《水利水电快报》“智慧水利”论文精选 | 长江设计集团饶小康：数字孪生驱动的智慧流域平台研究与设计
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《水利水电快报》2022年第2期
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引用格式：饶小康，马瑞，张力，等.数字孪生驱动的智慧流域平台研究与设计[J].水利水电快报，2022,43（2）:117-123.
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数字孪生驱动的智慧流域平台研究与设计
饶小康，马瑞，张力，柳嘉
（长江勘测规划设计研究有限责任公司；长江空间信息技术工程有限公司(武汉)；湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心）
摘 要：流域管理涉及水资源、水生态、水环境、水灾害等众多问题，以数字孪生为基础，将GIS,BIM,IoT融合的数字孪生与流域管理相结合，建立数字孪生数据及模型集成与可视化表达方法，研究数字孪生运行机制，构建智慧流域孪生体，设计数字孪生驱动的智慧流域平台。以堵河流域水库群防洪联合调度管控为例进行应用实践，实践证明：相比传统流域数据库管理或二维平面管理中的信息不全、精度不够、反馈滞后、表达单一等问题，数字孪生驱动的智慧流域平台可在空间地理数据、BIM模型数据、物联网数据融合与交互的基础上，基于数据、模型双向驱动，实现外部环境下的仿真、决策、优化和可视，其管控效果优于传统手段。平台的研究与实践可实现流域管理实时监测、诊断、分析、决策和预测，为其智能运行、精准管控和安全运维提供一种新的解决思路。
关键词：数字孪生；智慧流域平台；GIS+BIM+IoT；融合与集成
基金项目：国家重点研发计划（2017YFC1502604、2018YFC0407904）
编 辑：李 晗
饶小康
简 介
饶小康（1985.4），男，湖北人，高级工程师。主要从事水利工程数字化、GIS+BIM+IoT、数据挖掘、智慧水利等方面的研究工作。先后承担多项国家重点研发计划、省部级等研究课题；获省部级三项，其中大禹水利科学技术奖二等奖一项；获长江委科技进步奖一等奖两项，专利10余项，其中发明专利5项，获软著10余项，参编专著1部，发表论文20余篇,其中一作核心10余篇，并担任《长江科学院院报》《水电能源科学》《中国农村水利水电》等核心期刊审稿人。E-mail:xiaokangrao@whu.edu.cn
0 引言
流域“四水同治”对水资源保护、水生态治理、水环境整治、水灾害防御以及社会经济发展具有深远的意义，随着治水工作重点的转变，新形势下对流域管理提出了更高的要求。水利部《智慧水利总体方案》提出了“推进国家水治理体系和治理能力现代化”等目标。将新一代信息技术运用于流域管理将有助于提高流域治理和管理水平。
数字孪生（Digital Twin,DT），指充分利用现实数据和实体模型，集成多学科、多专业知识在数字空间内完成“孪生镜像”、反映现实物理世界运行过程的数字映射系统。相比以往数据库管理或二维平面管理中存在信息不全、精度不够、反馈滞后、表达单一等问题，数字孪生充分利用实时数据、历史数据、孪生数据以及实体模型，集成多维模拟过程，在数字空间内针对物理空间场景中的人、机、物、工况、环境等要素进行全业务流程、全生命周期的描述与建模，构建融合交互、高效协同的数字孪生体，最终实现物理空间资源配置和运行的按需响应、快速迭代和动态优化[1]。李德仁[2,3]表示数字孪生是物理世界与网络世界虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能映射到虚拟世界。借助数字孪生，实现长江流域生态环境与灾害的智能管理，通过实时的协同系统，利用上万个传感器采集上亿个实时数据，便能获知各类信息并及时分析、决策。
