數字孿生驅動的智慧流域平臺研究與設計

饒小康 馬瑞 張力 柳嘉

摘要：流域管理涉及水資源、水生態、水環境、水災害等眾多問題，以數字孿生為基礎，將GIS，BIM，IoT融合的數字孿生與流域管理相結合，建立數字孿生數據及模型集成與可視化表達方法，研究數字孿生運行機制，構建智慧流域孿生體，設計數字孿生驅動的智慧流域平臺。以堵河流域水庫群防洪聯合調度管控為例進行應用實踐，實踐證明：相比傳統流域數據庫管理或二維平面管理中的信息不全、精度不夠、反饋滯后、表達單一等問題，數字孿生驅動的智慧流域平臺可在空間地理數據、BIM模型數據、物聯網數據融合與交互的基礎上，基于數據、模型雙向驅動，實現外部環境下的仿真、決策、優化和可視，其管控效果優于傳統手段。平臺的研究與實踐可實現流域管理實時監測、診斷、分析、決策和預測，為其智能運行、精準管控和安全運維提供一種新的解決思路。

關鍵詞：數字孿生;智慧流域平臺;GIS+BIM+IoT;融合與集成

中圖法分類號：TV87 文獻標志碼：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、水生態治理、水環境整治、水災害防御以及社會經濟發展具有深遠的意義，隨著治水工作重點的轉變，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“推進國家水治理體系和治理能力現代化”等目標。將新一代信息技術運用于流域管理將有助于提高流域治理和管理水平。

數字孿生（Digital Twin，DT），指充分利用現實數據和實體模型，集成多學科、多專業知識在數字空間內完成“孿生鏡像”、反映現實物理世界運行過程的數字映射系統。相比以往數據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、表達單一等問題，數字孿生充分利用實時數據、歷史數據、孿生數據以及實體模型，集成多維模擬過程，在數字空間內針對物理空間場景中的人、機、物、工況、環境等要素進行全業務流程、全生命周期的描述與建模，構建融合交互、高效協同的數字孿生體，最終實現物理空間資源配置和運行的按需響應、快速迭代和動態優化[1]。李德仁[2-3]表示數字孿生是物理世界與網絡世界虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，將物理實體和系統的屬性、結構、狀態、性能、功能映射到虛擬世界。借助數字孿生，實現長江流域生態環境與災害的智能管理，通過實時的協同系統，利用上萬個傳感器采集上億個實時數據，便能獲知各類信息并及時分析、決策。

本文借助GIS，BIM，IoT及人工智能等新興技術，利用數字孿生技術在信息空間中對流域要素、外部工況、環境等實體進行忠實復刻，通過數據、模型雙向驅動，構建相應的數字孿生驅動智慧流域平臺。通過數字孿生體與物理實體在位置、幾何、行為、規則等方面精確的映射關系，基于實時數據、歷史數據、孿生數據和專業模型，針對流域管理進行實時、交互的仿真、決策、優化和可視，實現數據驅動、虛實同步、動態修正、高效協同，為流域管理智能運行、精準管控和安全運維提供一種新的解決思路。

1 數字孿生融合與集成

1.1 數據融合與集成方法

將微觀領域的BIM數據與宏觀領域的GIS數據進行融合與交換，使GIS從室外走進室內、從地面走進地下、從宏觀走進微觀，可在多個領域得到深層次的應用。同時，IoT數據本身無法與建筑物實體的空間位置信息和幾何信息產生關聯，需與 GIS建立宏觀地理環境信息、與BIM建立微觀建筑模型信息進行有機融合，構建數字孿生全要素信息，如圖1所示。與GIS，BIM，IoT單獨應用相比，三者的集成與融合在建模質量、仿真 精度、決策效率、渲染表達等方面都有著明顯的優勢[4]。

平臺針對大規模空間地理數據、BIM模型數據以及物聯網數據，研究GIS數據和BIM數據之間幾何差異和語義信息差異，分析二者數據結構（IFC，CityGML等）之間的異同，通過幾何數據、坐標系統、屬性信息等的轉換實現BIM模型與3D GIS模型的轉換融合，最終實現GIS，BIM，IoT的集成與融合（圖1）。

