數字孿生漢江流域建設先行先試關鍵技術探討

徐波，孫啟偉 ，任金秋 ，王權森 ，楊俊杰 ，黃瓅瑤

（1.漢江水利水電（集團）有限責任公司，湖北 武漢 430048；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；3.流域水安全保障湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430010；4.長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010）

0 引言

智慧水利是水利高質量發展的顯著標志[1]，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，構建數字孿生流域，是推動水利高質量發展的重要實施路徑。2021 年11 月，水利部印發《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》的通知，各流域陸續啟動數字孿生試點建設工作。冶運濤等[2]從定義、特征、關鍵科學問題和技術體系等理論層面闡述了數字孿生流域的內涵，為智慧流域研究提供了借鑒。黃艷[3]結合長江流域智慧水利試點建設，梳理了現階段數字孿生流域發展需求，提出了數據底板、模型庫、智能應用建設，以及敏捷響應配置平臺技術等數字孿生流域建設的關鍵技術，并探討了長江流域三峽庫區、漢江流域及長江中下游行蓄洪空間試點數字孿生技術建設技術方案。李文學等[4]對數字黃河與數字孿生黃河的關系進行了分析，提出了數字孿生黃河建設實施的具體途徑，闡述了包括業務應用、數字孿生黃河平臺、物聯智能感知、采集傳輸等在內的主要建設任務，提出了推進數字孿生黃河建設的 4 項主要保障措施。劉昌軍等[5]探索了數字孿生淮河防洪“四預”模式，對數字孿生底板、數字化場景、數字化流場和數字映射，以及基于高性能并行計算的水文水動力學實時模擬預報的關鍵技術進行了研究。目前，珠江流域[6]、松遼流域[7]、海河流域[8]等重要江河及重點小流域[9-10]也開展了數字孿生流域的建設探索。

根據水利部和長江水利委員會（以下簡稱長江委）建設數字孿生流域的總體部署，選取漢江流域為數字孿生建設先行先試工作試點。漢江作為長江流域最大的支流，水資源十分豐富，以石泉、安康、丹江口為代表的大型控制性水庫建成運行并發揮作用，標志著漢江主要控制性水庫群已初具規模，漢江流域水資源已從大力建設開發利用，逐步走向科學調度運用管理的新時期。數字孿生漢江流域緊密結合漢江流域防洪調度和水資源管理調配的實際業務需求，采用信息化、數字化新技術，為實現防洪調度和水資源管理調配“四預”目標提供支撐。試點建立涉水物理要素之間、物理要素與管理需求之間的關聯和響應關系，構建包括水利數據、模型、知識等內容的數字孿生流域，圍繞防洪調度和水資源管理與調配需求，支撐水旱災害防御和水量調度的預報、預警、預演、預案“四預”功能，實現漢江流域數字化場景、智慧化模擬、精準化決策，賦能漢江流域防洪和供水調度。本研究對數字孿生漢江流域總體架構、先行先試階段的多源數據融合底板、標準化模型平臺、微服務化知識平臺、智慧業務應用等成果，以及建設過程中形成的高性能孿生仿真引擎、防洪調度知識圖譜、水工程智能調度模型等關鍵技術進行探討。

1 漢江流域信息化建設需求

多年來，長江委及其下屬漢江集團等單位先后開展了一系列信息化系統的建設項目，如國家防汛抗旱指揮系統、長江流域控制性水利工程綜合調度支持系統、丹江口洪水預報系統、長江委水資源動態管控平臺、丹江口水庫綜合管理平臺供水系統等，這些項目的實施為漢江流域防洪調度、水資源管理與調配業務功能的建設提供了必要的技術和數據支撐。整體而言，通過大量信息化系統的建設，漢江流域預報調度信息化能力明顯加強，但仍存在以下不足：1）業務功能方面。已建系統往往以單一業務功能為主，應用范圍局限于某一業務部門。2）基礎數據方面。專業業務數據存儲較為分散，調度業務數據整合工作進展緩慢，數據共享覆蓋范圍有限，尚未破除業務數據孤島的格局。3）開發技術方面。由于各階段業務需求偏重不同，各系統采用的編碼技術、模型設計及知識表示形式差異較大，難以集成發揮數據共享、信息交互的優點。

