水利數(shù)字孿生平臺(tái)三維模擬仿真技術(shù)研究與應(yīng)用

張力 張航 劉成堃 祝憲章

摘要：

三維模擬仿真技術(shù)是水利數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)的重要基礎(chǔ)，為水利要素及水利治理管理過程的數(shù)字化映射、智能化模擬提供關(guān)鍵支撐。為進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)各類水利模型的協(xié)同高效運(yùn)算，推進(jìn)對流域和水利工程管理活動(dòng)的智慧化模擬，需對水利三維模擬仿真的流程框架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。其中，基于IFC、CityGML等標(biāo)準(zhǔn)，將多種主流BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)模型與水利GIS場景數(shù)據(jù)進(jìn)行深度對接融合，并實(shí)現(xiàn)融合數(shù)據(jù)與不同尺度數(shù)字化場景的關(guān)聯(lián)映射，構(gòu)建形成GIS+BIM多源融合、多維度、多尺度的水利數(shù)字孿生場景?；诨A(chǔ)空間分析功能，進(jìn)一步接入水利專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)各種定制水利業(yè)務(wù)的三維模擬仿真，并結(jié)合云渲染技術(shù)提升三維可視化的保真度和質(zhì)量。研究成果初步形成了水利數(shù)字孿生三維模擬仿真全鏈條解決方案，并通過多個(gè)數(shù)字孿生項(xiàng)目實(shí)例展示了其應(yīng)用效果。結(jié)果表明，所提出的水利三維模擬仿真技術(shù)能夠?yàn)橹腔鬯ㄔO(shè)提供有力支撐與技術(shù)驅(qū)動(dòng)。

關(guān) 鍵 詞：

數(shù)字孿生； 模擬仿真； 三維可視化； 智慧水利； GIS； 流域管理

中圖法分類號(hào)： P208

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.002

0 引 言

自中國“十四五”規(guī)劃綱要發(fā)布以來，構(gòu)建智慧水利體系已成為水利行業(yè)的主要任務(wù)之一。數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中反映相對應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程［1］。數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理空間與數(shù)字空間的實(shí)時(shí)雙向同步映射和虛實(shí)交互，成為智慧水利體系構(gòu)建的重要技術(shù)手段?！丁笆奈濉敝腔鬯ㄔO(shè)規(guī)劃》明確了數(shù)字孿生流域的建設(shè)任務(wù)，其主要內(nèi)容就是構(gòu)建由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)組成的水利數(shù)字孿生平臺(tái)［2］。其中，模型平臺(tái)不僅要建設(shè)水利專業(yè)模型、智能模型和可視化模型，還要求建設(shè)包括模型管理、場景配置、仿真設(shè)計(jì)等功能的數(shù)字模擬仿真引擎，從而實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)的同步模擬仿真運(yùn)行。改進(jìn)和完善數(shù)字孿生仿真引擎，打造專用的水利數(shù)字孿生三維模擬仿真技術(shù)體系，對于進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)各類水利模型的協(xié)同高效運(yùn)算，推進(jìn)對流域和水利工程治理管理活動(dòng)的智慧化模擬，以及智慧水利體系的構(gòu)建都至關(guān)重要。

數(shù)字孿生平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)手段，模擬仿真引擎作為其模型平臺(tái)的主要構(gòu)成部分，已經(jīng)在交通［3］、電力［4］、智慧城市［5］等諸多行業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和高速發(fā)展。在水利行業(yè)中，模擬仿真引擎以及三維可視化技術(shù)被用來對流域和水利工程中各涉水要素進(jìn)行虛擬仿真模擬，從而為水資源調(diào)度、工程安全監(jiān)測、防汛抗旱、水生態(tài)保護(hù)等提供高效且準(zhǔn)確的分析和決策支持。黃艷［6］闡述了數(shù)字孿生長江建設(shè)的總體架構(gòu)，利用模擬仿真技術(shù)在數(shù)字孿生長江建設(shè)成果中實(shí)現(xiàn)了洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案以及工程智能調(diào)度全過程模擬。周超等［7］構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)問題與決策流程的數(shù)字孿生建模平臺(tái)，對長江流域的水工程預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)體系進(jìn)行了模擬運(yùn)行。喻杉等［8］研究了流域全要素建模、高保真高性能渲染、地形數(shù)據(jù)加工處理等模擬仿真關(guān)鍵技術(shù)，通過這些關(guān)鍵技術(shù)在全域、全過程實(shí)時(shí)準(zhǔn)確再現(xiàn)流域物理世界中各要素之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)流域水流、信息流、業(yè)務(wù)流、價(jià)值流的全過程實(shí)時(shí)鏡像。杜壯壯等［9］通過融合智能預(yù)測和可視化管理，建立起了一種面向河道工程管理的數(shù)字孿生可視化智能管理平臺(tái)。

