周超　唐海华　李琪　罗斌　冯快乐

摘要：利用数字孪生技术模拟虚拟水场景是智慧水利建设的新要求之一。目前水利行业主要通过数据模拟展示虚拟的水体场景，但该方法难以有效解决实际水利业务发生动态演化、应用需求存在差异化的决策问题。因此，基于数字孪生理念研究水利业务的建模技术具有十分重要的意义。构建了水利业务问题与决策流程的孪生建模平台，通过对水利对象、模型、方案、应用的可视化建模，动态建立映射真实业务的孪生应用。通过该平台构建了长江流域的水工程预报调度业务体系，有效支撑了长江流域水工程防灾联合调度系统的建设，对在数字孪生流域中高效管理水利业务起到一定推动作用。

关键词：数字孪生; 水利业务; 决策流程; 组件技术; 动态建模; 长江流域

中图法分类号： TP399

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.034

0引 言

经过多年的发展和建设，中国各流域已建成由水库、堤防、蓄滞洪区、涵闸泵站等组成的复杂工程体系，流域管理已逐步从建设专项运行管理进入后工程管理时期[1]。为响应水利部加强智慧水利建设工作的号召，水利行业引入其他行业的先进技术提升传统水利的管理手段[2]，加强数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术的应用[3]。“数字孪生”是真实世界的复制，是对真实世界进行深度数字化的分析和模拟[4]，目前在城市建设与工业领域使用广泛[5]。水利行业与数字孪生的结合尚处于初级阶段，目前应用主要集中于通过地理信息、感知测量等实现水流状态的映射以及对工程构造的虚拟模型建设[6-7]，实现水场景的可视化展现。但在流域预报、工程调度等涉及演算与决策过程的业务工作领域未见深入应用，主要体现在缺少基于数字孪生思维的水利业务建模概念，缺乏相关问题建模及模拟运行的支撑技术。针对上述问题，本文对水利业务孪生概念展开探讨，提出研究水利业务孪生建模平台总体框架以及相应的数字孪生建模技术，最后通過长江流域水工程防灾联合调度系统的实际案例，展示了该平台的应用效果。

1水利业务数字孪生及其建模

水利业务如防洪调度、水资源调度等，是指通过人工手段干涉，基于水利专业理论、有效计算分析与合理决策，实现对水资源的科学精细化管理。数字孪生技术是对真实世界的复制，本文基于此概念，以客观水流、水信息流以及水利业务流构成水利业务数字孪生场景，如图1所示。

1.1客观水流

真实世界中客观的、流动的水流，是整个体系的基底，随着时间的发展，客观水流不断地演化发展，对自然及人类社会产生影响。

1.2水利信息流

通过高效、实时的监测技术手段，采集客观水流中的天然河湖、水利工程的状态信息，通过信息手段将这些对象的状态在数字虚拟空间中建模并同步，即为水利信息流。目前水利数字孪生的应用多属于本部分，管理者可以通过虚拟化的水场景，迅速掌握广泛流域下的水信息。

1.3水利业务流

以水利信息流为承载，管理者通过预报、调度等水利业务手段，形成对水工程的调控运行方案，对客观水流的自然发展施加干涉，减少水灾害影响、提升水资源利用能力。从实际工作的角度，通过虚拟场景中叠加数据再现水利场景，提供了决策数据和场景的运行基础，后续执行的水利业务分析演算决策过程，是影响运行及管理的关键，亦是水利业务数字化场景运转的核心内容。

1.4水利业务数字孪生建模

本文所讨论的水利业务数字孪生建模如图2所示。其中包含：各类水利对象相互衔接组成的复杂流域水利网络，以及工程调控计算、径流演进模拟等影响水流过程的计算过程。基于此建模，可进一步构造水利决策支持系统中的决策应用。相比水利信息流是对实体水场景进行建模映射，水利业务数字孪生建模主要面向水利调控决策等业务流程的抽象过程，是水利专业结合数字孪生的深化拓展。

目前，对水利决策业务的数字化支撑，主要有国内各地建设的防汛抗旱一期、二期指挥系统等，通过调度管理模型和调度业务应用建设，发挥专业调度技术的支撑作用[8]。但是这些系统均只能作为单一水利业务的应用实例，且不同流域地方主要通过定制化开发完成，不能为流域产汇流预报、水工程联合调控等业务提供通用的运行底座，尚不能满足水利业务数字孪生支撑的需求。

2水利业务数字孪生建模平台

为实现水利业务数字孪生，利用组件化、标准化建设手段，研究建立水利业务的数字孪生建模平台。

2.1平台构建思路

平台总体技术路线如图3所示。面向流域运行管理业务应用，将可视化配置与增量式开发相结合，支持各类专业应用功能、关键技术内容的动态交互，实现智慧流域业务应用系统的快速搭建。

