数字孪生流域不简单~

由于数字孪生流域政策的推动，水利行业信息化也成为了相关数字孪生厂商关注的重点，从2月22日数字孪生小浪底项目，黄河勘测规划设计研究院有限公司、中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司和黄河水利委员会黄河水利科学研究院联合体8320万中标，从建设内容上来看，总体上是遵循数字孪生流域的建设大纲中的软件和数据部分，主要内容包括 数字底板、模型平台以及知识平台相三大部分，从级别上看这还是属于工程级别的数字孪生，所以行业总量上充满了想象空间；

更为吸睛的是，最近4月26日山东省水利厅小型水库雨水工情自动测报和水库安全运行及防洪调度项目，149家供应商参与竞争，最终10个供应商以285664万中标，山东在政策响应落地方面通常都跑得比较前，包括实景三维中国类的项目等。虽然从建设内容上看似乎和数字孪生流域没有直接的关系，但是通过构建现代会的监测体系是数字孪生的基础，如果没有这些基础支撑，上层的数字孪生也只能是“无水之源”。

另外值得一提的是，单这个项目的总额度就已经远远超过了2021年“智慧水利”类型项目的总和，2021年“智慧水利”项目的总额度为21766万，所以总体规模大是第一个不简单。

从水利部2021年11月29日颁布的《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》中可以看出，在顶层规划上，智慧水利的工作目标可以分为三个阶段：

• 到2025年，通过建设数字孪生流域、“2+N”水利智能业务应用体系、水利网络安全体系、智慧水利保障体系，推进水利工程智能化改造，建成七大江河数字孪生流域，在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，N项业务应用水平明显提升，建成智慧水利体系1.0版。

• 到2030年，具有防洪任务的河湖全面建成数字孪生流域，水利业务应用的数字化、网络化、智能化水平全面提升，建成智慧水利体系2.0版。

• 到2035年，各项水利治理管理活动全面实现数字化、网络化、智能化。

所以“智慧水利”以及“数字孪生流域”是一件节奏感比较清晰的事情。

另外如果我们将数字孪生流域按照建设内容进行打开，可以发现数字孪生流域主体分为：数字孪生平台和信息基础设施建设，其中水利感知网也是关键建设内容，所以这部分也是呼应了上面山东的那个项目，但是对于数字孪生相关的厂商来说，这个事情有多大的机会可以争取或者以什么样的方式去争取是值得讨论的，从当前的中标结果上来看，能够承担这类的项目的厂商主要还是以勘测、设计类的研究院公司为主，数字孪生厂商更多的应该还是在下游做具体的支持，在这一点上“数字孪生流域”的行业属性可能比城市信息模型基础平台的行业属性更强，对于GIS公司来说距离感也更强，所以从商务模式上来说，这是第二个不简单。

从建设内容上来看，数字孪生的三大块组成，其中数据底板相应的业务属性不强，主体的框架和其他的“新基建”数字孪生平台差别不是很大，比较特殊的就是模型平台和知识平台，这两块的专业属性比较强，一般的数字孪生公司或者GIS公司承担的难度都比较大，尤其是类似于水利专业模型以及智能模型的建设，从要求上来看，主要是建设标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用，其中包括水利专业模型、智能模型、可视化模型和数字模拟仿真引擎，这是从“看一看”到“用一用”的过度，从技术难度上来说，这是第三个不简单。

之前也也和相应的行业人聊过，针对这种情况，他们的意见大多还是只做可视化层面，向下的难度会比较大，投入和产出会不成正比，但是从技术角度而言，数字孪生如果想实现更大层面上的宏大叙事，对于各行业物理规律的集成和耦合还是非常有必要的。

一般情况下数值模型的建立过程是遵循如下的过程：

（1） 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。

（2）寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。

（3）编制程序和进行计算，这部分工作包括计算网格划分、初始化和边界条件的输入、控制参数的设定等。

（4）显示计算结果。

所以基于这个过程，从《水沙数学模型与可视化系统的集成研究》这篇论文可以看出常见的水利专业模型和可视化的集成可以分为：前处理、计算模块和后处理三部分，虽然这篇论文久远，但是这应该是最容易实现的一个过程，相关的计算模块封装成单独的动态链接库或者是可执行程序，可视化程序在输入和输出两个环节上进行交互控制，驱动计算模块进行执行，相互之间松散耦合。

