論數(shù)字孿生技術(shù)與智慧水利建設(shè)

張以曉

(黑龍江省水利工程建設(shè)監(jiān)理公司，哈爾濱 150040)

1 數(shù)字孿生的定義與發(fā)展歷程

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生在業(yè)界關(guān)注和研究時(shí)間不長(zhǎng)，其概念和內(nèi)涵目前沒有統(tǒng)一的定義。標(biāo)準(zhǔn)化組織、學(xué)術(shù)界、企業(yè)等機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)字孿生定義表述不完全一致，相信隨著數(shù)字孿生研究和實(shí)踐不斷深入，人們賦予數(shù)字孿生的定義將更加科學(xué)準(zhǔn)確。

更多研究者趨向把數(shù)字孿生(Digital Twin)定義為“充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程”[1]。

1.2 數(shù)字孿生的發(fā)展歷程

有人認(rèn)為數(shù)字孿生是美國(guó)密歇根大學(xué)教授Micheal Grieves博士最早提出的。Micheal Grieves博士于2014年發(fā)表數(shù)字孿生白皮書《Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication》，文章中追溯自己曾經(jīng)在2002年密歇根大學(xué)PLM中心一次演講中提及類似數(shù)字孿生相關(guān)概念、在2003年一次高管培訓(xùn)會(huì)議上提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體概念”，但這種說法缺少書面的文獻(xiàn)或資料佐證。

2010年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在《Modeling，simulation，information technology & processing roadmap》中詳細(xì)說明了對(duì)于航天器數(shù)字孿生的定義和功能，首次書面提出實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”路線圖的草案，但正式版直到2012年才發(fā)表。與此同時(shí)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL,Air Force Research Laboratory)其結(jié)構(gòu)力學(xué)部門的Pamela A.Kobn/n和EricJ.Tuegel于2011年3月作的題目“Condition-based Maintenance plus structural integrity(CBM+SI)& THE Airframe Digital Twin”(基于狀態(tài)的維護(hù)+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生)的演講，明確提到了數(shù)字孿生。AFRL希望實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。2012年，NASA的Glaessgen和AFRL的Stargel合作發(fā)表了一篇文章“The Digital Twin Paradigm for future NASA and U.S.Air Force Vehicles”，共同提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體理想模型，以應(yīng)對(duì)面對(duì)未來飛行器高負(fù)載、輕質(zhì)量以及極端環(huán)境下服役更長(zhǎng)時(shí)間的需求，文章對(duì)數(shù)字孿生第一次進(jìn)行了學(xué)術(shù)定義。

2011年左右德國(guó)西門子也緊跟著研究數(shù)字孿生，將其列入德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略。西門子工業(yè)軟件在2016年開始嘗試?yán)脭?shù)字孿生體來完善工業(yè)4.0應(yīng)用，到2017年底，西門子工業(yè)軟件正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型，成為第一個(gè)數(shù)字孿生實(shí)踐者2015年左右國(guó)內(nèi)包括北京航空航天大學(xué)數(shù)字孿生研究組和工業(yè)4.0研究院在內(nèi)多家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛啟動(dòng)了數(shù)字孿生相關(guān)的研究課題。

2017年北京航空航天大學(xué)數(shù)字孿生研究組發(fā)表國(guó)內(nèi)首篇數(shù)字孿生車間的文章，牽頭和全國(guó)10多所高校共同發(fā)起首場(chǎng)數(shù)字孿生會(huì)議，并于2018年提出了數(shù)字孿生五級(jí)模型。同年中國(guó)信息通信研究院發(fā)布《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告(2018年)》。

2019年10月16日，工業(yè)4.0研究院發(fā)起設(shè)立數(shù)字孿生體聯(lián)盟(Digital Twin Consortium，DTC)并啟動(dòng)了“數(shù)字孿生體2020+計(jì)劃”(Digital Twin Next 10 Years Initiative)。

2020年5月25日全國(guó)高校首家數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室落戶于常州大學(xué)。

