工程狀態(tài)、相態(tài)、時(shí)態(tài)、關(guān)系和機(jī)理等運(yùn)行治理的孿生；② 數(shù)字孿生在流域綜合化管理、工程全生命期各階段應(yīng)用還處于初級(jí)階段，應(yīng)用場(chǎng)景挖掘不夠；③ 支撐數(shù)字化映射、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策的算法、模型成熟度不高，尚待沉淀，數(shù)字孿生技術(shù)減少試錯(cuò)成本、保證工程安全、降低建設(shè)經(jīng)費(fèi)等核心價(jià)值還遠(yuǎn)未釋放，不少應(yīng)用以數(shù)字孿生之名，行傳統(tǒng)信息化之實(shí)［11-13］。

3 數(shù)字孿生水利應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)字孿生水利基于數(shù)據(jù)底板，利用專業(yè)模型、大數(shù)據(jù)、AI等分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理水利發(fā)展演進(jìn)的孿生，實(shí)現(xiàn)水流、信息流、業(yè)務(wù)流和價(jià)值流的全過(guò)程流轉(zhuǎn)，解決現(xiàn)實(shí)水網(wǎng)建設(shè)、流域水資源優(yōu)化配置、防洪調(diào)度等綜合管理，以及工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理和服務(wù)的復(fù)雜性和不確定性，賦予水網(wǎng)、流域和工程“前可追溯歷史，后可預(yù)測(cè)未來(lái)”的能力特性，實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”能力，指導(dǎo)物理水利綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字孿生水利應(yīng)用體系（見(jiàn)圖3）建設(shè)內(nèi)容不僅包括水資源優(yōu)化配置、流域防洪減災(zāi)、水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、工程全生命期各階段應(yīng)用、水行政監(jiān)督執(zhí)法等的“水流”“水盆”和監(jiān)督管理，更包括凸顯水網(wǎng)、流域、工程建設(shè)和管理數(shù)字孿生特征的智慧應(yīng)用。如水網(wǎng)、流域和工程畫像、決策支持等，從而構(gòu)建水利數(shù)字孿生體，支撐工程勘察設(shè)計(jì)方案快速優(yōu)化；施工過(guò)程和進(jìn)度仿真，災(zāi)害快速應(yīng)急響應(yīng)和分析決策等，保障工程安全、防洪安全、供水安全、航運(yùn)安全、發(fā)電安全和生態(tài)安全等。

（1） 水網(wǎng)孿生應(yīng)用體系包括：雨-水-工-險(xiǎn)-災(zāi)一體化聯(lián)動(dòng)安全網(wǎng)、綱-目-節(jié)一體化水資源供需網(wǎng)、山-水-林-田-湖-草-沙一體化生態(tài)平衡網(wǎng)建設(shè)等應(yīng)用。

（2） 流域?qū)\生應(yīng)用體系包括：圍繞生態(tài)、防洪、供水、發(fā)電、通航、灌溉、養(yǎng)殖等多目標(biāo)統(tǒng)籌優(yōu)化的流域防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、河湖管理、水土保持、農(nóng)村供水管理等應(yīng)用。

（3） 工程孿生應(yīng)用體系包括：圍繞工程安全的數(shù)字規(guī)劃、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能建造、智慧運(yùn)維等。