但是这种集成本质上还是三张皮、“数据、计算模块、可视化”都是彼此独立的，第一个问题、比如在数据上，数据底板平台只是负责输出平台的空间数据、然后水利计算模块还是会按照原有的流程进行处理、最后再将结果的数据转换成可视化能够接受的模式进行可视化；第二个问题、计算过程是黑盒、可视化程序其实很难反映计算过程；

所以要形成一体化的平台就需要在数据模型、接口集成以及可视化集成方面都应该有所打通；

一、首先在数据模型方面，数值模型通常使用计算网格来进行数据的组织，这种网格很类似于 GIS 栅格数据及不规则三角网空间数据结构，所以在网格生成上的数据模型以及技术的融合则成为了可能，万洪涛在2001年就开始尝试使用GIS网格生成方法应用到二维洪水模型网格的建立上，

通过这样的集成和融合是可以实现在前处理阶段进行二者的打通，同时基于一致化的网格模型构建能力，还可以实现模型与模型之间的耦合和交换，对于地下水模型，可以使用规则或不规则的二维或三维网格，而河流模型通常使用一维网格，地下水模型网格由 GE1、GE2、GE3 和 GE4 四个元素组成，这些元素的类型为 Polygon，这些多边形的每个角都是一个顶点，每个顶点都有坐标。

河流模型的网格每个分支都是 PolyLine 类型的元素。每个折线元素将有两个顶点，在线的每一端都有一个。

假设要将河流模型和地下水模型链接起来，以便将有关地下水泄漏的信息从河流模型传输到地下水模型，就需要地下水模型调用河流模型泄漏量时，河流模型必须返回表示在请求的时间内进入地下水模型中每个元素的泄漏量，而这就可以通过一些插值或者是映射转换来实现，而这些都在GIS的能力范围之内，所以完全可以将GIS的能力作为中枢实现上层模型数据的互通。

二、接口集成方面，其实对于很多专业的水利模型的开发本身也是只服务于项目目的，之前和一个做水文的团队合作，他们还是习惯于使用Matlab做方法验证，然后使用Fortran进行程序的开发，过程中也没有考虑组件化或者服务化的共享，所以这也就造成了在后期模型之前的互通是存在问题的。

在2001年，为简化相关水文模型之间的联接, 欧盟委员会资助一个名为HarmonIT的研究项目， 以开发和应用一个欧洲开放建模接口规范，2007发布了OpenMI 规范的更新版本。

OpenMI-规范(开放式模型界面)定义了一个接口规范, 它允许相关模型之间在运行时在内存中交换数据。符合OpenMI规范的数学模型之间可以-边运行边共享信息(例如在每个时间步段)，使得在模型在运行阶段的集成成为可能。开发OpenMI-规范的目的在于方便模型的集成，这有助于理解和预测相关物理过程的相互影响，并提供了环境管理的综合方法，单独的模型适合成为 OpenMI 组件，然后组装成组合，OpenMI 基于“请求和回复”机制和基于拉取的管道和过滤器架构，它由通信组件（源组件和目标组件）组成。

2014 年7月1日，开放地理空间联盟 (OGC®) 成员已批准开放建模接口标准版本 2 (OpenMI) 作为 OGC 标准，所以在这点上，OpenMI成为水文和GIS互通的一个接口规范。

三、最后一个可视化集成上，基础三维数据的表达方式分为这下几种：表面网格、体素模型、点云模型、多视图合成模型（NeRF就是属于这个类型，目前是个热点）；当前大多数数据可视化方面采用的数据模型还是以能够更好的呈现可视化效果的表面模型为主，但是这类模型在表达离散数据表达上，包括分析支持上其实并不一定都合适，对于数值分析的结果大多数还是以时序化的离散的网格数据为主，这些网格数据可以是标量也可以是矢量，所以在表现手段上就需要扩展矢量场以及标量场的表达方式，这边想多说一点的就是体素模型的支持上，所谓的体素模型其实就可以简单理解为三维的栅格，这种模型结构简单，可以隐式表达拓扑所以可以支持一些比较高效的计算，但是分辨率高的情况下数据量比较大，针对一些三维的标量场的输出就需要借助这种表达方式进行模拟结果呈现，体素模型目前在SuperMap以及ArcGIS中都已经支持。

所以，总的来说，由于一些行业专业知识的壁垒，导致数字孪生或者GIS厂商对于数字孪生流域会产生一定的距离感，但是从更大的视角上去看，数字孪生流域可以更深度的促进感知、物理模式以及地理信息的充分融合，根本上不简单，但是长远来看是一件值得探索的事情~