總體而言，目前三維模擬仿真技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，與其他行業(yè)相比其成熟度和專用程度還有一定的差距?，F(xiàn)有的水利數(shù)字孿生平臺(tái)三維模擬仿真應(yīng)用在面對新時(shí)代智慧水利體系建設(shè)的需求時(shí)，在水利數(shù)據(jù)集成、發(fā)布、分析、可視等核心環(huán)節(jié)中仍存在諸多不足，主要可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1） 在數(shù)據(jù)接入與集成方面，多元數(shù)據(jù)融合以及迭代更新能力不足，數(shù)據(jù)冗余度高，對水利業(yè)務(wù)分析和決策的實(shí)時(shí)性和時(shí)效性造成了影響；

（2） 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)布方面，海量三維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用給平臺(tái)的運(yùn)行效率帶來了極大的挑戰(zhàn)；

（3） 在數(shù)據(jù)模擬與分析方面，對水利業(yè)務(wù)中涉水要素空間分析和專業(yè)建模模塊的集成不夠深入，模擬仿真以及智慧應(yīng)用水平亟待提升；

（4） 在數(shù)據(jù)可視與應(yīng)用方面，缺乏高性能的云渲染可視化，三維數(shù)字孿生場景保真度不足。

基于以上問題，本文對水利數(shù)字孿生平臺(tái)三維模擬仿真的可視化模型需求和仿真功能需求進(jìn)行分析，并對模擬仿真技術(shù)框架和功能模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，深入研究三維模擬仿真諸項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最后通過多項(xiàng)應(yīng)用實(shí)例展示了基于該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 水利數(shù)字孿生三維模擬仿真的需求與技術(shù)框架

1.1 三維模擬仿真的可視化模型需求

可視化模型是實(shí)現(xiàn)三維模擬仿真的重要模型支撐，為模擬仿真提供實(shí)時(shí)渲染和可視化呈現(xiàn)。水利三維模擬仿真所需的可視化模型應(yīng)包括水利工程周邊的自然背景（如不同季節(jié)白天黑夜、不同量級(jí)風(fēng)雨雪霧、日照變化、光影、水體等背景）可視化渲染模型，庫區(qū)流場動(dòng)態(tài)可視化擬態(tài)模型，水利工程監(jiān)測與安全運(yùn)行模型，庫區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害體形變模型等，能夠基于真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對水利樞紐、庫區(qū)的真實(shí)可視化仿真模擬。

1.1.1 三維實(shí)體可視化

（1） 具有流域級(jí)仿真能力。通過對接上級(jí)系統(tǒng)，調(diào)用流域數(shù)據(jù)，對水利工程附近水域乃至整個(gè)流域的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行大場景可視化展示，滿足在防洪、水資源調(diào)度運(yùn)用等方面的需求。

（2） 具有無縫融合的細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力?？梢暬Ｐ图瓤梢凿秩竞甏箝_闊的流域場景，又可以展示設(shè)備零部件的局部細(xì)節(jié)，而所有級(jí)別的要素均應(yīng)可在同一個(gè)場景下進(jìn)行表現(xiàn)，即整個(gè)工程僅包含一個(gè)數(shù)字孿生環(huán)境，所有的模擬仿真均在這一個(gè)環(huán)境下進(jìn)行。通過運(yùn)用多層次實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流域全貌大場景到設(shè)備細(xì)節(jié)的無縫融合渲染。

（3） 具有真實(shí)感的水體表現(xiàn)能力。構(gòu)建多數(shù)據(jù)因子聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的水體可視化模型，精確控制水體關(guān)鍵位置的流速、流向、水位、色彩、透明度等屬性，并構(gòu)建相應(yīng)的逼真渲染算法，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的逼真水體渲染。

（4） 具有物理特性的材質(zhì)模型。構(gòu)建基于物理的材質(zhì)著色模型，對水利工程等物理實(shí)體，根據(jù)其幾何、顏色、紋理、材質(zhì)等本體屬性，以及光照、溫度、濕度等環(huán)境屬性，進(jìn)行光照計(jì)算，模擬出物體的視覺特征。

1.1.2 抽象信息可視化

對實(shí)體屬性、概要信息等抽象數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)其數(shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)直觀數(shù)據(jù)可視化，應(yīng)支持點(diǎn)、線、面等基礎(chǔ)矢量元素可視化，動(dòng)態(tài)圖標(biāo)、動(dòng)態(tài)流場線等動(dòng)態(tài)效果可視化。

1.1.3 業(yè)務(wù)場景可視化

針對業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的可視化仿真。例如，針對庫區(qū)安全場景，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)滑坡體變形等過程的模擬仿真；針對水質(zhì)安全場景，根據(jù)水質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同來水條件下庫區(qū)水質(zhì)變化仿真等；針對工程安全場景，根據(jù)大壩安全分析計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)不同工況下大壩變形仿真等。

1.2 三維模擬仿真的應(yīng)用功能需求

水利三維模擬仿真應(yīng)用應(yīng)以數(shù)字化場景、智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策為路徑，為“四預(yù)”專業(yè)功能提供實(shí)時(shí)渲染和可視化呈現(xiàn)支撐，為物理流域、各項(xiàng)水利工程等提供多維度、多時(shí)空尺度的高保真數(shù)字化映射，提供實(shí)時(shí)的交互響應(yīng)、低延遲且穩(wěn)定的圖像質(zhì)量和逼真的場景效果。