3.1 水網(wǎng)全維度構(gòu)建

針對(duì)水網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)，統(tǒng)籌水源區(qū)和受水區(qū)，以及水網(wǎng)“大動(dòng)脈”與“毛細(xì)血管”建設(shè)并舉，兼顧流域上下游、左右岸、干支流、地上地下之間的關(guān)系［14］，在構(gòu)建河道、工程（水庫(kù)、泵站、涵閘等）、蓄滯（分）洪區(qū)、洲灘民垸等水利要素拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)，以及全國(guó)水資源分布一張圖、全國(guó)水庫(kù)庫(kù)容一張圖、全國(guó)雨量分布一張圖等的基礎(chǔ)上，通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系的網(wǎng)絡(luò)分析、一張圖的疊置分析等，實(shí)現(xiàn)天上的來(lái)水水量、地面的蓄水能力、生態(tài)的用水需求等信息連通，水利要素的全連接。在連通連接的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)會(huì)來(lái)多少水，高效地計(jì)算容量有多少，快速地統(tǒng)計(jì)用水需多少，分析重組泄水-蓄水-供水的最優(yōu)組合，并進(jìn)行模擬仿真推演，實(shí)現(xiàn)兼顧時(shí)間維度、空間維度等的水資源重組迭代優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化后的方案進(jìn)行決策，制定豐水、枯水等情況下時(shí)空均衡的調(diào)度和配置預(yù)案，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)小、調(diào)度準(zhǔn)、配置優(yōu)的增值效應(yīng)（見(jiàn)圖4）。

厘清水網(wǎng)研究對(duì)象及其構(gòu)成要素、屬性項(xiàng)和內(nèi)在關(guān)系，定義水網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)概念。從時(shí)間維度、空間維度研究和分析物理水網(wǎng)、管理水網(wǎng)、信息水網(wǎng)、數(shù)字孿生水網(wǎng)之間水流、信息流、業(yè)務(wù)流和價(jià)值流的流轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建顧及水網(wǎng)綱、目、節(jié)全要素及其拓?fù)潢P(guān)系，融合水流-信息流-業(yè)務(wù)流-價(jià)值流的水網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）。

3.2 流域多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度

基于構(gòu)建的數(shù)字孿生流域平臺(tái)，圍繞生態(tài)、防洪、供水、發(fā)電、通航、灌溉、養(yǎng)殖等調(diào)度目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的不同周期、不同時(shí)期水情、工情等預(yù)警閾值自適應(yīng)調(diào)整［15-16］；建立水利專業(yè)模型推演為主，人工智能模型輔助支持的預(yù)演分析模式，根據(jù)預(yù)演結(jié)果生成調(diào)度方案集；利用流域聯(lián)合調(diào)度規(guī)則和知識(shí)庫(kù)［17］，通過(guò)對(duì)各方案進(jìn)行險(xiǎn)情、災(zāi)情等指標(biāo)評(píng)估，進(jìn)行方案推薦并制定預(yù)案。同時(shí)，針對(duì)超出既定規(guī)則的調(diào)度場(chǎng)景，采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的智能優(yōu)化算法進(jìn)行尋優(yōu)分析，獲取推薦方案并制定預(yù)案。根據(jù)預(yù)案執(zhí)行的實(shí)時(shí)反饋信息對(duì)推薦的調(diào)度方案進(jìn)行持續(xù)模擬優(yōu)化和更新迭代，最終實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、供水調(diào)度和生態(tài)調(diào)度等的聯(lián)合優(yōu)化（見(jiàn)圖6）。

長(zhǎng)江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)多元數(shù)據(jù)融合、流域模擬預(yù)報(bào)、防洪形式分析、工程聯(lián)合調(diào)度、防洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防洪避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，全鏈條、場(chǎng)景化、一體化賦能流域防洪“四預(yù)”實(shí)現(xiàn)。為長(zhǎng)江流域洪水復(fù)盤演練、2020年長(zhǎng)江大洪水、2021年漢江秋汛的防汛工作提供了技術(shù)和系統(tǒng)支撐（見(jiàn)圖7）。

3.3 工程全生命期建設(shè)

通過(guò)增強(qiáng)工程信息智能感知能力、數(shù)字映射能力、計(jì)算分析能力和科學(xué)決策能力，基于工程規(guī)劃數(shù)字化、多專業(yè)BIM正向協(xié)同設(shè)計(jì)、施工仿真、智能水量調(diào)度、工程安全監(jiān)測(cè)與決策分析等場(chǎng)景應(yīng)用（見(jiàn)圖8），實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體工程與數(shù)字工程的實(shí)時(shí)交互和迭代優(yōu)化，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)新工程施工、運(yùn)行管理模式，助力工程全生命期智慧建設(shè)和管理，降低工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，減少工程建設(shè)成本，提升工程建成后效益。