針對當前物理流域存在的數字化映射支撐不足、現有預報和調度模型亟須完善、決策應用水平亟須提升、計算運行能力有待進一步提升等問題，在建設數字孿生漢江流域時，將在工程運用范圍方面進行擴展，在防洪風險分析、水資源管理支撐能力及系統業務孿生能力等方面進行相應提升。具體需求如下：

1）考慮分蓄洪民垸的調度作用，研發分蓄洪民垸調度功能模塊，構建漢江流域行蓄洪空間運用知識圖譜，在保證一定計算精度的同時提高分蓄洪民垸調度決策運用效率。

2）將二維水動力淹沒計算結果抽取為淹沒損失知識圖譜，結合通用一維水動力模型在丹江口庫區及漢江中下游的實例化計算結果，提升不同調度方案下庫區及中下游河段淹沒損失動態評估能力。

3）建立水量調度業務模型，對流域用水、控制斷面下泄流量進行實時管控，開展精細化調度決策，提升水資源管理與調配信息化支撐能力。

4）對漢江流域“四預”業務進行針對性的提升完善，將會商決策實際需求映射到數字孿生系統，提升漢江流域業務孿生支撐能力。

5）構建水利數據模型體系，在管理每個對象自身屬性的同時，存儲對象間的水利聯系，更好地支撐數字孿生流域實時互饋功能的建設。

2 數字孿生漢江流域總體架構

根據《智慧水利建設頂層設計》提出的智慧水利建設總體框架，結合漢江流域水旱災害防御及水量調度的需求和目標，構建包括信息化基礎設施、數據底板、模型平臺、知識平臺、智慧應用等內容的數字孿生漢江流域，總體架構如圖 1 所示。試點建設秉承“繼承性發展”的總體思路，以“規范標準、整合已建、統籌在建、新建共享”為原則，部分建設內容充分利用已建的國家防汛抗旱指揮系統、長江流域控制性水利工程綜合調度支持系統相關建設成果，避免重復建設。

3 數字孿生漢江流域關鍵技術

3.1 多源數據融合底板構建技術

為實現漢江流域大范圍、多業務水利數字化場景的構建與調用，采用多源異構數據的解析、轉換、輕量化、融合等手段或技術，創造性地解決了跨尺度多源GIS與BIM 數據的深度融合、流域海量數據的集成等核心問題，構建了區域基礎、地理空間、監測、業務管理、外部共享等數據統一整合的數據服務體系。在多源數據融合底板的基礎上，進一步提供空間索引、高效數據調用、數據資源緩存等功能，在保證可視化虛實映射效果的前提下，最大化提升應用效率與質量，為數字孿生漢江流域業務應用提供堅實的底層數據資源支撐。

3.2 GIS+游戲引擎融合的孿生仿真引擎

結合防洪興利“四預”、水資源調配等模擬仿真的需求，結合最新的可視化渲染、模擬仿真等技術，構建 GIS+游戲引擎融合的高性能數字孿生仿真引擎。引擎在多元數據融合與輕量化、數據分布式存儲與高效服務發布、空間分析與專業模型接入、云渲染高保真數字孿生場景可視化等關鍵技術方面取得突破，在滿足 GIS 高精度空間定位的同時，實現游戲級別高保真渲染與仿真，可為漢江流域數字孿生虛實映射、高保真模擬仿真提供有力支撐和強力驅動。

圖1 數字孿生漢江流域總體架構圖

3.3 通用化模型管理與微服務架構技術

按照“標準化、模塊化、云服務”的要求，制定數字孿生漢江流域模型平臺開發，以及模型調用、共享和接口等技術標準，保障各類模型的通用化封裝及模型接口的標準化，并以微服務方式提供統一調用服務。微服務架構技術將 1 個復雜的應用拆分成多個獨立自治的服務，服務與服務之間通過松耦合的形式交互。每個專業計算模型都能通過統一的微服務模式完成調用和執行，微服務可獨立運行，將消耗計算量大的模型單獨部署在高性能服務器上并做負載均衡，可極大提高業務構建工具的計算速度。