本文借助GIS,BIM,Io T及人工智能等新兴技术，利用数字孪生技术在信息空间中对流域要素、外部工况、环境等实体进行忠实复刻，通过数据、模型双向驱动，构建相应的数字孪生驱动智慧流域平台。通过数字孪生体与物理实体在位置、几何、行为、规则等方面精确的映射关系，基于实时数据、历史数据、孪生数据和专业模型，针对流域管理进行实时、交互的仿真、决策、优化和可视，实现数据驱动、虚实同步、动态修正、高效协同，为流域管理智能运行、精准管控和安全运维提供一种新的解决思路。
1 数字孪生融合与集成
1.1 数据融合与集成方法
将微观领域的BIM数据与宏观领域的GIS数据进行融合与交换，使GIS从室外走进室内、从地面走进地下、从宏观走进微观，可在多个领域得到深层次的应用。同时，Io T数据本身无法与建筑物实体的空间位置信息和几何信息产生关联，需与GIS建立宏观地理环境信息、与BIM建立微观建筑模型信息进行有机融合，构建数字孪生全要素信息，如图1所示。与GIS,BIM,Io T单独应用相比，三者的集成与融合在建模质量、仿真精度、决策效率、渲染表达等方面都有着明显的优势[4]。
平台针对大规模空间地理数据、BIM模型数据以及物联网数据，研究GIS数据和BIM数据之间几何差异和语义信息差异，分析二者数据结构（IFC,City GML等）之间的异同，通过几何数据、坐标系统、属性信息等的转换实现BIM模型与3D GIS模型的转换融合，最终实现GIS,BIM,Io T的集成与融合（图1）。
自主研发三维GIS平台，支持AUTODESK,BENTLEY,CATIA等BIM主流数据的无损接入，超百万级部件的BIM模型实时加载，通过实例化技术、LOD（多细节层次）技术、轻量化处理技术以及三维缓存技术等，对BIM性能进行优化，解决BIM精细化模型在大场景展示时资源浪费、加载卡顿等问题；同时利用Web GL技术，通过对计算机底层GPU的调用实现三维场景的可视化渲染，建立BIM模型与3DGIS服务集成方法，结合Web及移动端技术，实现跨平台、跨终端的三维场景分析及管理服务。
1.2 数字孪生运行机制
数字孪生驱动的智慧流域平台集成先进的物联感知、大数据、云计算、无线通信和自动控制技术，通过在信息空间内对物理实体从位置、几何、行为、规则等方面进行全要素、多维度描述与建模，建立物理空间与信息空间的动态链接和实时交互，实现基于数据、模型双向驱动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行，达到虚实融合、同步互联的闭环优化[5]，其运行机制如图2所示。
平台基于物联网采集的水雨工情、地质等基础信息，集成水文预报、防洪调度、洪水演进、水生态承载力、水资源优化配置、污染物运移等专业模型，在三维GIS空间内建立与BIM模型全要素映射和实时融合交互，对各类工况、环境、参数条件下智慧流域进行仿真驱动，生成相应流域管理仿真决策方案，及时进行会商发布并提供决策支持。基于孪生系统全面感知、信息交互、深度分析、科学决策的运行机制，可提升整个工程的组织和决策能力，实现整体资源优化配置、各功能模块统一调度，提高孪生平台协作效率。
1.3 数字孪生可视化表达方法
空间地理数据、BIM模型数据和物联网感知数据是数字孪生驱动智慧流域的数字底板，是物理空间智慧流域各类信息在信息空间中的孪生重建。如何在信息空间中对智慧流域复杂的环境、工况和演进进行全方位、多视角、深层次的可视化表达是数字孪生研究的关键内容[6,7]。
