淺談數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利工程中的應(yīng)用

黃立鍇 廣東省源天工程有限公司

“推進智慧水利建設(shè)，是提高水利信息化水平、實現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)型和智能升級的重要抓手，是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展、全面提升水安全保障能力的重要路徑，是衡量水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志?！彼靠偨?jīng)濟師程殿龍深刻闡述智慧水利建設(shè)的重要性。而智慧水利建設(shè)道路上，數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用極其重要，該技術(shù)是提升水利科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化決策管理能力和水平的有力保障，是未來水利工程建設(shè)的潮流。

1.“智慧水利”建設(shè)的起源

2008年11月，信息技術(shù)領(lǐng)域巨頭IBM公司的董事長彭明盛在美國紐約召開的外國關(guān)系理事會上，發(fā)表了以《“智慧地球”：下一代領(lǐng)導(dǎo)人議程》為題的演講報告，其中提出了關(guān)于“智慧地球”的相關(guān)理念，進而掀起了國內(nèi)智慧城市建設(shè)的浪潮。智慧城市是新時代城市科學(xué)發(fā)展的偉大目標(biāo)，一旦建成便可以通過運用數(shù)字信息技術(shù)，預(yù)測、分析、管理城市運行相關(guān)系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息，進而對市民日常生活、公共安全衛(wèi)生、環(huán)境保護、城市服務(wù)等各種需求快速做出智能響應(yīng)，高效化決策管理能力，提升城市的競爭力和吸引力，實現(xiàn)創(chuàng)新、宜居宜業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化城市。

而水利行業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)在智慧城市建設(shè)的浪潮中得到優(yōu)先發(fā)展的機會，智慧水利建設(shè)的設(shè)想也孕育而生。智慧水利是將流域或水利工程信息化之后，通過BIM、云計算、大數(shù)據(jù)、新型平板顯示、通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、數(shù)字孿生等新興技術(shù)與水利信息系統(tǒng)的結(jié)合，高度整合水利信息資源并加以開發(fā)利用，實現(xiàn)水利信息共享和智能管理，能有效提升水利工程運用和管理的效率和效能。

2.“智慧水利”建設(shè)的必要性及關(guān)鍵

2.1 “智慧水利”建設(shè)的必要性

2022年6月，珠江流域第二大水系北江現(xiàn)百年一遇特大洪水，防汛應(yīng)急響應(yīng)提升至Ⅰ級。期間，北江干流廣東英德站現(xiàn)歷史實測最高洪峰水位35.97米；北江飛來峽水利樞紐現(xiàn)歷史最大洪水，入庫流量達19900立方米每秒；北江干流石角站現(xiàn)歷史最大實測流量18500立方米每秒。據(jù)相關(guān)媒體報道：廣東省應(yīng)急管理廳6月21日通報，受強降雨影響，廣東多地遭受暴雨洪澇、山體滑坡等自然災(zāi)害。截至20日11時，韶關(guān)、河源、梅州、肇慶、清遠等地共47.96萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積27.13公頃，倒塌房屋1729間，直接經(jīng)濟損失高達17.56億元。

由此事件可知，暴雨洪澇等水利災(zāi)害容易對城市經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)造成嚴重傷害和巨大損失。我們應(yīng)該盡快對各大江河進行防洪治理，提高其抵御洪水災(zāi)害的能力。而智慧水利工程通過利用先進的信息科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)水利工程設(shè)施智能化管理和運行，特別是在洪水防洪調(diào)度、水旱災(zāi)害防御、應(yīng)急推演等方面，起到預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，有效降低水利災(zāi)害對城市經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)的影響，從而促進人水和諧及水利的可持續(xù)發(fā)展，為社會公眾創(chuàng)造更美好的生活。

2.2 “智慧水利”建設(shè)的關(guān)鍵—數(shù)字孿生技術(shù)