自主研發三維GIS平臺，支持AUTODESK，BENTLEY，CATIA等BIM 主流數據的無損接入，超百萬級部件的 BIM 模型實時加載，通過實例化技術、LOD（多細節層次）技術、輕量化處理技術以及三維緩存技術等，對BIM性能進行優化，解決BIM 精細化模型在大場景展示時資源浪費、加載卡頓等問題;同時利用WebGL技術，通過對計算機底層GPU的調用實現三維場景的可視化渲染，建立BIM模型與3DGIS服務集成方法，結合Web及移動端技術，實現跨平臺、跨終端的三維場景分析及管理服務。

1.2 數字孿生運行機制

數字孿生驅動的智慧流域平臺集成先進的物聯感知、大數據、云計算、無線通信和自動控制技術，通過在信息空間內對物理實體從位置、幾何、行為、規則等方面進行全要素、多維度描述與建模，建立物理空間與信息空間的動態鏈接和實時交互，實現基于數據、模型雙向驅動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行，達到虛實融合、同步互聯的閉環優化[5]，其運行機制如圖2所示。

平臺基于物聯網采集的水雨工情、地質等基礎信息，集成水文預報、防洪調度、洪水演進、水生態承載力、水資源優化配置、污染物運移等專業模型，在三維GIS空間內建立與BIM模型全要素映射和實時融合交互，對各類工況、環境、參數條件下智慧流域進行仿真驅動，生成相應流域管理仿真決策方案，及時進行會商發布并提供決策支持。基于孿生系統全面感知、信息交互、深度分析、科學決策的運行機制，可提升整個工程的組織和決策能力，實現整體資源優化配置、各功能模塊統一調度，提高孿生平臺協作效率。

1.3 數字孿生可視化表達方法

空間地理數據、BIM模型數據和物聯網感知數據是數字孿生驅動智慧流域的數字底板，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雜的環境、工況和演進進行全方位、多視角、深層次的可視化表達是數字孿生研究的關鍵內容[6-7]。

平臺針對海量多源時空數據、BIM模型、物聯網監測數據，建立了多種可視化表達方法，包括：①三維復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場景自適應可視化方法，滿足不同用戶視角場景下模型加載自適應;④物理環境仿真可視化方法，實現信息空間真實環境高逼真渲染，如圖3所示。

自主研發三維GIS平臺建立數字孿生可視化表達方法，無縫集成海量多源時空數據、BIM模型數據和物聯網數據，建立宏觀、中觀、微觀一體化管理、大規模三維場景集成調度、全空間多尺度多層次表達方法，實現信息空間數字孿生重建。

2 智慧流域數字孿生體構建

基于數字孿生的智慧流域旨在信息空間建立一個與物理實體精確映射、交融互動的智慧流域數字孿生體，建立全流域、全要素、全生命周期的智能感知，構建基于GIS+BIM+IoT的數字模型，通過數據、模型雙向驅動，實現流域運行管理的仿真、決策、優化和可視。智慧流域各業務應用場景在信息空間均應有其對應的數字孿生體，以實現對各業務實體的運行狀態、性能、活動等實時監控、模擬、預測、診斷和控制。本文智慧流域數字孿生體主要包括綜合監管孿生體、水資源管理孿生體、水生態修復孿生體、水環境保護孿生體、水災害防御孿生體以及政務和公共服務孿生體的構建[8-9]。

2.1 綜合監管孿生體

（1） 信息全息展示。面向全流域快速匯集數據，構建全面掌握流域涉水信息、實現信息智慧化聯動展示的孿生體。依托模型云、算法庫、知識庫等技術基礎，及時發現問題，啟動相關業務分析處理，監督執行情況，實現監管方案的結果跟蹤、綜合比對與分析評價。

（2） 業務協同。針對各業務、區域提出的需求，根據所涉及的相關業務，構建綜合分析、協調處置和智能決策孿生體，實現服務于流域綜合管理的協同支撐，提升監管效能。

2.2 水資源管理孿生體

（1） 水資源動態監控評價。構建水資源動態監控評價孿生體，實現水資源實時監控，在信息空間利用水資源評價模型，按不同時間和空間尺度分析評價流域水資源狀況和開發利用現狀。