用户可利用本平台的服务，进行水利管理业务的数字孪生建模，内容包括：工程项目、水利计算节点对象、水利计算模型及参数、水利功能流程及展示交互等。由平台智能解析服务配置信息，自动生成专业业务应用，整个过程基本无需代码编程等传统软件开发手段。

2.2平台逻辑及功能架构

平台将水利专业模型、计算机业务流技术、可视化搭建技术等多种技术有机结合，动态映射与搭建实际决策问题，建立可维护的水利业务作业过程。

总体服务体系如图4所示，主要包含：水利业务对象配置、水利业务模型配置、水利业务方案配置、水利业务应用配置以及驱动配置生效的解析与智能组装服务。各项配置内容覆盖了一项水利业务所需的基本要素，能够实现面向不同应用场景、应用环节与范围的动态决策响应，按需快速搭建业务应用。

（1） 水利业务对象配置与水利业务模型配置，为对应业务所涉及的水利对象、计算模型等提供实例化注册及管理服务，为搭建复杂应用提供基础元素。

（2） 水利业务方案配置，面向用户在实际业务中所需要计算分析的问题，通过可视化的界面，对问题所涉及的对象、模型、水利拓扑、计算关系等进行设置，类似于建立水利模型计算运行的说明。

（3） 水利业务应用配置，针对向用户呈现的业务应用及交互展示界面，提供以可视化、图形化的方式，通过画板设计并绘制出所需的界面布局及展示交互内容。

（4） 水利业务配置解析及智能组装服务，是根据上述配置服务，智能解析配置说明信息并组装基础元素，自动化发布实际应用功能实例，最终呈现的服务即为提供用户使用的应用操作界面以及实际业务运行流程。

3平台建模技术

平台建模主要包含业务对象、业务计算模型、业务方案、业务应用等。

3.1业务对象建模

水利业务可能涉及河流、水库、测站、河段、防洪对象等多种水利对象，各类对象亦包含基础属性、特征指标和设计参数等多维属性数据，需要按类型分别进行水利对象的系统属性概化，实现灵活建模。

平台业务对象建模技术如图5所示。用户根据实际业务场景，设置具体对象实例、对象具有的属性条目以及属性的数值，平台通过对象管理服务自动完成虚拟场景中水利对象的实例构造。对应建模功能界面如图6所示，实现系统内所有防洪调度水利对象的统一管理和集中维护。

3.2业务计算模型建模

水利计算分析是专业决策的关键，而专业模型是计算分析的核心支撑。水利专业覆盖面广，专业模型理论丰富，且由于模型研发手段的区别，不同应用间模型的实现模式、编程手段呈现多样化，因此在业务模拟过程中应重点实现模型的统一维护、高效调用。

为此本文提出模型建模技术体系，如图7所示。以“参数分离、对象解耦”为核心理念对计算模型的开发、封装与接入做出统一约束与管理。针对如流域模拟、防洪风险评估、联合调度计算、风险分析等业务，分别封装核心算法，建立标准调用服务，构建水利计算模型库。针对实际业务计算任务，为用户提供可设置的模型计算参数、模型输入输出属性设置项。功能界面如图8所示，此例为API产流模型的建模界面，能够为预报业务中的不同子流域对象建立相应的计算参数体系。

3.3业务方案建模

水利业务方案是实现流域综合管理调控的基础，从各大流域批复执行的联合调度方案，到各水库、闸门泵站等單一水工程的运行方案，均通过方案指导业务过程流转、驱动调控分析计算运行。因此，需要在虚拟场景中，动态构造各类水利对象相互衔接的复杂水力网络，并在网络中耦合产汇流、工程调控、径流演进模拟等影响水流过程的业务计算动作。

业务方案建模技术主要包含水力拓扑实例和拓扑节点的计算实例（见图9），建模所使用的基础对象与模型实例，由3.1，3.2节中的管理实现。水力拓扑实例，使用编码、名称、类型、指向节点、下级节点等要素，以条目化的方式映射真实流域的干支流、上下游关系。拓扑节点计算实例，为拓扑中每个计算节点（如预报区间、水库、演进河段等），分别定义计算模型，如产汇流计算模型、水库调度模型、演进模型等。

对应的平台功能界面，如图10所示，图中实例为流域水库群联合调度方案的拓扑配置。完成各项配置后，平台将水力拓扑信息自动解析为计算服务中的多个计算节点，并自动设置计算控制信息，建立虚拟场景中的业务方案的计算流程。