智慧水利的建設(shè)，重點在于各大流域及水利工程對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。在水利部“三對標(biāo)、一規(guī)劃”專項行動中指出，推進智慧水利建設(shè)，一是通過構(gòu)建數(shù)字孿生流域。充分利用自然地理環(huán)境、干流支流水系、流域水利工程、歷史運行狀態(tài)、經(jīng)濟社會信息等主要內(nèi)容。通過多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，對物理動態(tài)流域進行數(shù)字化投射，在虛擬空間形成數(shù)字高仿真流域。二是開展智慧化模擬。通過數(shù)字孿生技術(shù)映射出的數(shù)字流域，形成水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型等仿真平臺，采用可視化示蹤技術(shù)讓水流動態(tài)在現(xiàn)實與虛擬之間保持數(shù)據(jù)同步，形成數(shù)字流場，實現(xiàn)數(shù)字流場、數(shù)字映射、數(shù)字仿真在新型平板三維可視化的展示。通過該平臺進行水旱災(zāi)害、暴雨洪水等水安全要素“四預(yù)”的模擬分析。三是支撐精準(zhǔn)化決策。通過數(shù)字孿生流域的建設(shè)、智慧化的模擬，從而構(gòu)建智慧水利平臺，在流域防洪調(diào)度、運行狀態(tài)、調(diào)度方案預(yù)演、工程安全監(jiān)測等預(yù)演基礎(chǔ)上，輔助生成科學(xué)化決策建議方案。

在工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛推廣和使用。該技術(shù)主要運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)等新興技術(shù)高度融合，實現(xiàn)系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)通過物理空間數(shù)字化之后，在虛擬空間映射一個與物理空間高度仿真、實時同步的數(shù)字空間，利用數(shù)字空間我們可以進行一系列的智能預(yù)演、預(yù)測模擬等措施，從而實現(xiàn)方案優(yōu)化、歸因溯源、事前預(yù)警等效果。對于處在運行維護階段的水利工程而言，數(shù)字孿生平臺提供了工程運行期間的雨水情況、水流方向、流量大小、安全監(jiān)測、設(shè)備運維、風(fēng)險預(yù)警等幾大功能，反映了真實世界中的水利工程的運行狀態(tài)，有利于相關(guān)部門對防洪減災(zāi)、洪水調(diào)度等水安全處理更具科學(xué)化、精準(zhǔn)化，在災(zāi)害來臨之前主動防范于未然，減少災(zāi)害對城市經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)的影響，促進新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。

3.數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

3.1 大藤峽數(shù)字孿生工程

2021年12月21日，中國水利行業(yè)第一個數(shù)字孿生水利工程—大藤峽數(shù)字孿生工程建設(shè)宣告正式啟動，對貫徹落實水利部黨組決策部署，試點建設(shè)數(shù)字孿生水利工程，推進數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)落地應(yīng)用具有里程碑意義。

大藤峽水利樞紐工程是國家要求加快推進的重點工程，不但是經(jīng)國務(wù)院審核批準(zhǔn)的《珠江流域綜合利用規(guī)劃》《珠江流域防洪規(guī)劃》兩大珠江流域規(guī)劃確定的流域防洪控制性樞紐工程，也是廣西省“西江億噸黃金水道”“珠江—西江經(jīng)濟帶”建設(shè)的重點工程。

數(shù)字孿生系統(tǒng)以大藤峽水利樞紐為物理原型，充分運用大數(shù)據(jù)、云計算、融合通信、VR等前沿技術(shù)，將信息化、數(shù)字化、直觀智能化與水利管理需求有機結(jié)合，以數(shù)字孿生水利工程為點鋪成數(shù)字孿生流域的面。該系統(tǒng)將監(jiān)控仿真、檢修模擬、數(shù)學(xué)建模、三維引擎、虛擬現(xiàn)實、專業(yè)培訓(xùn)、考試競賽、應(yīng)急推演等功能通過云平臺有機結(jié)合為一體，將實體工程完美映射到虛擬空間，以實現(xiàn)模擬、預(yù)測、控制實體工程，實現(xiàn)數(shù)字工程與實體工程同步仿真運行，從而真正達到“智能感知、智能處置、智能考評、智能改進”。數(shù)字孿生大藤峽建設(shè)“四預(yù)”平臺初步搭建完成并上線試運行，水情預(yù)報、風(fēng)險預(yù)警、前瞻預(yù)演和處置預(yù)案等功能進一步提高，為2022年汛期防洪度汛提供了堅實技術(shù)保障。