“四預(yù)”仿真應(yīng)以“四預(yù)”專業(yè)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，分別從宏觀、中觀和微觀三個(gè)層面支撐動(dòng)態(tài)數(shù)字模擬仿真。宏觀層面主要對流域天氣、雨情等預(yù)報(bào)信息進(jìn)行模擬仿真支撐，中觀層面主要對蓄滯洪區(qū)和水庫的攔蓄水、泄洪等進(jìn)行模擬仿真支撐，微觀層面主要對大壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及水利水電設(shè)施運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真支撐。

因此，水利三維模擬仿真應(yīng)結(jié)合“四預(yù)”業(yè)務(wù)的具體需求，基于不同的應(yīng)用場景不斷完善仿真模擬支撐功能，包括針對洪水調(diào)度模型的時(shí)間過程模擬仿真，針對事故推演的“情景-應(yīng)對”模擬仿真，針對提升場景真實(shí)感的環(huán)境天氣模擬仿真等。

在三維模擬仿真應(yīng)用中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的可視化渲染、應(yīng)用場景可視化渲染以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化渲染。其中，三維實(shí)體的可視化渲染即根據(jù)物理實(shí)體的幾何、顏色、紋理、材質(zhì)等本體屬性，以及光照、溫度、濕度等環(huán)境屬性，實(shí)現(xiàn)實(shí)體的三維可視化渲染;應(yīng)用場景可視化渲染根據(jù)應(yīng)用需求、場景范圍等條件，呈現(xiàn)具體場景渲染效果，主要包括超大場景動(dòng)態(tài)縮放和加載渲染、自然現(xiàn)象的效果渲染等，其中動(dòng)態(tài)縮放加載渲染可以根據(jù)距離加載不同層級(jí)的場景，以控制整體的渲染效果，每個(gè)場景區(qū)域可以獨(dú)立動(dòng)態(tài)加載；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化渲染則以三維空間網(wǎng)格模型為數(shù)字底座，根據(jù)應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特定屬性，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)定位、疊加在統(tǒng)一的三維空間之中，對管理對象的各種屬性信息、業(yè)務(wù)狀態(tài)信息進(jìn)行多維集成顯示。

1.3 三維模擬仿真總體技術(shù)框架

水利三維模擬仿真技術(shù)應(yīng)為水利業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)集成、發(fā)布、分析、可視全鏈條支撐框架，以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體—應(yīng)用場景—業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多個(gè)維度的可視化模擬呈現(xiàn)，技術(shù)框架如圖1所示。

水利模擬仿真技術(shù)框架以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)資源，融合和形成數(shù)字孿生場景；通過分布式存儲(chǔ)技術(shù)解決海量三維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理問題，并以服務(wù)形式進(jìn)行高效發(fā)布與調(diào)用；實(shí)時(shí)接入包括空間分析和仿真服務(wù)在內(nèi)的模型平臺(tái)來為數(shù)字孿生應(yīng)用提供算法支撐；最后通過云渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)高保真數(shù)字孿生場景的離屏渲染與像素流送，并利用多平臺(tái)高性能數(shù)字孿生引擎實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)字孿生場景在多端上的呈現(xiàn)與展示。

2 水利三維模擬仿真關(guān)鍵技術(shù)

水利數(shù)字孿生建設(shè)主要完成數(shù)字孿生流域和物理流域在數(shù)字空間的映射，通過數(shù)字孿生模擬仿真應(yīng)用和信息基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)與物理流域的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化［2］。該過程涉及水利信息的集成、發(fā)布、分析、可視全鏈條技術(shù)體系。本文針對水利信息時(shí)空范圍跨度大、數(shù)據(jù)量大、內(nèi)容復(fù)雜、模擬困難等特點(diǎn)，重點(diǎn)突破水利三維模擬仿真技術(shù)在多元數(shù)據(jù)融合與輕量化、數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與高效服務(wù)發(fā)布、空間分析與專業(yè)模型接入、云渲染高保真數(shù)字孿生場景可視化等方面的技術(shù)難點(diǎn)，為水利數(shù)字孿生應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的底層技術(shù)支撐。

2.1 GIS+BIM多元數(shù)據(jù)融合與輕量化

數(shù)字化場景是數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)，水利數(shù)字化場景以自然地理、干支流水系、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息等多元數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容，對物理流域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射。水利數(shù)字化場景按照地理空間數(shù)據(jù)精度被分為L1、L2、L3三級(jí)［2］，其中，L1、L2級(jí)主要表達(dá)宏觀、中觀尺度數(shù)字孿生流域信息，以遙感影像、地形、矢量、傾斜攝影等GIS數(shù)據(jù)為主;L3級(jí)主要表達(dá)微觀尺度的數(shù)字孿生工程信息，以水利工程模型數(shù)據(jù)、水利工程設(shè)計(jì)圖等BIM數(shù)據(jù)為主。因此，在水利模擬仿真應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)大范圍水利數(shù)字化場景的構(gòu)建與調(diào)用，需要解決跨尺度多元GIS與BIM數(shù)據(jù)的深度融合以及流域海量數(shù)據(jù)的輕量化集成等核心問題。

