數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺研究與設(shè)計(jì)

饒小康 馬瑞 張力 柳嘉

摘要：流域管理涉及水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害等眾多問題，以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，將GIS，BIM，IoT融合的數(shù)字孿生與流域管理相結(jié)合，建立數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及模型集成與可視化表達(dá)方法，研究數(shù)字孿生運(yùn)行機(jī)制，構(gòu)建智慧流域?qū)\生體，設(shè)計(jì)數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺。以堵河流域水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度管控為例進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)踐證明：相比傳統(tǒng)流域數(shù)據(jù)庫管理或二維平面管理中的信息不全、精度不夠、反饋滯后、表達(dá)單一等問題，數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺可在空間地理數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合與交互的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)、模型雙向驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境下的仿真、決策、優(yōu)化和可視，其管控效果優(yōu)于傳統(tǒng)手段。平臺的研究與實(shí)踐可實(shí)現(xiàn)流域管理實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷、分析、決策和預(yù)測，為其智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控和安全運(yùn)維提供一種新的解決思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智慧流域平臺;GIS+BIM+IoT;融合與集成

中圖法分類號：TV87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.021

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0117 - 07

0 引 言

流域 “四水同治”對水資源保護(hù)、水生態(tài)治理、水環(huán)境整治、水災(zāi)害防御以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義，隨著治水工作重點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，新形勢下對流域管理提出了更高的要求。水利部《智慧水利總體方案》提出了“推進(jìn)國家水治理體系和治理能力現(xiàn)代化”等目標(biāo)。將新一代信息技術(shù)運(yùn)用于流域管理將有助于提高流域治理和管理水平。

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT），指充分利用現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)體模型，集成多學(xué)科、多專業(yè)知識在數(shù)字空間內(nèi)完成“孿生鏡像”、反映現(xiàn)實(shí)物理世界運(yùn)行過程的數(shù)字映射系統(tǒng)。相比以往數(shù)據(jù)庫管理或二維平面管理中存在信息不全、精度不夠、反饋滯后、表達(dá)單一等問題，數(shù)字孿生充分利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)以及實(shí)體模型，集成多維模擬過程，在數(shù)字空間內(nèi)針對物理空間場景中的人、機(jī)、物、工況、環(huán)境等要素進(jìn)行全業(yè)務(wù)流程、全生命周期的描述與建模，構(gòu)建融合交互、高效協(xié)同的數(shù)字孿生體，最終實(shí)現(xiàn)物理空間資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代和動態(tài)優(yōu)化[1]。李德仁[2-3]表示數(shù)字孿生是物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界虛實(shí)之間雙向映射、動態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，將物理實(shí)體和系統(tǒng)的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能映射到虛擬世界。借助數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)長江流域生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害的智能管理，通過實(shí)時(shí)的協(xié)同系統(tǒng)，利用上萬個(gè)傳感器采集上億個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便能獲知各類信息并及時(shí)分析、決策。

本文借助GIS，BIM，IoT及人工智能等新興技術(shù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)在信息空間中對流域要素、外部工況、環(huán)境等實(shí)體進(jìn)行忠實(shí)復(fù)刻，通過數(shù)據(jù)、模型雙向驅(qū)動，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生驅(qū)動智慧流域平臺。通過數(shù)字孿生體與物理實(shí)體在位置、幾何、行為、規(guī)則等方面精確的映射關(guān)系，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)和專業(yè)模型，針對流域管理進(jìn)行實(shí)時(shí)、交互的仿真、決策、優(yōu)化和可視，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實(shí)同步、動態(tài)修正、高效協(xié)同，為流域管理智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控和安全運(yùn)維提供一種新的解決思路。