3.2 數(shù)字孿生黃河

2022年5月25日，黃河水利委員會以黃河中游發(fā)生較大洪水和三門峽至花園口區(qū)間發(fā)生類似2021年河南鄭州“7·20”暴雨洪水為背景，舉行2022年黃河防御大洪水調(diào)度演練。演練以黃河中下游防汛會商預(yù)演系統(tǒng)為基礎(chǔ)，重點演練了水文監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、洪水調(diào)度方案和洪水演進模擬預(yù)演、灘區(qū)遷安、險情搶護與指揮決策等環(huán)節(jié)。

該系統(tǒng)對氣象云圖、降雨實況預(yù)報、水情實況預(yù)測等在平臺上進行直觀呈現(xiàn)，將雨區(qū)范圍內(nèi)病險水庫、下游有人的淤地壩等重點位置在圖上清晰標(biāo)志，對預(yù)警信息進行“閃燈提醒”。防汛演練指揮部在黃河中下游防汛會商預(yù)演系統(tǒng)提供的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報基礎(chǔ)上，合理調(diào)用河道排洪減災(zāi)，科學(xué)調(diào)度骨干水庫群攔洪削峰，再利用東平湖蓄洪區(qū)調(diào)蓄洪水，最大程度開發(fā)防洪工程體系潛力，確保洪水平穩(wěn)過境，實現(xiàn)減輕洪澇災(zāi)害損失的目標(biāo)。

根據(jù)黃河下游洪水調(diào)度模擬預(yù)演，可以清楚的了解到本次洪水下游的淹沒范圍及水深、受淹人口及經(jīng)濟損失等情況，進而建議在某些重點河段設(shè)置重點防洪工程，降低洪水帶來的危害。

黃河中下游防汛會商預(yù)演系統(tǒng)是數(shù)字孿生技術(shù)在黃河建設(shè)應(yīng)用取得的階段性成果，其有效提升了防汛工作的科學(xué)化、數(shù)字化、智能化水平，為防汛指揮提供科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的決策路徑。通過不斷仿真預(yù)演系統(tǒng)水情實況、洪水預(yù)報、水庫調(diào)度、洪水演進及淹沒分析、洪水風(fēng)險情況，能逐步提升“四預(yù)”功能和預(yù)報調(diào)度在線交互能力，為黃河治理提供有力的技術(shù)支撐。

3.3 長江中游行蓄洪空間數(shù)字孿生平臺

2022年6月8日，長江水利委員會開展了以長江中游行蓄洪空間數(shù)字孿生平臺為基礎(chǔ)的長江1870年洪水防洪調(diào)度演練活動。

1870年(清同治九年，庚午年)長江特大洪水是自1153年以來調(diào)查到的8次歷史大洪水、20世紀實測到的5次大洪水中最大的洪水。因此，了解調(diào)查這次洪水的雨情、水情和災(zāi)情、收集相關(guān)數(shù)據(jù)，習(xí)古而鑒今，對綜合治理長江有著重大的現(xiàn)實意義。

長江委通過將1870年洪水的洪峰水位、洪峰流量、洪水過程、洪水總量等數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生平臺，通過平臺幾大功能與1870年長江特大洪水展開博弈。一是通過孿生平臺提供的重慶主城區(qū)智能災(zāi)損評估功能，直觀、準(zhǔn)確的評估過境洪水對沿江城鎮(zhèn)造成的淹沒影響。二是通過三峽水庫庫區(qū)回水淹沒空間及社會經(jīng)濟影響動態(tài)計算及評估模型，掌握在不同洪水防洪調(diào)度方案下三峽庫區(qū)災(zāi)害淹沒損失情況；三是通過長江中下游（荊江河段、城陵磯河段、洞庭湖區(qū)）堤防與關(guān)鍵控制站之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，合理安排堤防巡查防守、動態(tài)遠程掌控災(zāi)害情況；四是通過水工程防洪能力實時分析模型，智能、高效的為防洪風(fēng)險評估及流域后續(xù)防洪態(tài)勢研判提供了科學(xué)技術(shù)支持；五是通過知識圖譜、耦合機理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動算法的蓄滯洪區(qū)防洪調(diào)度運用高階模型，有力支撐了方案決策對比和預(yù)案生成等業(yè)務(wù)功能。