2.1.1 GIS+BIM多元數(shù)據(jù)融合

水利數(shù)字孿生建設(shè)以宏觀GIS地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要接入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)等微觀BIM數(shù)據(jù)，構(gòu)成數(shù)據(jù)底板，融合形成數(shù)字化場景。為實(shí)現(xiàn)GIS、BIM從底層數(shù)據(jù)模型到整體功能架構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，在模擬仿真場景構(gòu)建時(shí)，使用面向GIS場景轉(zhuǎn)換BIM模型的模式，完成Revit、3DE、Bentley等主流BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)模型與水利GIS場景的融合，具體如圖2所示。

在BIM向GIS場景轉(zhuǎn)換融合過程中，GIS、BIM、水利水電工程業(yè)務(wù)信息基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)定義，實(shí)現(xiàn)從地理場景—空間實(shí)體—業(yè)務(wù)等不同的維度數(shù)據(jù)整合。針對不同BIM模型，可采用傳統(tǒng)基于數(shù)據(jù)交換格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以基于主流BIM平臺(tái)二次開發(fā)插件，進(jìn)行BIM平臺(tái)與GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)直接對接，實(shí)現(xiàn)BIM圖元信息和屬性信息的抽取。

空間信息融合是對BIM平臺(tái)中的參數(shù)化模型進(jìn)行幾何、紋理、材質(zhì)抽取，并記錄和重構(gòu)BIM模型中的唯一標(biāo)識(shí)符、模型層次結(jié)構(gòu)、共享關(guān)系，實(shí)現(xiàn)BIM模型向GIS場景模型的轉(zhuǎn)換。屬性信息融合則根據(jù)各BIM交換格式的屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提取不同實(shí)體對象、不同階段、不同模型層次等的屬性信息，并通過屬性的唯一標(biāo)識(shí)符與圖元信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而完成BIM模型向GIS場景的轉(zhuǎn)換，完成時(shí)間、空間、業(yè)務(wù)維度等多維度信息集成。

2.1.2 GIS+BIM模型輕量化

水利數(shù)字化場景既包含時(shí)空范圍跨度大、海量規(guī)模的GIS模型，又涉及細(xì)節(jié)精細(xì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的BIM模型，在進(jìn)行場景搭建與集成時(shí)需要解決模型輕量化問題，以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)資源的高效調(diào)用。模擬仿真場景中參考CityGML標(biāo)準(zhǔn)［10］對模型進(jìn)行層次細(xì)節(jié)（Levels of Detail，LOD）劃分，實(shí)現(xiàn)GIS+BIM模型與不同尺度數(shù)字化場景的關(guān)聯(lián)映射，滿足大范圍、高精細(xì)度數(shù)字場景應(yīng)用需求（見圖3）。

CityGML通過LOD0到LOD4五個(gè)層次對三維場景進(jìn)行表達(dá)。對于BIM建筑模型，除了描述地形的LOD0外，其它層級(jí)可分別與CityGML建立對應(yīng)關(guān)系，并從BIM模型中抽取和過濾對應(yīng)的部件信息，實(shí)現(xiàn)模型關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換。LOD1對建筑物對象進(jìn)行簡單的幾何體量建模，可從BIM中抽取不帶紋理的建筑外殼，對應(yīng)BIM的LOD100的概念化模型；LOD2在LOD1的基礎(chǔ)上添加詳細(xì)的墻體和屋頂信息，賦予其紋理等元素，對應(yīng)BIM的LOD200初設(shè)階段模型；LOD3對LOD2進(jìn)行更深層次的精細(xì)化補(bǔ)充，包括建筑物的附屬結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施，對應(yīng)BIM中簡化的LOD300細(xì)部設(shè)計(jì)階段模型；LOD4增加了對室內(nèi)空間的詳細(xì)描述，與最終交付的LOD400或LOD500完整BIM模型對應(yīng)。

在GIS、BIM模型信息的抽取和分層后，利用模型幾何簡化和紋理壓縮方法對各級(jí)LOD模型進(jìn)行簡化處理，并進(jìn)一步構(gòu)建場景根節(jié)點(diǎn)，生成各級(jí)LOD模型分頁調(diào)度邏輯，完成水利GIS+BIM場景輕量化集成。

2.2 三維數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與高效服務(wù)

為實(shí)現(xiàn)水利數(shù)字孿生應(yīng)用中物理流域與數(shù)字流域之間的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)信息交互，保持兩者的同步性、孿生性，三維模擬仿真利用三維數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與服務(wù)機(jī)制，將應(yīng)用層與數(shù)據(jù)資源層相互分離，以滿足三維場景數(shù)據(jù)的高效接入、動(dòng)態(tài)調(diào)用、修改、更新等業(yè)務(wù)需求。

2.2.1 模型共享與分布式存儲(chǔ)

水利數(shù)字化場景中，大量模型部件被重復(fù)使用，筆者采用模型共享的方式，通過樹形層級(jí)關(guān)系的解析將共享部件的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放信息抽離，重新組織矩陣變換的連接關(guān)系。重建后的層級(jí)關(guān)系消除了同類部件的重復(fù)存儲(chǔ)，通過從根節(jié)至模型部件的矩陣運(yùn)算還原出部件對象的空間坐標(biāo)，以減輕模型的存儲(chǔ)、傳輸、渲染和顯示壓力。同時(shí)，對共享模型對象進(jìn)行分布式存儲(chǔ)與調(diào)用，提升后續(xù)數(shù)據(jù)服務(wù)的并發(fā)能力與安全性（見圖4）。