1 數(shù)字孿生融合與集成

1.1 數(shù)據(jù)融合與集成方法

將微觀領(lǐng)域的BIM數(shù)據(jù)與宏觀領(lǐng)域的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與交換，使GIS從室外走進(jìn)室內(nèi)、從地面走進(jìn)地下、從宏觀走進(jìn)微觀，可在多個(gè)領(lǐng)域得到深層次的應(yīng)用。同時(shí)，IoT數(shù)據(jù)本身無法與建筑物實(shí)體的空間位置信息和幾何信息產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，需與 GIS建立宏觀地理環(huán)境信息、與BIM建立微觀建筑模型信息進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建數(shù)字孿生全要素信息，如圖1所示。與GIS，BIM，IoT單獨(dú)應(yīng)用相比，三者的集成與融合在建模質(zhì)量、仿真 精度、決策效率、渲染表達(dá)等方面都有著明顯的優(yōu)勢[4]。

平臺針對大規(guī)?？臻g地理數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，研究GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)之間幾何差異和語義信息差異，分析二者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（IFC，CityGML等）之間的異同，通過幾何數(shù)據(jù)、坐標(biāo)系統(tǒng)、屬性信息等的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)BIM模型與3D GIS模型的轉(zhuǎn)換融合，最終實(shí)現(xiàn)GIS，BIM，IoT的集成與融合（圖1）。

自主研發(fā)三維GIS平臺，支持AUTODESK，BENTLEY，CATIA等BIM 主流數(shù)據(jù)的無損接入，超百萬級部件的 BIM 模型實(shí)時(shí)加載，通過實(shí)例化技術(shù)、LOD（多細(xì)節(jié)層次）技術(shù)、輕量化處理技術(shù)以及三維緩存技術(shù)等，對BIM性能進(jìn)行優(yōu)化，解決BIM 精細(xì)化模型在大場景展示時(shí)資源浪費(fèi)、加載卡頓等問題;同時(shí)利用WebGL技術(shù)，通過對計(jì)算機(jī)底層GPU的調(diào)用實(shí)現(xiàn)三維場景的可視化渲染，建立BIM模型與3DGIS服務(wù)集成方法，結(jié)合Web及移動端技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨平臺、跨終端的三維場景分析及管理服務(wù)。

1.2 數(shù)字孿生運(yùn)行機(jī)制

數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺集成先進(jìn)的物聯(lián)感知、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、無線通信和自動控制技術(shù)，通過在信息空間內(nèi)對物理實(shí)體從位置、幾何、行為、規(guī)則等方面進(jìn)行全要素、多維度描述與建模，建立物理空間與信息空間的動態(tài)鏈接和實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)、模型雙向驅(qū)動的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，達(dá)到虛實(shí)融合、同步互聯(lián)的閉環(huán)優(yōu)化[5]，其運(yùn)行機(jī)制如圖2所示。

平臺基于物聯(lián)網(wǎng)采集的水雨工情、地質(zhì)等基礎(chǔ)信息，集成水文預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、洪水演進(jìn)、水生態(tài)承載力、水資源優(yōu)化配置、污染物運(yùn)移等專業(yè)模型，在三維GIS空間內(nèi)建立與BIM模型全要素映射和實(shí)時(shí)融合交互，對各類工況、環(huán)境、參數(shù)條件下智慧流域進(jìn)行仿真驅(qū)動，生成相應(yīng)流域管理仿真決策方案，及時(shí)進(jìn)行會商發(fā)布并提供決策支持?；趯\生系統(tǒng)全面感知、信息交互、深度分析、科學(xué)決策的運(yùn)行機(jī)制，可提升整個(gè)工程的組織和決策能力，實(shí)現(xiàn)整體資源優(yōu)化配置、各功能模塊統(tǒng)一調(diào)度，提高孿生平臺協(xié)作效率。

1.3 數(shù)字孿生可視化表達(dá)方法

空間地理數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生驅(qū)動智慧流域的數(shù)字底板，是物理空間智慧流域各類信息在信息空間中的孿生重建。如何在信息空間中對智慧流域復(fù)雜的環(huán)境、工況和演進(jìn)進(jìn)行全方位、多視角、深層次的可視化表達(dá)是數(shù)字孿生研究的關(guān)鍵內(nèi)容[6-7]。