經(jīng)過三年時間的打磨，長江中游行蓄洪空間數(shù)字孿生平臺基本實現(xiàn)了以河道堤防、洲灘民垸、蓄滯洪區(qū)等行蓄洪工程智慧化調(diào)度模擬與預(yù)演、方案風(fēng)險動態(tài)化評估的精準(zhǔn)決策支持功能，為長江安瀾提供的強而有力的保障。

4.數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的發(fā)展現(xiàn)狀

2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過了《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》，該綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”的要求。水利部決定在“十四五”期間，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求，大力推行開展先行先試工作，預(yù)計兩年時間，在大江大河重點河段、支流開展數(shù)字孿生流域建設(shè)工作，在重點水利工程開展數(shù)字孿生水利工程建設(shè)工作，旨在打造一批可推廣、可復(fù)制的成果和經(jīng)驗，帶動全國數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用。根據(jù)水利部印發(fā)《數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試臺賬》（辦信息[2022]138號），其中涉及56家單位，確認了94項任務(wù)，包括46項數(shù)字孿生流域建設(shè)任務(wù)、44項數(shù)字孿生水利工程建設(shè)任務(wù)及4項水利部本級任務(wù)；

2021年11月29日，水利部再次發(fā)文《關(guān)于大力推進智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，該指導(dǎo)意見明確指出了近十年推進智慧水利建設(shè)的主要任務(wù)：一是到2025年初步建成智慧水利體系1.0版本：建成七大江河數(shù)字孿生流域、完善基礎(chǔ)信息建設(shè)、實現(xiàn)“四預(yù)”功能。二是到2030年初步建成智慧水利體系2.0版本：全面建成不但具有“四預(yù)”功能，還能兼具防洪任務(wù)的數(shù)字孿生流域，并在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面有較大的提升。三是建成完善的智慧水利體系：在全國流域及水利工程治理過程中，全面實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。

2022年6月17日，水利部全面啟動七大江河數(shù)字孿生流域建設(shè)方案審查，水利部副部長劉偉平強調(diào)，水利部黨組高度重視數(shù)字孿生流域建設(shè)，將其作為推進智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵。在水旱災(zāi)害防御、流域防洪、水資源管理與調(diào)度、水資源節(jié)約與保護、水行政管理、水利工程安全運行、水監(jiān)督管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域上，全面開展數(shù)字孿生流域建設(shè)，充分運用云計算、大數(shù)據(jù)、新型平板顯示、通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，結(jié)合七大江河所需業(yè)務(wù)領(lǐng)域，建成具備多功能的數(shù)字孿生工程，為水利保護治理各項業(yè)務(wù)，提供數(shù)字化、智慧化、精準(zhǔn)化的模擬和決策，為新階段水利生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供強有力支撐和創(chuàng)新驅(qū)動。

5.結(jié)語

智慧水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展最顯著的標(biāo)志和重要實施路徑之一，水利部將數(shù)字孿生流域作為推進智慧水利建設(shè)的核心和關(guān)鍵，它是一個極具創(chuàng)新性且復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建設(shè)內(nèi)容豐富，建設(shè)要求精準(zhǔn)，建設(shè)任務(wù)繁重，有很多科學(xué)問題值得去研究和探索，有很多技術(shù)、產(chǎn)品、模型正待研發(fā)。

2022年是數(shù)字孿生流域建設(shè)的元年，全國各地正在我們充滿著好奇與期許，期待各級水利政府部門，數(shù)字孿生水利企事業(yè)單位及相關(guān)專業(yè)人士，共同努力推進數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利中的應(yīng)用及發(fā)展，點亮水利智慧之光。