平台针对海量多源时空数据、BIM模型、物联网监测数据，建立了多种可视化表达方法，包括：(1)三维复杂模型自动简化方法，提高三维场景的存储效率和加载速度；(2)全空间三维信息可视化方法，保障模型在不同场景下无缝衔接；(3)场景自适应可视化方法，满足不同用户视角场景下模型加载自适应；(4)物理环境仿真可视化方法，实现信息空间真实环境高逼真渲染，如图3所示。
自主研发三维GIS平台建立数字孪生可视化表达方法，无缝集成海量多源时空数据、BIM模型数据和物联网数据，建立宏观、中观、微观一体化管理、大规模三维场景集成调度、全空间多尺度多层次表达方法，实现信息空间数字孪生重建。
2 智慧流域数字孪生体构建
基于数字孪生的智慧流域旨在信息空间建立一个与物理实体精确映射、交融互动的智慧流域数字孪生体，建立全流域、全要素、全生命周期的智能感知，构建基于GIS+BIM+Io T的数字模型，通过数据、模型双向驱动，实现流域运行管理的仿真、决策、优化和可视。智慧流域各业务应用场景在信息空间均应有其对应的数字孪生体，以实现对各业务实体的运行状态、性能、活动等实时监控、模拟、预测、诊断和控制。本文智慧流域数字孪生体主要包括综合监管孪生体、水资源管理孪生体、水生态修复孪生体、水环境保护孪生体、水灾害防御孪生体以及政务和公共服务孪生体的构建[8,9]。
2.1 综合监管孪生体
(1）信息全息展示。面向全流域快速汇集数据，构建全面掌握流域涉水信息、实现信息智慧化联动展示的孪生体。依托模型云、算法库、知识库等技术基础，及时发现问题，启动相关业务分析处理，监督执行情况，实现监管方案的结果跟踪、综合比对与分析评价。
(2）业务协同。针对各业务、区域提出的需求，根据所涉及的相关业务，构建综合分析、协调处置和智能决策孪生体，实现服务于流域综合管理的协同支撑，提升监管效能。
2.2 水资源管理孪生体
(1）水资源动态监控评价。构建水资源动态监控评价孪生体，实现水资源实时监控，在信息空间利用水资源评价模型，按不同时间和空间尺度分析评价流域水资源状况和开发利用现状。
(2）水资源优化配置。协调多水源供水、多目标用水之间的关系，构建水资源优化配置孪生体，针对流域生态环境用水严重不足的情况，在优先保障流域内基本生态和居民生活用水的基础上，统筹考虑各方面用水需求，对多水源进行联合配置。
(3）水资源联合调度管理。利用气象预报和实时监测数据，构建水资源联合调度管理孪生体，掌握径流变化，预测来水情况，综合考虑流域内各水利工程的调度能力、效果和用水需求，生成精细化动态联合调度方案。
(4）取水节水管理。基于信息空间取水节水孪生体，实时监控取用水情况，按不同尺度分析用水情况，结合用水总量控制指标、取水许可、用水计划和定额等相关指标，实现异常情况报警、用水效率和节水水平分析。
2.3 水生态修复孪生体
(1）水生态分析评价。利用遥感、视频及人工智能识别等技术，结合舆情感知、问题上报、监督检查等多源信息，构建涵盖各环节业务的闭环数字孪生工作平台，及时掌握水生态空间变化，提供巡查管理、现场调度、绩效考核等辅助功能，实现河湖水域岸线的空间管控。
(2）地下水保护。以浅层地下水为主要监控目标，兼顾已开发利用的深层地下水，构建地下水保护孪生体，对超采区和水源地、外调水受水区、海水入侵区等重点地区地下水进行监控，同时，利用孪生体地下水数值模拟分析方法，预测地下水变化情况，评价降雨、开采、生态补水、海水倒灌等因素对地下水的影响。
(3）水土保持。基于水土保持孪生体，在信息空间划分水土保持业务管理最小单元，实现流域水土流失综合治理、水土保持预防监督、水土保持监测管理等业务信息的采集编辑、检索浏览、统计分析、输出调用等智能化、一体化联动管理。