平臺針對海量多源時(shí)空數(shù)據(jù)、BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了多種可視化表達(dá)方法，包括：①三維復(fù)雜模型自動簡化方法，提高三維場景的存儲效率和加載速度;②全空間三維信息可視化方法，保障模型在不同場景下無縫銜接;③場景自適應(yīng)可視化方法，滿足不同用戶視角場景下模型加載自適應(yīng);④物理環(huán)境仿真可視化方法，實(shí)現(xiàn)信息空間真實(shí)環(huán)境高逼真渲染，如圖3所示。

自主研發(fā)三維GIS平臺建立數(shù)字孿生可視化表達(dá)方法，無縫集成海量多源時(shí)空數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立宏觀、中觀、微觀一體化管理、大規(guī)模三維場景集成調(diào)度、全空間多尺度多層次表達(dá)方法，實(shí)現(xiàn)信息空間數(shù)字孿生重建。

2 智慧流域數(shù)字孿生體構(gòu)建

基于數(shù)字孿生的智慧流域旨在信息空間建立一個(gè)與物理實(shí)體精確映射、交融互動的智慧流域數(shù)字孿生體，建立全流域、全要素、全生命周期的智能感知，構(gòu)建基于GIS+BIM+IoT的數(shù)字模型，通過數(shù)據(jù)、模型雙向驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)流域運(yùn)行管理的仿真、決策、優(yōu)化和可視。智慧流域各業(yè)務(wù)應(yīng)用場景在信息空間均應(yīng)有其對應(yīng)的數(shù)字孿生體，以實(shí)現(xiàn)對各業(yè)務(wù)實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)、性能、活動等實(shí)時(shí)監(jiān)控、模擬、預(yù)測、診斷和控制。本文智慧流域數(shù)字孿生體主要包括綜合監(jiān)管孿生體、水資源管理孿生體、水生態(tài)修復(fù)孿生體、水環(huán)境保護(hù)孿生體、水災(zāi)害防御孿生體以及政務(wù)和公共服務(wù)孿生體的構(gòu)建[8-9]。

2.1 綜合監(jiān)管孿生體

（1） 信息全息展示。面向全流域快速匯集數(shù)據(jù)，構(gòu)建全面掌握流域涉水信息、實(shí)現(xiàn)信息智慧化聯(lián)動展示的孿生體。依托模型云、算法庫、知識庫等技術(shù)基礎(chǔ)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，啟動相關(guān)業(yè)務(wù)分析處理，監(jiān)督執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管方案的結(jié)果跟蹤、綜合比對與分析評價(jià)。

（2） 業(yè)務(wù)協(xié)同。針對各業(yè)務(wù)、區(qū)域提出的需求，根據(jù)所涉及的相關(guān)業(yè)務(wù)，構(gòu)建綜合分析、協(xié)調(diào)處置和智能決策孿生體，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于流域綜合管理的協(xié)同支撐，提升監(jiān)管效能。

2.2 水資源管理孿生體

（1） 水資源動態(tài)監(jiān)控評價(jià)。構(gòu)建水資源動態(tài)監(jiān)控評價(jià)孿生體，實(shí)現(xiàn)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控，在信息空間利用水資源評價(jià)模型，按不同時(shí)間和空間尺度分析評價(jià)流域水資源狀況和開發(fā)利用現(xiàn)狀。

（2） 水資源優(yōu)化配置。協(xié)調(diào)多水源供水、多目標(biāo)用水之間的關(guān)系，構(gòu)建水資源優(yōu)化配置孿生體，針對流域生態(tài)環(huán)境用水嚴(yán)重不足的情況，在優(yōu)先保障流域內(nèi)基本生態(tài)和居民生活用水的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮各方面用水需求，對多水源進(jìn)行聯(lián)合配置。

（3） 水資源聯(lián)合調(diào)度管理。利用氣象預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建水資源聯(lián)合調(diào)度管理孿生體，掌握徑流變化，預(yù)測來水情況，綜合考慮流域內(nèi)各水利工程的調(diào)度能力、效果和用水需求，生成精細(xì)化動態(tài)聯(lián)合調(diào)度方案。