（2） 水資源優化配置。協調多水源供水、多目標用水之間的關系，構建水資源優化配置孿生體，針對流域生態環境用水嚴重不足的情況，在優先保障流域內基本生態和居民生活用水的基礎上，統籌考慮各方面用水需求，對多水源進行聯合配置。

（3） 水資源聯合調度管理。利用氣象預報和實時監測數據，構建水資源聯合調度管理孿生體，掌握徑流變化，預測來水情況，綜合考慮流域內各水利工程的調度能力、效果和用水需求，生成精細化動態聯合調度方案。

（4） 取水節水管理。基于信息空間取水節水孿生體，實時監控取用水情況，按不同尺度分析用水情況，結合用水總量控制指標、取水許可、用水計劃和定額等相關指標，實現異常情況報警、用水效率和節水水平分析。

2.3 水生態修復孿生體

（1） 水生態分析評價。利用遙感、視頻及人工智能識別等技術，結合輿情感知、問題上報、監督檢查等多源信息，構建涵蓋各環節業務的閉環數字孿生工作平臺，及時掌握水生態空間變化，提供巡查管理、現場調度、績效考核等輔助功能，實現河湖水域岸線的空間管控。

（2） 地下水保護。以淺層地下水為主要監控目標，兼顧已開發利用的深層地下水，構建地下水保護孿生體，對超采區和水源地、外調水受水區、海水入侵區等重點地區地下水進行監控，同時，利用孿生體地下水數值模擬分析方法，預測地下水變化情況，評價降雨、開采、生態補水、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務管理最小單元，實現流域水土流失綜合治理、水土保持預防監督、水土保持監測管理等業務信息的采集編輯、檢索瀏覽、統計分析、輸出調用等智能化、一體化聯動管理。

2.4 水環境保護孿生體

（1） 水質分析預測。以水功能區、水源地、行政區界、引調水沿線、河口為重點監控水質狀況，圍繞水質目標和污染物排放總量控制指標，構建水質分析預測孿生體，加強污染源監控、分析和風險預警，實現不同來水條件、調水方案、灌溉模式和排污控制措施影響下的水質變化分析預測。

（2） 水污染應急處置。整合監測、調查及外行業數據，以風險防控為目標，構建水污染應急處置孿生體，分析預判潛在風險源和易發生地點，及時識別、跟蹤突發水污染事件，利用水污染模型實現污染模擬、風險分析、處置方案推演和優選，構建信息服務、溝通交互、過程記錄、信息發布、效果評估、措施分析等支撐服務。

2.5 水災害防御孿生體

（1） 防汛抗旱。以事件為主線跟蹤流域洪水和干旱事態，構建流域防汛抗旱孿生體，基于實時數據、歷史數據、孿生數據和專業模型，進行流域防汛抗旱的仿真、決策、優化和可視，打造多維智能分析、水工程聯合調度、多目標調度情景模擬、場景式全周期記錄的決策支持全鏈條。

（2） 工程建設和安全運行。以水庫、堤防、閘壩等水利工程為管理重點，利用三維模型、視頻、傳感等技術實現工程風險動態感知，構建工程建設和安全運行數字孿生體，實現工程安全狀態監控、評估和風險預警;同時，建設工程安全數字孿生管理平臺，實現水利工程建設和運行全周期的安全監管。

2.6 政務服務孿生體

圍繞流域資產、項目規劃、財務、扶貧、機關事務等行政事務，利用信息融合共享、流程優化再造等手段，構建政務服務孿生體，促進政務服務的規范化和跨部門的政務協同，對監督檢查工作提供全流程支撐。

2.7 公共服務孿生體

（1） 信息服務。面向社會公眾，提供生產、生活和娛樂等活動所需與水相關的信息服務，構建包括災害事件預警預報、用水節水指導建議等信息服務孿生體，并向相關管理、科研、生產經營等單位，提供信息服務。

（2） 事務服務。基于事務服務孿生體，構建行政審批辦理平臺，實現行政審批事項的在線辦理和信息公開;構建水權交易平臺，為地區間、行業間、用水戶間開展水權交易提供管理工具，促進水權交易的規范和統一管理。