3.4 流域水工程調度規則庫

根據設計洪水和工程設計任務等確定水工程聯合調度方案是調度規則庫建設的依據。根據研究區域水庫群、分蓄洪工程、引調水工程等水工程調度方案和規程，明確調度涉及的水工程、來水邊界站點、控制對象。數值化描述各防洪控制節點與各水利工程在空間和防洪調度任務方面的關聯關系，包括防洪控制點與河道空間關系，防洪控制點對水庫防洪庫容的預留要求，以及針對各種類型、量級的具體防洪調度方式等，采用樹結構分層記錄水庫調度啟用時機、約束條件、參考對象、運行方式等信息，囊括目標常用的規則表現邏輯。從流域水工程調度實際出發，提取水工程調度方案特征值，形成水工程調度規則庫。通過水工程調度規則庫驅動引擎，實現對不同水工程各類調度規則的快速解析和靈活擴展，支撐流域水工程聯合調度計算模擬。

3.5 基于水位目標控制的水庫調度方式優化調整技術

水庫攔蓄后，下游河段重要防洪站點的水位是衡量水庫防洪調度效果最為重要的指標之一。針對傳統防洪調度中需要反復調整水庫下泄流量，試算下游重要防洪站點在水庫攔蓄后的水位過程，且難以快速準確給出水庫下泄流量的問題，圍繞水庫攔蓄量級、作用時長、洪水演進傳播、下游水位頂托等復雜因素，構建不同水情狀態下水庫攔蓄方式對下游重要控制站點的調度響應關系，丹江口水庫下泄流量對皇莊水文站流量調度影響關系示例如圖 2a 所示，利用調度影響關系進行目標控制調度技術路線如圖 2b 所示。以重要水文站點的水位控制目標為導向，耦合水庫和水文站點的調度響應關系及河道洪水演進模型，在滿足水庫調度最小下泄流量、最大日水位漲幅、最高調洪水位等調度約束條件下，迭代計算控制性水庫下泄流量過程，給出可以滿足下游站點水位控制目標的下泄流量過程，支撐控制性水庫對防洪保護對象水位的精準化調度決策，雙向提升防洪庫容的有效性和控制水文站點防洪的安全性。

圖2 基于水位目標控制的水庫調度方式優化調整功能示意圖

3.6 行蓄洪空間防洪調度知識圖譜

針對現有調度技術尚無法對多類別工程的聯合調度規則進行集成，難以動態協調防洪工程體系的攔洪、分洪、蓄洪、泄洪能力，導致行蓄洪空間調度運用決策困難的問題，圍繞漢江中下游行蓄洪空間的工程特征、調度規則、調度案例及社會經濟指標等基礎數據，基于工程調度規則與洪澇災害鏈時空演變分析成果，構建行蓄洪工程防洪調度知識體系；融合物理概念模型、半經驗定量分析方法與機器學習方法，揭示不同防洪調度案例中知識要素之間的復雜演化與互饋協變機理，實現知識要素與關系的動態識別抽取，基于 Neo4j 圖數據庫技術，完成知識存儲與動態更新，初步構建涵蓋多對象、多層級、多屬性單元、多互饋調度響應關系的防洪調度知識圖譜，實現數據與知識的有機整合。行蓄洪空間調度知識圖譜構建及應用技術路線示意圖如圖 3 所示。

圖3 行蓄洪空間防洪調度知識圖譜示意圖

4 先行先試階段性成果

4.1 數字孿生平臺

4.1.1 數據底板

以長江流域控制性水利工程綜合調度支持系統已有數據為核心構建數據底板，整合集成多數據源接入、自動化數據萃取、分布式數據存儲等多種信息領域技術，數字孿生漢江流域數據底板架構如圖 4 所示，主要包括基礎、監測、地理空間、業務管理、外部共享等數據類型。

數據底板建設總體原則為充分利用現有數據，按需適當補充、新建、生產或購置新數據。充分利用丹江口水庫綜合管理平臺數據庫數據資源，利用 API（應用程序編程接口）調用技術，以低耦合方式，進一步補充水源公司、漢江集團及綜合調度系統大數據信息中心的數據資源，以完善數據底板，解決信息孤島問題。宏觀、中觀、微觀 3 個層面的數據底板建設情況如下：