（4） 取水節(jié)水管理?；谛畔⒖臻g取水節(jié)水孿生體，實(shí)時(shí)監(jiān)控取用水情況，按不同尺度分析用水情況，結(jié)合用水總量控制指標(biāo)、取水許可、用水計(jì)劃和定額等相關(guān)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警、用水效率和節(jié)水水平分析。

2.3 水生態(tài)修復(fù)孿生體

（1） 水生態(tài)分析評價(jià)。利用遙感、視頻及人工智能識別等技術(shù)，結(jié)合輿情感知、問題上報(bào)、監(jiān)督檢查等多源信息，構(gòu)建涵蓋各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的閉環(huán)數(shù)字孿生工作平臺，及時(shí)掌握水生態(tài)空間變化，提供巡查管理、現(xiàn)場調(diào)度、績效考核等輔助功能，實(shí)現(xiàn)河湖水域岸線的空間管控。

（2） 地下水保護(hù)。以淺層地下水為主要監(jiān)控目標(biāo)，兼顧已開發(fā)利用的深層地下水，構(gòu)建地下水保護(hù)孿生體，對超采區(qū)和水源地、外調(diào)水受水區(qū)、海水入侵區(qū)等重點(diǎn)地區(qū)地下水進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，利用孿生體地下水?dāng)?shù)值模擬分析方法，預(yù)測地下水變化情況，評價(jià)降雨、開采、生態(tài)補(bǔ)水、海水倒灌等因素對地下水的影響。

（3） 水土保持。基于水土保持孿生體，在信息空間劃分水土保持業(yè)務(wù)管理最小單元，實(shí)現(xiàn)流域水土流失綜合治理、水土保持預(yù)防監(jiān)督、水土保持監(jiān)測管理等業(yè)務(wù)信息的采集編輯、檢索瀏覽、統(tǒng)計(jì)分析、輸出調(diào)用等智能化、一體化聯(lián)動管理。

2.4 水環(huán)境保護(hù)孿生體

（1） 水質(zhì)分析預(yù)測。以水功能區(qū)、水源地、行政區(qū)界、引調(diào)水沿線、河口為重點(diǎn)監(jiān)控水質(zhì)狀況，圍繞水質(zhì)目標(biāo)和污染物排放總量控制指標(biāo)，構(gòu)建水質(zhì)分析預(yù)測孿生體，加強(qiáng)污染源監(jiān)控、分析和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)不同來水條件、調(diào)水方案、灌溉模式和排污控制措施影響下的水質(zhì)變化分析預(yù)測。

（2） 水污染應(yīng)急處置。整合監(jiān)測、調(diào)查及外行業(yè)數(shù)據(jù)，以風(fēng)險(xiǎn)防控為目標(biāo)，構(gòu)建水污染應(yīng)急處置孿生體，分析預(yù)判潛在風(fēng)險(xiǎn)源和易發(fā)生地點(diǎn)，及時(shí)識別、跟蹤突發(fā)水污染事件，利用水污染模型實(shí)現(xiàn)污染模擬、風(fēng)險(xiǎn)分析、處置方案推演和優(yōu)選，構(gòu)建信息服務(wù)、溝通交互、過程記錄、信息發(fā)布、效果評估、措施分析等支撐服務(wù)。

2.5 水災(zāi)害防御孿生體

（1） 防汛抗旱。以事件為主線跟蹤流域洪水和干旱事態(tài)，構(gòu)建流域防汛抗旱孿生體，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)和專業(yè)模型，進(jìn)行流域防汛抗旱的仿真、決策、優(yōu)化和可視，打造多維智能分析、水工程聯(lián)合調(diào)度、多目標(biāo)調(diào)度情景模擬、場景式全周期記錄的決策支持全鏈條。

（2） 工程建設(shè)和安全運(yùn)行。以水庫、堤防、閘壩等水利工程為管理重點(diǎn)，利用三維模型、視頻、傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)感知，構(gòu)建工程建設(shè)和安全運(yùn)行數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)工程安全狀態(tài)監(jiān)控、評估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警;同時(shí)，建設(shè)工程安全數(shù)字孿生管理平臺，實(shí)現(xiàn)水利工程建設(shè)和運(yùn)行全周期的安全監(jiān)管。