（3） 信息交流。匯集互聯網涉水信息，構建信息交流孿生體，通過大數據智能分析，提取有效信息內容，篩選熱點信息，預測輿情發展，歸類業務方向，為有效的公共服務工作提供依據。

3 數字孿生驅動的智慧流域平臺總體設計

3.1 總體架構

平臺基于B/S結構進行總體架構設計，包含物理層、數據層、業務邏輯層、數字孿生體和用戶交互層5個層級，并通過相關標準規范體系和安全保障體系確保平臺規范、安全和高效運行[10-12]，總體架構如圖4所示。

3.2 總體設計與實現

平臺主要包括物理層、數據層、業務邏輯層、數字孿生體、用戶交互層5個層級[13-17]。

（1） 物理層。物理層是整個數字孿生體系的基礎支撐，包含空天地一體化感知設備和物理實體模型，負責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體、環境、信息等全要素、全生命周期的描述和建模。

（2） 數據層。數據層主要實現數據交換、融合、存儲、處理、共享等功能，同時集成大數據、云計算、虛擬化等技術，為整個孿生平臺提供基礎數據支撐。包括物理世界中相關實體的GIS，BIM，IoT等鏡像模型數據、實時數據、歷史數據和孿生數據，具備大吞吐量和高可用性等處理性能。

（3） 業務邏輯層。業務邏輯層借助GIS，BIM，IoT數據融合與集成、人工智能、仿真模擬、決策控制、數字孿生可視化，通過孿生體與物理實體在位置、幾何、行為、規則等方面精確的映射關系，構建信息空間中各類實體、環境、參數的模擬仿真和決策支持模型，實現流域在不同工況、環境下的水資源、水生態、水環境、水災害等的管理。

（4） 數字孿生體。數字孿生體與物理實體對象一一對應，包括在各類工況下與智慧流域平臺互為鏡像的綜合監管、水資源管理、水生態修復、水環境保護、水災害防御以及政務和公共服務，實現虛實之間的信息實時互動、孿生體更新、數據模型驅動、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務管理和交互界面。

平臺基于自主研發的三維GIS平臺框架，集成空間地理數據（影像、地形、矢量、專題數據、三維實景模型等）、BIM模型數據、物聯網感知數據，采用主流先進的前后端分離的開發模式進行構建。前端選用Angular，WebGL平臺框架進行用戶交互和三維呈現;后臺選用C++，JavaEE WEB，Python體系架構進行業務邏輯和算法實現;數據庫采用MySQL，PostgreSQL，MongoDB實現空間數據、BIM數據和屬性數據的存儲與管理，由此構建數字孿生驅動的智慧流域平臺，并基于HTTP協議的REST Web服務架構實現專業模型的數據交換和業務集成。總體實現方式保障整個數字孿生平臺的擴展性、兼容性和先進性。

4 數字孿生驅動的智慧流域平臺應用實踐

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合調度管控系統為例，進行智慧流域數字孿生平臺應用實踐，平臺融合了堵河流域空間地理數據、BIM模型數據、三維實景模型數據以及實時水雨工情等物聯網數據，集成了流域水庫群水文預報、洪水演進、防洪調度等專業模型，通過在信息空間里建立與物理世界互為映射關系的數字孿生體，構建了多尺度、多層級的流域水庫群監測、診斷、分析、決策和預測等應用，其孿生體構建流程如圖5所示，平臺部分功能頁面如圖6～10所示。

應用實踐表明：數字孿生驅動的智慧流域平臺在信息空間內集成了海量多源異構數據，融合流域管理各類專業模型，提升了信息空間模擬仿真的運行效率和表達效果，實現了全要素、多角度、深層次的仿真決策;同時借助大數據、云計算、人工智能等技術，在信息檢索、統計分析、水文預報、防洪調度、方案推演、決策對比等方面具有快速、高效、精準、可視等優點，可為流域管理提供決策依據、提高治理水平。