3.4业务应用建模

水利业务应用为用户提供业务决策的交互界面。不同问题场景下用户对展示交互关注点有较大区分，快速应对实际决策问题演化过程中的展示交互需求是建模的难点。

水利业务应用建模技术，如图11所示。在对计算方案建模的基础上，进一步根据决策业务的展示、交互、流程等实际需求，通过自定义绘制的方式对基础界面展示交互控件进行设置，组合复杂的、具有实际业务功能含义的应用交互面板，如：预报预警面板、调度决策面板等。

面板图元布局绘制，可根据实际业务应用的信息展示需求，利用平台提供的基本图元，按一定的方式组织页面展示布局，以拖、拉、拽的形式，在空白面板上任意搭建界面布局、安放各类展示图元，包括输入框、按钮等常见要素和各种水利专题展示控件等定制化内容。交互事件绑定，根据图元的交互使用需求，对界面图元如点击操作后系统进行的处理或响应动作进行设置。事件数据绑定，用于设定图元事件响应后触发的系统数据交互过程。具体功能界面如图12所示，此例为展示布局的动态搭建界面。

4平台应用案例

在由水利部水旱灾害防御司与长江水利委员会统筹组织、长江勘测规划设计研究有限责任公司承担，以长江流域为示范的流域水工程联合智能调度系统研发及运行中，该平台提供了直接技术支撑。通过平台业务数字孪生建模服务体系，在虚拟场景下按长江流域真实流域径流和水工程调度的业务关系，构造了复杂的预报调度应用。

长江流域水工程防灾联合调度系统如图13所示。由上文平台支撑运行：利用对象建模建设长江流域各类水利对象1 400余个;通过模型建模，配套建设各类预报调度模型200余个;通过方案建模，在流域模拟功能建立了长江流域的预报方案计算业务场景，含110余个预报子流域、超80个预报区间组成的长江全流域水文预报体系，上边界为溪洛渡水库，下边界至大通断面，涉及嘉陵江、乌江等重要支流;另外在联合调度功能下建立了水工程联合调度业务场景，含长江上游及下游两湖区域的水库群、46个蓄滞洪区、数百个洲滩民垸区划、数十个演进河段。具体如图14，15所示。

该套系统支撑了长江流域的实际管理工作。在1954年洪水复盘工作中，通过平台直接更新的方式，半个月内完成了流域历史水文与现状水工程调度业务的耦合建模，为有效开展复盘演算研究提供了良好的工作基础。在2020年长江流域大洪水的防御决策中，以2号洪水为例，现有国家防汛抗旱指挥系统因系统功能与开发技术无法对洲滩民垸的联合调度业务场景进行直接计算支撑，该套系统通过平台实时更新配置，动态增加了长江中下游的洲滩民垸调度对象并拓展了联合调度业务体系，支撑了本次洪水的调度业务场景，如图16所示。总体上，利用该平台可快速实现水利业务孪生的数字化应用与系统构建，对比通过传统手段建设水利信息系统，可更好地适应实际流域防灾管理的不同问题，快速调整业务应用内容，迅速提供决策支撑。

5结 语

本文构建了水利业务数字孪生建模平台，提供了虚拟环境下水利对象、模型、方案、应用等水利业务要素的动态建模技术。本平台替代传统手段耗时长、工作量大的定制化系统开发工作，通过水利业务数字孪生建模的成果可快速响应未来决策变化、按需调整，在长江流域水工程防灾联合调度示范系统的业务应用建设及运行中提供支撑服务。

参考文献：

[1]黄艳.长江流域水工程联合调度方案的实践与思考：2020年防洪调度[J].人民长江，2020，51（12）：116-128，134.

[2]鄂竟平.坚定不移践行水利改革发展总基调，加快推进水利治理体系和治理能力现代化：在2020年全国水利工作会议上的讲话[J].中国水利，2020（2）：1-15.

[3]李国英.深入贯彻新发展理念 推进水资源集约安全利用[N].人民日报，2021-03-22（10）.

[4]陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.

[5]陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.

[6]张社荣，姜佩奇，吴正桥.水电工程设计施工一体化精益建造技术研究进展：数字孪生应用模式探索[J].水力发电学报，2021，40（1）：1-12.

[7]石焱文，蔡钟瑶.基于数字孪生技术的水利工程运行管理体系构建[C]∥河海大学.2019（第七届）中国水利信息化技术论坛论文集.南京：河海大学，北京沃特咨询有限公司，2019：6.

[8]刘汉宇.国家防汛抗旱指挥系统建设与成就[J].中国防汛抗旱，2019，29（10）：30-35.

（编辑：黄文晋）