1）流域宏觀尺度層面。主要關注流域全局信息，以全國水利一張圖為基礎，以 OGC（開放地理空間信息聯盟）標準數據服務方式，整合覆蓋漢江流域的中等精度地形數據資源和高分辨率衛星遙感影像數據，并補充重點地區高分立體測繪衛星數據，結合河流水系、水利工程等基礎數據，為數字孿生流域數字化場景構建提供大尺度的統一空間數據基礎。

圖4 數字孿生漢江流域數據底板架構圖

2）河段中觀尺度層面。結合業務建設需求，利用無人機攝影測量、激光點云、水下地形測量等技術，采集丹江口庫區及漢江中下游重點河段和區域精細地表、水下數字地形模型，經過多源異構數據的解析、轉換、輕量化、融合等手段或技術，豐富漢江流域重要河段數據底板。

3）水工程微觀尺度層面。關注某個水庫或分蓄洪民垸、蓄滯洪區信息，基于 BIM+GIS+IoT 技術，完成丹江口水利工程主體建筑物等水工程三維模型的生產制作，通過工程設施 BIM 和流域三維空間網格等，實現丹江口水利工程主體建筑物空間信息的數字化描述，并通過數據共享、服務接入等方式集成應用，為閘門調度應用奠定數據基礎。

4.1.2 模型平臺

水利專業模型是流域智慧化模擬的計算基礎，圍繞防洪調度和水資源管理與調配需求，數字孿生漢江流域在已有模型的基礎上，針對不同業務場景需求，開發相關支撐性模型。為滿足數字孿生漢江流域智慧化模擬的需求，新增開發或改造已有的水利專業模型，包括以丹江口水庫防洪調度、庫區水面線計算、漢江中下游河道洪水演進、行蓄洪工程分洪運用仿真等模型為核心的水工程調度專業基礎模型，中長期水量預測、水資源調度情勢分析評估預警、漢江流域水資源調度配置、用水計劃編制、可調水量計算、丹江口水庫供水調度計算、水量調度計劃編制等水資源模型，以及洪水來源組成分析、河段潛在風險預測、工程防洪能力評估、洪災風險損失評估、工程運用效益評估等模型。利用統一標準的模型平臺對模型資源進行注冊、發布、查看、調用等功能管理。

4.1.3 知識平臺

基于“微服務化、開放兼容、持續演進、云原生”的設計理念，以水利知識圖譜為對象開展知識平臺建設，收集數據底板產生的相關數據、模型平臺的仿真計算結果、調度方案規程等，經水利知識引擎處理形成知識圖譜，匯集形成知識平臺，以滿足漢江流域防洪和水資源管理與調配“四預”應用需求。

基于知識圖譜技術研發了水工程調度規則庫，針對丹江口水庫和分蓄洪民垸構建了調度影響關系圖譜，量化水工程不同調度方式對控制點的影響。同時，研發水利知識圖譜標準化構建技術，并針對流域不同防洪態勢，研究“泄、蓄、分”不同調蓄空間的工程群組協同運用知識模型，支撐知識驅動下調度策略的智能推薦和決策互饋。

4.2 “四預”全過程智慧應用

4.2.1 流域防洪

漢江流域已初步建成包含上游水庫群、中下游蓄滯洪區及河道堤防的防洪工程體系，其中丹江口水庫是漢江流域防洪調度的核心水庫，承擔著漢江下游和長江中下游的防洪任務。丹江口水庫針對下游防洪控制站皇莊水文站進行補償調度，結合支流水庫、蓄滯洪區配合運用，有效保障了下游襄陽、鐘祥、仙桃、漢川等防洪保護對象的防洪安全。目前漢江流域迫切需要從全流域層面開展數字孿生建設，確保漢江流域防洪安全及洪水效益的有效發揮，提升流域綜合調度決策科學水平，保障漢江流域防洪安全。