2.2.2 三維數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

水利三維數(shù)據(jù)的服務(wù)發(fā)布為水利數(shù)字孿生平臺(tái)的三維模擬仿真提供靈活、可動(dòng)態(tài)更新、可配置修改的數(shù)字底板服務(wù)支持。在實(shí)現(xiàn)GIS+BIM數(shù)據(jù)集成融合與分布式存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，將GIS、BIM、水利業(yè)務(wù)等相關(guān)信息，基于統(tǒng)一框架進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布與接入，如圖5所示。

三維數(shù)據(jù)服務(wù)的構(gòu)建分為數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)、應(yīng)用四個(gè)層次，其中，數(shù)據(jù)層包括分布式存儲(chǔ)的元數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、三維地形、三維模型數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等；模型層包括面向GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的GML、CityGML數(shù)據(jù)，針對BIM應(yīng)用的GeoBIM數(shù)據(jù)，以及水利業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)；服務(wù)層涵蓋OGC元數(shù)據(jù)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）、網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)（WCS）、BIM數(shù)據(jù)服務(wù)、水利數(shù)據(jù)服務(wù)等；應(yīng)用層以GIS的集成管理為基礎(chǔ)，提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取、分析、應(yīng)用、可視化等功能，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建水利信息服務(wù)能力。三維模擬仿真應(yīng)用中，通過對上述數(shù)據(jù)服務(wù)的按需空間索引、實(shí)時(shí)加載與釋放，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)高效調(diào)用。

2.3 空間分析與專業(yè)模型模擬仿真

水利數(shù)字孿生模擬仿真應(yīng)具備多樣化的空間分析與專業(yè)模型模擬仿真能力，從而支撐各類專業(yè)應(yīng)用，包括：三維基礎(chǔ)空間分析、專業(yè)模型接入、業(yè)務(wù)仿真服務(wù)定制，如圖6所示。

在基礎(chǔ)三維空間分析方面，模擬仿真過程充分融入GIS在空間分析領(lǐng)域的優(yōu)勢，提供基于三維場景的通用三維分析工具，為各種業(yè)務(wù)場景提供空間分析算法支撐，主要包括：通視分析、可視域分析、剖面分析、緩沖區(qū)分析、方量分析、日照分析、坡度坡向分析、淹沒分析等。這些三維分析工具功能相互獨(dú)立，耦合性較低，用戶可針對業(yè)務(wù)場景的分析需求進(jìn)行工具的自由組合，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在的信息與價(jià)值。

在業(yè)務(wù)仿真服務(wù)定制方面，針對水工程調(diào)度、監(jiān)測檢測、工程管理等領(lǐng)域的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，定制了常用的三維可視化方法并進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)專業(yè)計(jì)算結(jié)果的模擬、推演與動(dòng)態(tài)三維可視化展示。主要包括：監(jiān)測檢測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測檢測預(yù)警可視化、預(yù)警狀態(tài)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)更新等功能；變形仿真，實(shí)現(xiàn)變形位置點(diǎn)獲取與整備、變形動(dòng)態(tài)模擬仿真；淹沒仿真，實(shí)現(xiàn)水文站點(diǎn)間基于河道比降的高程插值，疊加高精度地形獲取淹沒范圍并計(jì)算淹沒損失；原因量效應(yīng)量仿真，完成原因量效應(yīng)量數(shù)據(jù)獲取與整備、原因量效應(yīng)量模擬仿真等。

2.4 云渲染高保真數(shù)字孿生應(yīng)用

隨著渲染技術(shù)的快速發(fā)展，三維可視化效果越來越“真實(shí)”，對資源的消耗也將增加，若將所有渲染都放在客戶端，將會(huì)造成硬件資源的浪費(fèi)。云渲染技術(shù)將原本在單機(jī)上進(jìn)行的三維圖形渲染過程轉(zhuǎn)移到由多臺(tái)渲染節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的強(qiáng)大集群體系的服務(wù)器端（云端），由此實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)加速渲染，效率更高，質(zhì)量更佳，能讓客戶終端功能更加便捷簡化，從而解放本地資源。用戶終端只需要發(fā)送請求，然后等待實(shí)時(shí)渲染結(jié)果返回即可，除了必備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和承接圖形渲染繪制結(jié)果的顯示功能外，用戶終端就等同于獲得了強(qiáng)大的圖形處理能力。

水利數(shù)字孿生仿真應(yīng)用中基于云渲染技術(shù)，以像素流送的方式為任意終端提供高保真、高質(zhì)量的三維應(yīng)用服務(wù)，通過接入云渲染平臺(tái)生成的URL鏈接，即可便捷獲取高精度、強(qiáng)交互、高沉浸感的數(shù)字孿生體驗(yàn)。數(shù)字孿生模擬仿真云渲染技術(shù)方案如圖8所示，該技術(shù)既實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜渲染邏輯從客戶端抽離，降低了用戶終端的性能要求，擴(kuò)展了數(shù)字孿生應(yīng)用的適用場景，又實(shí)現(xiàn)了服務(wù)與應(yīng)用終端相互隔離，保障了數(shù)據(jù)的安全性。