2.6 政務(wù)服務(wù)孿生體

圍繞流域資產(chǎn)、項(xiàng)目規(guī)劃、財(cái)務(wù)、扶貧、機(jī)關(guān)事務(wù)等行政事務(wù)，利用信息融合共享、流程優(yōu)化再造等手段，構(gòu)建政務(wù)服務(wù)孿生體，促進(jìn)政務(wù)服務(wù)的規(guī)范化和跨部門的政務(wù)協(xié)同，對監(jiān)督檢查工作提供全流程支撐。

2.7 公共服務(wù)孿生體

（1） 信息服務(wù)。面向社會公眾，提供生產(chǎn)、生活和娛樂等活動所需與水相關(guān)的信息服務(wù)，構(gòu)建包括災(zāi)害事件預(yù)警預(yù)報(bào)、用水節(jié)水指導(dǎo)建議等信息服務(wù)孿生體，并向相關(guān)管理、科研、生產(chǎn)經(jīng)營等單位，提供信息服務(wù)。

（2） 事務(wù)服務(wù)。基于事務(wù)服務(wù)孿生體，構(gòu)建行政審批辦理平臺，實(shí)現(xiàn)行政審批事項(xiàng)的在線辦理和信息公開;構(gòu)建水權(quán)交易平臺，為地區(qū)間、行業(yè)間、用水戶間開展水權(quán)交易提供管理工具，促進(jìn)水權(quán)交易的規(guī)范和統(tǒng)一管理。

（3） 信息交流。匯集互聯(lián)網(wǎng)涉水信息，構(gòu)建信息交流孿生體，通過大數(shù)據(jù)智能分析，提取有效信息內(nèi)容，篩選熱點(diǎn)信息，預(yù)測輿情發(fā)展，歸類業(yè)務(wù)方向，為有效的公共服務(wù)工作提供依據(jù)。

3 數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺總體設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

平臺基于B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，包含物理層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)字孿生體和用戶交互層5個(gè)層級，并通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系確保平臺規(guī)范、安全和高效運(yùn)行[10-12]，總體架構(gòu)如圖4所示。

3.2 總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺主要包括物理層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)字孿生體、用戶交互層5個(gè)層級[13-17]。

（1） 物理層。物理層是整個(gè)數(shù)字孿生體系的基礎(chǔ)支撐，包含空天地一體化感知設(shè)備和物理實(shí)體模型，負(fù)責(zé)信息高效采集與安全傳輸，二者共同支撐在信息空間中各類實(shí)體、環(huán)境、信息等全要素、全生命周期的描述和建模。

（2） 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、融合、存儲、處理、共享等功能，同時(shí)集成大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)，為整個(gè)孿生平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。包括物理世界中相關(guān)實(shí)體的GIS，BIM，IoT等鏡像模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和孿生數(shù)據(jù)，具備大吞吐量和高可用性等處理性能。

（3） 業(yè)務(wù)邏輯層。業(yè)務(wù)邏輯層借助GIS，BIM，IoT數(shù)據(jù)融合與集成、人工智能、仿真模擬、決策控制、數(shù)字孿生可視化，通過孿生體與物理實(shí)體在位置、幾何、行為、規(guī)則等方面精確的映射關(guān)系，構(gòu)建信息空間中各類實(shí)體、環(huán)境、參數(shù)的模擬仿真和決策支持模型，實(shí)現(xiàn)流域在不同工況、環(huán)境下的水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害等的管理。

（4） 數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體與物理實(shí)體對象一一對應(yīng)，包括在各類工況下與智慧流域平臺互為鏡像的綜合監(jiān)管、水資源管理、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境保護(hù)、水災(zāi)害防御以及政務(wù)和公共服務(wù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間的信息實(shí)時(shí)互動、孿生體更新、數(shù)據(jù)模型驅(qū)動、模擬仿真決策等。