4.2.1.1 初步實現漢江流域水情預報及防洪形勢預警

針對流域預警站點，基于漢江流域防洪控制站點間的上下游拓撲關系，構建丹江口等控制性水庫及漢江中下游皇莊、仙桃等重要防洪對象的洪水組成判別指標體系，根據各控制站點實時及預報的水情過程，從水庫逐步向上游站點回溯，通過計算各控制站洪峰、洪量等指標，分析丹江口等控制性水庫入庫洪水來源河段及各來源河段的洪峰、洪量組成情況。結合雨水情、工情、災情等現狀及雨水情可能的變化態勢，根據防洪保護對象面臨的防汛形勢，綜合考慮洪水地區組成、防洪工程運用情況、防洪保護對象（地區）災情、工程險情等，分析當前調度任務與目標，實現對防洪形勢的判斷和預判，為工程調度提供啟動條件?；跁r間軸引擎，對流域內防洪態勢進行動態分析，通過超警戒、超保證水位站點的數量對防洪態勢進行分級預警并在地圖場景上動態展示，幫助決策者了解流域防洪態勢發展狀況，確定決策干預的關鍵時間節點，為后續防洪調度預演確定啟動時機。預警界面示例如圖 5 所示。

圖5 數字孿生漢江流域防洪形勢預警界面

4.2.1.2 基于調度規則庫實現水工程聯合自動調度

以漢江流域參與聯合調度的石泉、安康、潘口、黃龍灘等水工程為對象，結合各工程調度規程，明確調度涉及的水工程、來水邊界站點、控制對象，解析流域來水形勢、調度需求、調度目標、調度對象、工程啟用條件、運行方式等要素間的語義邏輯關系及內在規律，提取調度方案特征值，創建水工程運行規則知識化描述構架，并將調度方案邏輯化、關聯化，即形成適配漢江流域可供調度模擬應用的調度規則庫?；跁r間流引擎驅動調度規則庫模型，支撐漢江流域水工程聯合防洪調度自動預演。綜合考慮水庫當前狀態與預報來水，實現丹江口水庫防洪調度退水水位的優化控制。

4.2.1.3 基于數字孿生場景實現丹江口庫區淹沒影響動態評估

構建丹江口庫區一維水動力模型，實現庫區沿程各斷面水位、流量過程的精準計算?；趲靺^水面線的計算結果，耦合丹江口庫區淹沒影響及損失分析計算模型，計算淹沒范圍、淹沒歷時、最大超高、洪災損失等指標，實現丹江口庫區洪水演進及淹沒影響的一體化計算和定量化評估。借助高精度地形數據，從全庫區、重點河段、逐斷面多個維度對模型計算結果在地理空間進行三維賦息，結合時間軸引擎技術實現各類淹沒要素在三維數字孿生場景下的精細化分布，并根據時間變化進行動態展示。

4.2.1.4 面向重要站點水位控制目標初步實現防洪工程調度精準化決策

考慮水庫調度方式、泄流能力、下游水位頂托、洪水演進傳播等因素，建立丹江口水庫對下游皇莊水文站等防洪控制站點的調度影響關系。針對重要控制站點的水位控制目標，在滿足水庫—站點調度影響關系和水庫調度最小下泄流量、最大水位漲幅、最高調洪水位等約束的條件下，耦合漢江中下游河道洪水演進模型，迭代試算控制性水庫下泄流量過程，支撐控制性水庫對防洪對象目標水位的精準化調度決策。場次洪水調度算例如圖 6 所示，a和b圖為規則調度推薦結果，當丹江口水庫按照規則調度方式進行調度時，初始調度過程中，丹江口水庫最高調洪水位為 169.64 m，相應下游皇莊水文站洪峰流量為11 311 m3/s，最高水位為 48.10 m，略超警戒水位；c 和d 圖為按照控制皇莊水文站最高水位不超過 48.00 m的調度目標，反算得到的丹江口水庫調洪過程及相應的皇莊水文站水位過程，丹江口水庫進一步攔蓄洪水，減小下泄流量，最高調洪水位抬升至 169.93 m，相應皇莊水文站洪峰流量減小至 10 812 m3/s，最高水位為 47.92 m。結果表明，基于調度影響關系和反算模型，可以準確將控制站點皇莊水文站的水位控制在目標值 48.00 m 以下。