水利數(shù)字孿生模擬仿真云渲染方案包含三維場景服務(wù)、云渲染服務(wù)、用戶終端三個(gè)組成部分。用戶終端借助高速互聯(lián)網(wǎng)接入訪問資源，指令從用戶終端發(fā)出，云渲染服務(wù)器根據(jù)指令獲取對應(yīng)的三維場景要素，并調(diào)用GPU渲染服務(wù)集群執(zhí)行對應(yīng)的渲染任務(wù)，最終將渲染結(jié)果以像素流的形式實(shí)時(shí)推送到用戶終端，滿足各類用戶跨終端、可交互、超高清、沉浸式的訪問需求。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 GIS+BIM多元數(shù)據(jù)融合與輕量化——深圳“公清連通”工程數(shù)字孿生

基于水利數(shù)字孿生GIS+BIM多元數(shù)據(jù)融合與輕量化技術(shù)，可針對工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各階段GIS與BIM數(shù)據(jù)成果快速搭建形成數(shù)字孿生場景，并提供數(shù)據(jù)融合、方案比選分析、施工進(jìn)度模擬、屬性掛接與更新等實(shí)用功能，支撐水利工程的全生命期應(yīng)用。以深圳“公清連通”工程為例，該工程連通公明水庫、清林徑水庫和東深供水工程，通過東江、西江水源聯(lián)合調(diào)配，增強(qiáng)深圳市應(yīng)急供水保障能力，提高深圳市生活和工業(yè)供水保證率，實(shí)現(xiàn)龍崗區(qū)雙水源的要求，并為向香港應(yīng)急供水創(chuàng)造條件。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，基于水利數(shù)字孿生模擬仿真技術(shù)體系搭建了“公清勘察設(shè)計(jì)信息化系統(tǒng)”，以貫穿工程全生命期的GIS與BIM數(shù)據(jù)為核心開展數(shù)據(jù)融合、輕量化與業(yè)務(wù)應(yīng)用，為工程全生命期提供支撐。

在規(guī)劃階段，除了提供數(shù)字孿生場景作為規(guī)劃的底圖外，系統(tǒng)還可基于空間分析功能，針對不同方案穿越的土地規(guī)劃、道路、環(huán)境敏感區(qū)進(jìn)行疊加分析，并進(jìn)一步結(jié)合工程量等信息進(jìn)行方案比選，如圖9所示。

在設(shè)計(jì)階段，可快速接入工程設(shè)計(jì)成果的BIM模型，并與周邊區(qū)域的實(shí)景三維數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和無縫鑲嵌融合，從而直觀呈現(xiàn)工程建成前后的效果，見圖10。

在施工階段，可沿著工程線路走向?qū)θS地質(zhì)模型進(jìn)行剖切，直觀呈現(xiàn)巖層穩(wěn)定性分布、斷裂帶、與交叉建筑物關(guān)系等，并提供BIM模型的部件信息查詢和單獨(dú)查看等功能，為工程施工涉及的復(fù)雜地質(zhì)狀況提供支持。

在運(yùn)維階段，可針對不同工況下的供水規(guī)模、水流走向、流量等信息進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，并可在閥室、工作井等重點(diǎn)BIM模型部件上掛接維修保養(yǎng)的屬性信息，輔助工程的運(yùn)維管理。

3.2 三維數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與高效服務(wù)——漢江流域數(shù)字孿生

在流域尺度的水利數(shù)字孿生應(yīng)用中，涉及大范圍海量的水利信息接入與調(diào)用需求。基于數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與服務(wù)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)，孿生場景中可按需高效請求、加載、釋放數(shù)據(jù)資源，在保證模擬仿真效果的前提下，最大化提升應(yīng)用效率，讓大尺度、高質(zhì)量數(shù)字孿生應(yīng)用成為可能。以漢江流域數(shù)字孿生系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)圍繞漢江流域防洪調(diào)度和水量調(diào)度需求，支撐水旱災(zāi)害防御、水量調(diào)度的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能，賦能漢江流域防洪和供水調(diào)度。

漢江流域數(shù)字孿生既涵蓋整個(gè)流域的宏觀業(yè)務(wù)場景，同時(shí)也包括微觀工程級(jí)別精細(xì)化管理業(yè)務(wù)，其中涉及18個(gè)樞紐工程、7座引調(diào)水工程、14個(gè)分蓄洪民垸、1個(gè)蓄滯洪區(qū)、19個(gè)堤防控制站、19個(gè)供水控制斷面等。大范圍高精度的數(shù)據(jù)資源為漢江流域數(shù)字孿生建設(shè)帶來了極大挑戰(zhàn)，系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)服務(wù)高效接入與動(dòng)態(tài)調(diào)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)漢江從流域到工程的多尺度海量數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用。