基于工程規(guī)劃范圍或線路起點(diǎn)、終點(diǎn)位置信息，以及周邊環(huán)境，進(jìn)行工程選址或線路規(guī)劃、地質(zhì)鉆孔布置等工作，并對(duì)選址、線路規(guī)劃、鉆孔布置等過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)。通過(guò)分析鉆孔探測(cè)數(shù)據(jù)、超前預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)、環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)（交通、人口等），基于專業(yè)模型與知識(shí)平臺(tái)中構(gòu)建的規(guī)則和知識(shí)，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，支撐設(shè)計(jì)方案的快速可視化及比選，輔助方案動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終確定設(shè)計(jì)方案，并將最終設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合可視化，建設(shè)數(shù)字孿生水利工程數(shù)據(jù)底板。同時(shí)，針對(duì)工程建成后運(yùn)行階段的管理業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)傳感設(shè)備、監(jiān)測(cè)感知設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等的布設(shè)方案，輔助施工和運(yùn)行期感知設(shè)備布設(shè)。

基于工程數(shù)據(jù)底板，根據(jù)專業(yè)模型與知識(shí)平臺(tái)中施工安全、進(jìn)度、質(zhì)量、資金等要素的關(guān)聯(lián)規(guī)則和知識(shí)，以及隧洞圍巖巖體智能識(shí)別、結(jié)構(gòu)面解譯、巖性分析與定量評(píng)價(jià)分析等專業(yè)分析模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行仿真，在數(shù)字空間中對(duì)完整的施工方案進(jìn)行預(yù)演、復(fù)合和調(diào)整，輔助施工資源的合理有效配置和優(yōu)化施工方案，實(shí)現(xiàn)施工全要素管理的精細(xì)化和精益化，以及數(shù)字工程與物理工程同步建設(shè)和孿生互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生最核心、最重要的價(jià)值，即在保證工程安全的前提下，減少在物理空間中的試錯(cuò)成本，指導(dǎo)工程建設(shè)和管理［18-19］。

基于工程的數(shù)字孿生體，結(jié)合工程運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，編制應(yīng)急預(yù)案，并將促發(fā)這些應(yīng)急預(yù)案的條件和相應(yīng)的預(yù)案進(jìn)行聯(lián)動(dòng)和可視化，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)警和預(yù)案的模擬仿真。通過(guò)構(gòu)建的工程全域感知網(wǎng)，實(shí)際獲取工程全域立體感知數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程安全的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和工程設(shè)施設(shè)備的智慧運(yùn)維，并基于調(diào)水、用水、生態(tài)環(huán)保，以及工程安全等數(shù)據(jù)分析和評(píng)估結(jié)果，輔助決策分析和應(yīng)急管理等。

針對(duì)引江補(bǔ)漢工程，在工程勘察設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工程地形、地質(zhì)、取水條件、社會(huì)環(huán)境等數(shù)據(jù)，以補(bǔ)水點(diǎn)與丹江口水庫(kù)大壩位置關(guān)系，初步規(guī)劃壩上、壩下和壩上壩下結(jié)合三類方案，并在虛擬環(huán)境中（見(jiàn)圖9）分析計(jì)算各類方案補(bǔ)水效益、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估和比選。同時(shí)，基于調(diào)水目標(biāo)、水源可調(diào)水量，以及水質(zhì)、社會(huì)環(huán)境、工程地形、地質(zhì)等數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中計(jì)算分析施工條件、環(huán)境影響以及工程投資等方面的基礎(chǔ)上，將選線原則進(jìn)行量化和規(guī)則化，規(guī)劃設(shè)計(jì)壩上、壩下和壩上壩下結(jié)合三類方案的調(diào)水線路，并進(jìn)行可視化，對(duì)各類方案的調(diào)水線路選型進(jìn)行輸水模擬仿真，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比選，初步確定調(diào)水線路和輸水方案。