圖6 數字孿生漢江流域場次洪水調度算例

4.2.1.5 基于知識圖譜技術初步實現漢江流域行蓄洪工程調度運用與效果評估

圍繞漢江中下游 14 處分蓄洪民垸與杜家臺蓄滯洪區聯合調度需求，建立漢江中下游河道洪水演進水動力模型，實時動態獲取漢江中下游沿程斷面水動力狀態。初步建立分蓄洪民垸與蓄滯洪區對漢江中下游皇莊、沙洋、仙桃等控制水文站的調度影響關系，研發最優化計算方法，開發漢江中下游行蓄洪空間交互與基于目標的迭代優化調度模型，實現不同行蓄洪工程運用方案下分洪效果的實時計算，以及多站點水位控制目標條件下方案的智能優化推薦。同時，結合災損數據，構建用于行蓄洪空間的災損動態評估模型，初步實現調度方案交互調整、智能推薦、災損評估等功能。

4.2.1.6 構建全要素指標體系實現防洪調度預案決策分析

針對決策層調度會商的業務需求，圍繞流域水工程防洪調度方案，構建全要素調度決策指標體系，集中展示水庫庫區、漢江中下游重要控制站調度過程及調度風險和效果評估信息，實現方案中各項調度要素主題式對比，支撐決策層防洪調度會商決策分析。

4.2.2 水資源管理與調配

4.2.2.1 南水北調中線一期工程年度水量調度計劃編制

基于漢江流域數據底板完成了區域水量分配指標的數字化映射；基于長江委水文局長期預測來水成果，完成了丹江口水庫水源區用水需求的復核，考慮石泉、安康、潘口、黃龍灘等控制性水庫調蓄作用，實現了丹江口水庫可調水量交互式分析和精準化決策；結合漢江中下游、襄陽引丹渠、南水北調中線受水區、鄂北地區水資源配置工程 2022—2023 年用水需求，考慮漢江中下游干流控制斷面最小下泄流量管控要求、南水北調中線總干渠輸水能力等約束，完成了南水北調中線一期工程年度水量調度計劃編制業務應用的功能開發。

4.2.2.2 漢江流域年度水量調度計劃編制

構建了漢江流域水資源調度配置模型，模擬計算漢江流域重要水庫、引調水工程的調度過程和供水控制斷面的流量過程；基于斷面最小下泄和生態等流量要求，通過重要水工程的交互式調整、計算、分析，基本完成漢江流域年度水量調度計劃編制業務應用的功能開發。

5 結語

數字孿生流域建設是一項探索性的工作，目前缺乏成熟的技術路線和產品，需要深度融合水利專業和信息技術。本研究基于水利部關于數字孿生流域建設的要求，介紹了數字孿生漢江流域的關鍵業務需求和總體架構，圍繞流域防洪及水資源管理與調配 2 項業務應用決策支持需要，闡述了多源數據融合底板、標準化模型平臺、微服務化知識平臺建設，以及高性能孿生仿真引擎、防洪調度知識圖譜、水工程智能調度模型等關鍵技術，并針對試點建設情況介紹了數字孿生漢江流域部分應用建設成果。經過階段性建設，基本實現了流域防洪“四預”流程、年度水量調度計劃編制等功能，初步實現了漢江流域水利全要素數字化和虛擬化、流域狀態實時化和可視化、流域水工程管理決策協同化和智能化。

目前，數字孿生漢江流域處于試點研發中間階段，試點建設還存在一些問題，例如：智能調度規則及引擎有待進一步完善，預演場景無法靈活快速構建，預案中針對防洪風險的應對行動方案尚未涉及，功能應用效果和用戶友好性有待在試運行過程中不斷改進等。后續將緊緊圍繞“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的原則，從流域實時狀態的真實映射和調度預演對實際調度運行的準確模擬、系統功能對會商決策需求的全流程滿足等方面，繼續推進漢江流域實體及功能業務的孿生建設，實現物理維度上的實體漢江流域與信息維度上的虛擬漢江流域同生共存、虛實交融，實現預報、預警、預演、預案“四預”功能，支撐漢江流域智慧化模擬和精準化決策，賦能漢江流域防洪、供水智慧化管理，提高先行先試的示范意義和推廣應用價值，助推水利事業高質量發展。