在宏觀尺度，系統(tǒng)接入全球尺度的地形、影像、矢量等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)可動(dòng)態(tài)載入漢江流域防洪推演、供水調(diào)度等實(shí)測輸入數(shù)據(jù)、模型分析服務(wù)數(shù)據(jù)等，為漢江流域數(shù)字孿生提供大尺度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射能力，如圖11所示。

在中觀尺度，系統(tǒng)接入河道斷面分析推演結(jié)果，在三維場景中動(dòng)態(tài)模擬仿真河流水位、淹沒情況等內(nèi)容，利用高精度空間坐標(biāo)參考與三維信息動(dòng)態(tài)接入能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場景精確反演，如圖12所示。

在微觀尺度，系統(tǒng)可按需動(dòng)態(tài)請求并加載水工建筑物、儀器設(shè)備等精細(xì)模型數(shù)據(jù)，為水利工程數(shù)字化場景提供支持，可逼真呈現(xiàn)各重要工程概況、設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，細(xì)粒度可視化模擬水利樞紐生產(chǎn)管理過程，如圖13所示。

3.3 空間分析與專業(yè)模型模擬仿真——南水北調(diào)中線水源工程數(shù)字孿生

南水北調(diào)中線水源工程是國家水網(wǎng)體系中骨干調(diào)水工程的重點(diǎn)水源工程。在兼顧水源區(qū)和受水區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的條件下，基于新一代信息技術(shù)構(gòu)建中線水源工程智慧調(diào)控方法，提高水源地水安全保障能力，對于推動(dòng)國家水網(wǎng)建設(shè)、緩解水資源供需矛盾、保證“一江清水送北京”具有重要的意義。南水北調(diào)中線水源工程數(shù)字孿生的業(yè)務(wù)應(yīng)用包括工程安全智能分析及預(yù)警、供水安全智能分析決策、水質(zhì)安全智能分析管理、庫區(qū)安全綜合管理、會(huì)商預(yù)演決策等多個(gè)子系統(tǒng)。

為提升水源工程的安全保障能力，系統(tǒng)充分利用水利數(shù)字孿生空間分析與專業(yè)模型模擬仿真技術(shù)，集成大壩安全有限元分析、水質(zhì)模擬分析等結(jié)果，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警與三維可視化推演。

在大壩安全的有限元分析方面，系統(tǒng)可以快速接入混凝土壩有限元結(jié)構(gòu)仿真分析模型，實(shí)現(xiàn)水壓、溫度、滲流等一系列主要因素影響下的大壩溫度場、滲流場、變形及應(yīng)力場等關(guān)鍵物理場時(shí)空分布特性的大壩性態(tài)動(dòng)態(tài)分析，精確模擬土石壩分層填筑過程、蓄水過程，有效模擬土石壩與混凝土重力壩之間的接觸滑移及脫開過程，并以體素網(wǎng)格、三維云圖等方式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。

在庫區(qū)水質(zhì)推演分析方面，可快速集成二、三維水動(dòng)力水質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合水下地形、水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水庫與入庫河流水體水質(zhì)（氮磷等污染物和銻等重金屬）的預(yù)測、水體突發(fā)污染擴(kuò)散過程的動(dòng)態(tài)模擬推演，支撐水質(zhì)預(yù)測預(yù)警、污染源清單管理、突發(fā)污染事故快速模擬等業(yè)務(wù)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)丹江口水環(huán)境“四預(yù)”提供模型支持。

3.4 云渲染高保真數(shù)字孿生應(yīng)用——引江補(bǔ)漢數(shù)字孿生

水利數(shù)字孿生模擬仿真應(yīng)用中為實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)物理流域、工程的精準(zhǔn)映射與逼真模擬，在高保真精細(xì)化孿生場景的表達(dá)方面提供了大量底層支撐。在高精度地形、影像、矢量等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步精細(xì)化呈現(xiàn)樞紐模型、建筑物、設(shè)施設(shè)備、道路、交通載具、樹木、花草、水體等數(shù)據(jù)，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供逼真、精細(xì)可視化場景支持。同時(shí)，以云渲染的方式為任意終端提供高保真、高質(zhì)量、強(qiáng)交互、高沉浸感的數(shù)字孿生體驗(yàn)，擴(kuò)展了數(shù)字孿生應(yīng)用的適用場景。

圖14展示了以引江補(bǔ)漢數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成引江補(bǔ)漢勘察設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化展示、分析與應(yīng)用。工程線路全長194.8 km，工程信息模型涉及地形（測繪）、地質(zhì)、水工、建筑、機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)、安全監(jiān)測等多個(gè)專業(yè)，模型結(jié)構(gòu)精細(xì)、工程范圍大、場景復(fù)雜。系統(tǒng)提供引江補(bǔ)漢數(shù)字孿生工程的精細(xì)化場景支持，包括根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對工程建成后效果的逼真模擬，如圖14（b）為引江補(bǔ)漢出水口建成后三維場景以及各場景要素的真實(shí)紋理、材質(zhì)、光照模擬呈現(xiàn)；同時(shí)，在場景中也實(shí)現(xiàn)了工程區(qū)域從地表到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)表達(dá)，如圖14（c）、（d）所示。