2.4 水环境保护孪生体
(1）水质分析预测。以水功能区、水源地、行政区界、引调水沿线、河口为重点监控水质状况，围绕水质目标和污染物排放总量控制指标，构建水质分析预测孪生体，加强污染源监控、分析和风险预警，实现不同来水条件、调水方案、灌溉模式和排污控制措施影响下的水质变化分析预测。
(2）水污染应急处置。整合监测、调查及外行业数据，以风险防控为目标，构建水污染应急处置孪生体，分析预判潜在风险源和易发生地点，及时识别、跟踪突发水污染事件，利用水污染模型实现污染模拟、风险分析、处置方案推演和优选，构建信息服务、沟通交互、过程记录、信息发布、效果评估、措施分析等支撑服务。
2.5 水灾害防御孪生体
(1）防汛抗旱。以事件为主线跟踪流域洪水和干旱事态，构建流域防汛抗旱孪生体，基于实时数据、历史数据、孪生数据和专业模型，进行流域防汛抗旱的仿真、决策、优化和可视，打造多维智能分析、水工程联合调度、多目标调度情景模拟、场景式全周期记录的决策支持全链条。
(2）工程建设和安全运行。以水库、堤防、闸坝等水利工程为管理重点，利用三维模型、视频、传感等技术实现工程风险动态感知，构建工程建设和安全运行数字孪生体，实现工程安全状态监控、评估和风险预警；同时，建设工程安全数字孪生管理平台，实现水利工程建设和运行全周期的安全监管。
2.6 政务服务孪生体
围绕流域资产、项目规划、财务、扶贫、机关事务等行政事务，利用信息融合共享、流程优化再造等手段，构建政务服务孪生体，促进政务服务的规范化和跨部门的政务协同，对监督检查工作提供全流程支撑。
2.7 公共服务孪生体
(1）信息服务。面向社会公众，提供生产、生活和娱乐等活动所需与水相关的信息服务，构建包括灾害事件预警预报、用水节水指导建议等信息服务孪生体，并向相关管理、科研、生产经营等单位，提供信息服务。
(2）事务服务。基于事务服务孪生体，构建行政审批办理平台，实现行政审批事项的在线办理和信息公开；构建水权交易平台，为地区间、行业间、用水户间开展水权交易提供管理工具，促进水权交易的规范和统一管理。
(3）信息交流。汇集互联网涉水信息，构建信息交流孪生体，通过大数据智能分析，提取有效信息内容，筛选热点信息，预测舆情发展，归类业务方向，为有效的公共服务工作提供依据。
3 数字孪生驱动的智慧流域平台总体设计
3.1 总体架构
平台基于B/S结构进行总体架构设计，包含物理层、数据层、业务逻辑层、数字孪生体和用户交互层5个层级，并通过相关标准规范体系和安全保障体系确保平台规范、安全和高效运行[10,11,12]，总体架构如图4所示。
平台主要包括物理层、数据层、业务逻辑层、数字孪生体、用户交互层5个层级[13,14,15,16,17]。
(1）物理层。物理层是整个数字孪生体系的基础支撑，包含空天地一体化感知设备和物理实体模型，负责信息高效采集与安全传输，二者共同支撑在信息空间中各类实体、环境、信息等全要素、全生命周期的描述和建模。
(2）数据层。数据层主要实现数据交换、融合、存储、处理、共享等功能，同时集成大数据、云计算、虚拟化等技术，为整个孪生平台提供基础数据支撑。包括物理世界中相关实体的GIS,BIM,Io T等镜像模型数据、实时数据、历史数据和孪生数据，具备大吞吐量和高可用性等处理性能。
(3）业务逻辑层。业务逻辑层借助GIS,BIM,Io T数据融合与集成、人工智能、仿真模拟、决策控制、数字孪生可视化，通过孪生体与物理实体在位置、几何、行为、规则等方面精确的映射关系，构建信息空间中各类实体、环境、参数的模拟仿真和决策支持模型，实现流域在不同工况、环境下的水资源、水生态、水环境、水灾害等的管理。