在引江補(bǔ)漢虛擬環(huán)境中，基于工程地質(zhì)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與智能識(shí)別體系，結(jié)合隧洞三維數(shù)字影像、超前鉆孔參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)、物探數(shù)據(jù)、巖渣特征等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建圍巖級(jí)別和掌子面穩(wěn)定性級(jí)別樣本庫(kù)，建立自動(dòng)化構(gòu)建隧洞施工期巖體特征智能識(shí)別模型，以及巖體特征-分級(jí)指標(biāo)映射關(guān)系。一方面，將掘進(jìn)參數(shù)、超前鉆孔參數(shù)等多源地質(zhì)信息綜合判別得到的圍巖級(jí)別與原設(shè)計(jì)方案自動(dòng)對(duì)比，當(dāng)兩者不一致時(shí)，啟動(dòng)圍巖變更流程；另一方面，根據(jù)隧洞已開(kāi)挖段圍巖級(jí)別，在虛擬空間中，融合前期勘測(cè)的圍巖信息、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息等，自動(dòng)預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖級(jí)別（見(jiàn)圖10）。同時(shí)，基于建立的工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集、監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，以及坍塌、卡機(jī)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合和綜合評(píng)估分析，快速定位不良地質(zhì)體（見(jiàn)圖11），提出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控對(duì)策和超前處理預(yù)案，精準(zhǔn)輔助智慧化施工決策。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字孿生水利是在水利數(shù)據(jù)積累從量變到質(zhì)變，在感知、建模、仿真、人工智能等信息技術(shù)取得重大突破的背景下，將數(shù)字孿生技術(shù)滲透到水網(wǎng)構(gòu)建、流域調(diào)度和工程建設(shè)的提質(zhì)、增效、降本等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，促使水網(wǎng)構(gòu)建全維度、流域調(diào)度全過(guò)程、工程建設(shè)全生命期具備全流程、全要素的數(shù)字映射、智慧模擬和精準(zhǔn)決策能力。在虛擬場(chǎng)景中仿真、模擬、優(yōu)化物理水利，再將虛擬場(chǎng)景中驗(yàn)證的結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)，對(duì)涉水問(wèn)題進(jìn)行模擬仿真和態(tài)勢(shì)推演，實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)急響應(yīng)和精準(zhǔn)決策分析。

數(shù)字孿生水利一方面數(shù)字化映射物理水利，另一方面在數(shù)字空間進(jìn)行智慧化模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理水利的精準(zhǔn)化決策，重塑水利基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)筑具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系［20］，形成“共智+共治”的水利數(shù)實(shí)相生發(fā)展新形態(tài)，支撐和驅(qū)動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。

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（編輯：黃文晉）

Connotation and application scenarios of digital twin water conservancyXIE Mingxia

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： Digital twin water conservancy includes 3 major categories：digital twin hydraulic engineering，digital twin basins and digital twin water network.The main research content includes 6 relationships：digital twin-hydraulic engineering，digital twin-basins，a digital twin-water network，water network-basins，water network-hydraulic engineering，and basins-hydraulic engineering.Among them，digital twin hydraulic engineering is the key to realizing digital twin basins，and digital twin hydraulic engineering and digital twin basins are the prerequisites for realizing digital twin water networks.I analyzed and summarized the basic connotation and core elements of digital twin water conservancy and the relationship with smart water conservancy.The main challenge facing the current digital twin water conservancy construction was the lack of water information models，data fusion and service standards，the low level of intelligence process of professional models，the insufficiency of intelligent gene injection，the lack of breadth and depth of twin application scenarios.Based on these，I proposed several application scenarios such as digital twin empowerment for full-dimensional construction of a national water network，multi-objective joint scheduling in basins，and hydraulic engineering life-cycle construction，to provide construction ideas for digital twin water conservancy.

Key words： digital twin；hydraulic engineering；basin；water network；application scenarios

收稿日期：2023-01-30；接受日期：2023-03-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC3005504）

作者簡(jiǎn)介：謝明霞，女，高級(jí)工程師，博士，主要從事水利信息化、空間數(shù)據(jù)分析等研究。E-mail：xiemingxia@cjwsjy.com.cn