（5） 用戶交互層。用戶交互層以Web門戶終端、移動端、VR/AR/MR端等多端形式提供多場景的業(yè)務(wù)管理和交互界面。

平臺基于自主研發(fā)的三維GIS平臺框架，集成空間地理數(shù)據(jù)（影像、地形、矢量、專題數(shù)據(jù)、三維實(shí)景模型等）、BIM模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)，采用主流先進(jìn)的前后端分離的開發(fā)模式進(jìn)行構(gòu)建。前端選用Angular，WebGL平臺框架進(jìn)行用戶交互和三維呈現(xiàn);后臺選用C++，JavaEE WEB，Python體系架構(gòu)進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯和算法實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)庫采用MySQL，PostgreSQL，MongoDB實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲與管理，由此構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺，并基于HTTP協(xié)議的REST Web服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型的數(shù)據(jù)交換和業(yè)務(wù)集成?？傮w實(shí)現(xiàn)方式保障整個(gè)數(shù)字孿生平臺的擴(kuò)展性、兼容性和先進(jìn)性。

4 數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺應(yīng)用實(shí)踐

智慧流域在信息空間孿生體眾多，以湖北省十堰市堵河流域水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度管控系統(tǒng)為例，進(jìn)行智慧流域數(shù)字孿生平臺應(yīng)用實(shí)踐，平臺融合了堵河流域空間地理數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)水雨工情等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，集成了流域水庫群水文預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)、防洪調(diào)度等專業(yè)模型，通過在信息空間里建立與物理世界互為映射關(guān)系的數(shù)字孿生體，構(gòu)建了多尺度、多層級的流域水庫群監(jiān)測、診斷、分析、決策和預(yù)測等應(yīng)用，其孿生體構(gòu)建流程如圖5所示，平臺部分功能頁面如圖6～10所示。

應(yīng)用實(shí)踐表明：數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺在信息空間內(nèi)集成了海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，融合流域管理各類專業(yè)模型，提升了信息空間模擬仿真的運(yùn)行效率和表達(dá)效果，實(shí)現(xiàn)了全要素、多角度、深層次的仿真決策;同時(shí)借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，在信息檢索、統(tǒng)計(jì)分析、水文預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、方案推演、決策對比等方面具有快速、高效、精準(zhǔn)、可視等優(yōu)點(diǎn)，可為流域管理提供決策依據(jù)、提高治理水平。

5 總結(jié)與展望

5.1 總 結(jié)

本文基于GIS，BIM，IoT，人工智能等技術(shù)，利用數(shù)字孿生在信息空間中對流域管理、外部工況、實(shí)體環(huán)境等進(jìn)行描述建模，實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間的動態(tài)鏈接和實(shí)時(shí)交互，建立數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺。相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理或二維平面管理中存在的信息不全、精度不夠、反饋滯后、表達(dá)單一等問題，數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺通過對物理實(shí)體在位置、幾何、行為、規(guī)則等方面的全要素重建，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)和專業(yè)模型，并根據(jù)流域?qū)嶋H狀況和防洪形勢等內(nèi)外環(huán)境的變化，構(gòu)建流域物理世界與信息世界的交互融合的孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域管理在外部環(huán)境下的仿真、決策、優(yōu)化和可視。平臺的研究與實(shí)踐提供了應(yīng)對外部復(fù)雜環(huán)境變化的有效決策，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實(shí)同步、動態(tài)修正、高效協(xié)同的管理理念，達(dá)到了流域治理以虛控實(shí)的管控目的。

5.2 展 望

數(shù)字孿生初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)制造、建筑、水利方面的虛實(shí)交互、共同演化，但在一些領(lǐng)域尚存疑問和爭論，仍處于探索階段，普及程度尚有欠缺，借助當(dāng)下5G、北斗衛(wèi)星、區(qū)塊鏈等技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和處理方面的優(yōu)勢，可進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)體要素之間聯(lián)系，促進(jìn)各要素深度融合交互，提升各孿生體之間交互協(xié)作，有助于建立更為完善、強(qiáng)大的數(shù)字孿生體。

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（編輯：李 晗）