(4）数字孪生体。数字孪生体与物理实体对象一一对应，包括在各类工况下与智慧流域平台互为镜像的综合监管、水资源管理、水生态修复、水环境保护、水灾害防御以及政务和公共服务，实现虚实之间的信息实时互动、孪生体更新、数据模型驱动、模拟仿真决策等。
(5）用户交互层。用户交互层以Web门户终端、移动端、VR/AR/MR端等多端形式提供多场景的业务管理和交互界面。
平台基于自主研发的三维GIS平台框架，集成空间地理数据（影像、地形、矢量、专题数据、三维实景模型等）、BIM模型数据、物联网感知数据，采用主流先进的前后端分离的开发模式进行构建。前端选用Angular,Web GL平台框架进行用户交互和三维呈现；后台选用C++,Java EE WEB,Python体系架构进行业务逻辑和算法实现；数据库采用My SQL,Postgre SQL,Mongo DB实现空间数据、BIM数据和属性数据的存储与管理，由此构建数字孪生驱动的智慧流域平台，并基于HTTP协议的REST Web服务架构实现专业模型的数据交换和业务集成。总体实现方式保障整个数字孪生平台的扩展性、兼容性和先进性。
4 数字孪生驱动的智慧流域平台应用实践
智慧流域在信息空间孪生体众多，以湖北省十堰市堵河流域水库群防洪联合调度管控系统为例，进行智慧流域数字孪生平台应用实践，平台融合了堵河流域空间地理数据、BIM模型数据、三维实景模型数据以及实时水雨工情等物联网数据，集成了流域水库群水文预报、洪水演进、防洪调度等专业模型，通过在信息空间里建立与物理世界互为映射关系的数字孪生体，构建了多尺度、多层级的流域水库群监测、诊断、分析、决策和预测等应用，其孪生体构建流程如图5所示，平台部分功能页面如图6～10所示。
应用实践表明：数字孪生驱动的智慧流域平台在信息空间内集成了海量多源异构数据，融合流域管理各类专业模型，提升了信息空间模拟仿真的运行效率和表达效果，实现了全要素、多角度、深层次的仿真决策；同时借助大数据、云计算、人工智能等技术，在信息检索、统计分析、水文预报、防洪调度、方案推演、决策对比等方面具有快速、高效、精准、可视等优点，可为流域管理提供决策依据、提高治理水平。
5 总结与展望
5.1 总结
本文基于GIS,BIM,IoT，人工智能等技术，利用数字孪生在信息空间中对流域管理、外部工况、实体环境等进行描述建模，实现物理空间与信息空间的动态链接和实时交互，建立数字孪生驱动的智慧流域平台。相比传统数据库管理或二维平面管理中存在的信息不全、精度不够、反馈滞后、表达单一等问题，数字孪生驱动的智慧流域平台通过对物理实体在位置、几何、行为、规则等方面的全要素重建，结合实时数据、历史数据、孪生数据和专业模型，并根据流域实际状况和防洪形势等内外环境的变化，构建流域物理世界与信息世界的交互融合的孪生系统，实现流域管理在外部环境下的仿真、决策、优化和可视。平台的研究与实践提供了应对外部复杂环境变化的有效决策，实现了数据驱动、虚实同步、动态修正、高效协同的管理理念，达到了流域治理以虚控实的管控目的。
5.2 展望
数字孪生初步实现了工业制造、建筑、水利方面的虚实交互、共同演化，但在一些领域尚存疑问和争论，仍处于探索阶段，普及程度尚有欠缺，借助当下5G、北斗卫星、区块链等技术在数据采集和处理方面的优势，可进一步增强实体要素之间联系，促进各要素深度融合交互，提升各孪生体之间交互协作，有助于建立更为完善、强大的数字孪生体。
本期编辑：江文本期审核：《水利水电快报》编辑部文中未列参考文献及英文摘要，详见原文
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