5 總結與展望

5.1 總 結

本文基于GIS，BIM，IoT，人工智能等技術，利用數字孿生在信息空間中對流域管理、外部工況、實體環境等進行描述建模，實現物理空間與信息空間的動態鏈接和實時交互，建立數字孿生驅動的智慧流域平臺。相比傳統數據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、表達單一等問題，數字孿生驅動的智慧流域平臺通過對物理實體在位置、幾何、行為、規則等方面的全要素重建，結合實時數據、歷史數據、孿生數據和專業模型，并根據流域實際狀況和防洪形勢等內外環境的變化，構建流域物理世界與信息世界的交互融合的孿生系統，實現流域管理在外部環境下的仿真、決策、優化和可視。平臺的研究與實踐提供了應對外部復雜環境變化的有效決策，實現了數據驅動、虛實同步、動態修正、高效協同的管理理念，達到了流域治理以虛控實的管控目的。

5.2 展 望

數字孿生初步實現了工業制造、建筑、水利方面的虛實交互、共同演化，但在一些領域尚存疑問和爭論，仍處于探索階段，普及程度尚有欠缺，借助當下5G、北斗衛星、區塊鏈等技術在數據采集和處理方面的優勢，可進一步增強實體要素之間聯系，促進各要素深度融合交互，提升各孿生體之間交互協作，有助于建立更為完善、強大的數字孿生體。

參考文獻：

[1] Tao F， Cheng J， Qi Q， et al. Digital twin-driven product design， manufacturing and service with big data[J].? The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2018，94：3563-3576.

[2] 李德仁. 基于數字孿生的智慧城市[J]. 互聯網天地，2021（7）：12.

[3] 李德仁. 數字孿生城市 智慧城市建設的新高度[J]. 中國勘察設計，2020（10）：13-14.

[4] He B， Cao X， Hua Y.? Data fusion-based sustainable digital twin system of intelligent detection robotics[J].? Journal of Cleaner Production， 2020， 280：124181.

[5] 郭仁忠，林浩嘉，賀彪，等. 面向智慧城市的GIS框架[J]. 武漢大學學報（信息科學版），2020，45（12）：1829-1835.

[6] 蔣亞東，石焱文. 數字孿生技術在水利工程運行管理中的應用[J]. 科技通報，2019，35（11）：5-9.

[7] 石婷婷，徐建華，張雨濃. 數字孿生技術驅動下的智慧圖書館應用場景與體系架構設計[J]. 情報理論與實踐，2021，44（3）：149-156.

[8] 周蘊，丁瑤，張亞玲. 北方地區智慧流域業務應用建設構想[J]. 水利信息化，2020（3）：10-15.

[9] 饒小康，馬瑞，張力，等. 基于GIS+BIM+IoT數字孿生的堤防工程安全管理平臺研究與設計[J/OL]. 中國農村水利水電.2021-01-16[2021-09-24]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1419.TV.20210906.1700.044.html.

[10] 饒小康，馬瑞，張力，等. 基于人工智能的堤防工程大數據安全管理平臺及其實現[J]. 長江科學院院報，2019，36（10）：104-110.

[11] 張萬順，王浩. 流域水環境水生態智慧化管理云平臺及應用[J]. 水利學報，2021，52（2）：142-149.

[12] 鄧真平，段美前. 流域型智慧水電一體化大數據平臺建設[J]. 重慶科技學院學報（自然科學版），2020，22（6）：86-89，97.

[13] 饒小康，賈寶良，郭亮，等. 基于大數據平臺的灌漿工程單位注入量的預測研究[J]. 水電能源科學，2018，36（4）：130-133，169.

[14] 饒小康. 水利工程灌漿大數據平臺設計與實現[J]. 長江科學院院報，2019，36（6）：139-145，170.

[15] 蔣云鐘，冶運濤，趙紅莉，等. 水利大數據研究現狀與展望[J]. 水力發電學報，2020，39（10）：1-32.

[16] 馬瑞，董玲燕，義崇政. 基于物聯網與三維可視化技術的大壩安全管理平臺及其實現[J]. 長江科學院院報，2019，36（10）：111-116.

[17] 蔣云鐘，冶運濤，王浩. 基于物聯網理念的流域智能調度技術體系芻議[J]. 水利信息化，2010（5）：1-5，10.

（編輯：李 晗）