系統(tǒng)除了對精細(xì)場景顯示效果方面的模擬之外，在環(huán)境、大氣、光影、聲音、物理模擬等方面也提供支撐。例如模擬雨雪等天氣情況，包括刮風(fēng)、打雷等光影聲效（圖（e））；模擬精細(xì)植被效果，包括風(fēng)吹草動(dòng)等效果（圖（f））；模擬體積水、船舶、游泳、浮力等物理效果，為物理流域在數(shù)字空間中的真實(shí)還原和精細(xì)化映射提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

水利數(shù)字孿生三維模擬仿真技術(shù)是智慧水利建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是水利數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的核心支撐。本文圍繞水利數(shù)字孿生建設(shè)具體需求，從水利信息的集成、發(fā)布、分析、可視等全鏈條技術(shù)體系出發(fā)，對孿生平臺(tái)模擬仿真整體框架和技術(shù)路線進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，深入探索和研究了三維模擬仿真過程中GIS+BIM多元數(shù)據(jù)融合與輕量化、三維數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與高效服務(wù)、空間分析與專業(yè)模型模擬仿真、云渲染高保真數(shù)字孿生應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)問題，形成了水利數(shù)字孿生模擬仿真全鏈條技術(shù)方案;并選取深圳公清連通工程、漢江流域、南水北調(diào)中線水源工程、引江補(bǔ)漢工程等數(shù)字孿生項(xiàng)目作為典型示例，展示了水利三維模擬仿真技術(shù)在GIS+BIM全生命期管理、多尺度流域管理、專業(yè)模型推演分析、精細(xì)化場景表達(dá)等方面取得的應(yīng)用成效。

在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步深化可視化仿真技術(shù)對水利數(shù)字孿生應(yīng)用的支撐能力，通過規(guī)范和約束三維可視化渲染與專業(yè)模型模擬推演過程的嵌入與整合邏輯，從現(xiàn)階段以擴(kuò)展和定制為主的專業(yè)模型庫、知識(shí)庫接入模式，逐步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化、流程化的底層嵌入模式，完成水利模型平臺(tái)與知識(shí)平臺(tái)在數(shù)字孿生應(yīng)用中的協(xié)同高效運(yùn)算與深度共享，不斷提升三維模擬仿真技術(shù)在智慧水利應(yīng)用中的普適性，最終實(shí)現(xiàn)在不同水利數(shù)字孿生建設(shè)中的深入應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 黃艷，喻杉，羅斌，等.面向流域水工程防災(zāi)聯(lián)合智能調(diào)度的數(shù)字孿生長江探索［J］.水利學(xué)報(bào)，2022，53（3）：253-269.

［2］ 水利部網(wǎng)絡(luò)安全與信息化領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃（水信息（2021）323號(hào)）［Z］.北京：水利部網(wǎng)絡(luò)安全與信息化領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，2021.

［3］ 鄭偉皓，周星宇，吳虹坪，等.基于三維GIS技術(shù)的公路交通數(shù)字孿生系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2020，26（1）：28-39.

［4］ 沈沉，曹仟妮，賈孟碩，等.電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022，42（2）：487-498.

［5］ 王成山，董博，于浩.智慧城市綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2021，41（5）：1597-1608.

［6］ 黃艷.數(shù)字孿生長江建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與試點(diǎn)初探［J］.中國防汛抗旱，2022，32（2）：16-26.

［7］ 周超，唐海華，李琪，等.水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺(tái)技術(shù)與應(yīng)用［J］.人民長江，2022，53（2）：203-208.

［8］ 喻杉，黃艷，王學(xué)敏，等.長江流域水工程智能調(diào)度平臺(tái)建設(shè)探討［J］.人民長江，2022，53（2）：189-197.

［9］ 杜壯壯，高勇，萬建忠，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的河道工程智能管理方法［J］.中國水利，2020（12）：60-62.

［10］ CONSORTIUM O G.City Geography Markup Language（CityGML） Encoding Standard［Z］.version：2.0.0，2012.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：

3D simulation technology is an important basis for the construction of water conservancy digital twins and can provide a key support for digital mapping and intelligent simulation of water conservancy elements and management processes.In order to further drive the collaborative and efficient operation of various water conservancy models and promote the intelligent simulation of basin management activities，we study and apply the process framework and key technologies of water conservancy 3D simulation.Among them，on the basis of IFC，CityGML and other standards，multiple mainstream BIM platform data models and GIS scene data are deeply interconnected and fused，and the correlation mapping between the real world and digital scenes at different scales is realized，constructing a multi-source integration，multi-dimensional and multi-scale water conservancy digital twins scene.In view of the basic spatial analysis function and the water conservancy professional model，the three-dimensional simulation of various customized water conservancy applications is realized，and the effect and quality of three-dimensional visualization are improved by combining cloud rendering technology.The research has initially formed a full-chain solution for the water conservancy digital twin simulation，and several practical digital twin projects have also demonstrated the effectiveness of this research.The results show that the water conservancy digital twin simulation technology proposed in this paper can provide effective support and technology drive for intelligent water conservancy construction.

Key words：

digital twins；simulation；3D visualization；smart water conservancy；GIS；basin management