2020年11月工信部電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布《數(shù)字孿生白皮書》提出數(shù)字孿生將廣泛應(yīng)用于工業(yè)、城市管理、交通、健康醫(yī)療等垂直行業(yè)。

數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)踐遠(yuǎn)早于數(shù)字孿生術(shù)語的定義，因?yàn)槿鄙倏勺匪菪杂涗浺虼搜芯空哧P(guān)于發(fā)展歷程特別是在交叉時(shí)段上發(fā)生的事件存在著不完全一致的表述。

2 數(shù)字孿生的要素、構(gòu)架與特征

2.1 數(shù)字孿生的要素

UINO優(yōu)锘科技總結(jié)指出數(shù)字孿生包括八大要素[2]：

1)元模型：用來定義標(biāo)準(zhǔn)。

2)唯一映射：確定孿生體與物理體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3)數(shù)據(jù)：確保孿生體能夠反映物理體的狀態(tài)。

4)接口：能夠讓應(yīng)用程序消費(fèi)。

5)反向控制能力：確保數(shù)字體能夠操控物理體。

6)可視&交互：人能夠通過孿生體認(rèn)知和管理物理體。

7)仿真：能夠通過自然規(guī)律來推演。

8)分析能力：可以基于數(shù)據(jù)和算法模型進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)。

2.2 數(shù)字孿生的架構(gòu)

在《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020》中指出數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應(yīng)用層(行業(yè)應(yīng)用層)組成。

有的研究者指出數(shù)字孿生系統(tǒng)主要有4個(gè)實(shí)體層級(jí)：

1)數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體，包括感知、控制、標(biāo)識(shí)等技術(shù)，承擔(dān)孿生體與物理對(duì)象間上行感知數(shù)據(jù)的采集和下行控制指令的執(zhí)行。

2)核心實(shí)體，依托通用支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建與融合、數(shù)據(jù)集成、仿真分析、系統(tǒng)擴(kuò)展等功能，是生成孿生體并拓展應(yīng)用的主要載體。

3)用戶實(shí)體，以可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為主，承擔(dān)人機(jī)交互的職能。

4)跨域?qū)嶓w，承擔(dān)各實(shí)體層級(jí)之間的數(shù)據(jù)互通和安全保障職能。

2.3 數(shù)字孿生特征

1)虛實(shí)映射。數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化表示，現(xiàn)實(shí)世界中的物理對(duì)象和數(shù)字空間中的孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互。

2)實(shí)時(shí)同步。在實(shí)時(shí)傳感等技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)反映物理對(duì)象的狀態(tài)變化，有外觀、性能、位置、異常等。

3)共生演進(jìn)。在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實(shí)現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生對(duì)象從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)到報(bào)廢的全生命周期，孿生體應(yīng)隨孿生對(duì)象生命周期進(jìn)程而不斷演進(jìn)更新。

4)閉環(huán)優(yōu)化。孿生體最終目的是在描述物理實(shí)體內(nèi)在機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析規(guī)律、洞察趨勢(shì)，通過分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。

3 智慧水利建設(shè)

3.1 智慧水利的內(nèi)涵

智慧水利是新時(shí)期水利事業(yè)發(fā)展科技進(jìn)步的顯著標(biāo)志，以水利科學(xué)和信息化技術(shù)為支撐，通過應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端、人工智能、水利模型、傳感器等新興技術(shù)，用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化形式表現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合成果，為全面提升水資源管理、保護(hù)、監(jiān)督能力和水安全保障能力以及推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供重要路徑和水利數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)。

智慧水利具備空間全域化、時(shí)間序列化、過程自動(dòng)化、應(yīng)用智能化、管理一體化、決策科學(xué)化的特征。

數(shù)字孿生技術(shù)是智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 引領(lǐng)智慧水利建設(shè)政策文件

1)2021年11月水利部發(fā)布《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出要加快建設(shè)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程，強(qiáng)化“四預(yù)”功能。表達(dá)積極參與智慧水利工程建設(shè)，利用數(shù)字孿生技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)治水為民、興水惠民愿景。

2)2022年1月國(guó)家發(fā)展改革委、水利部印發(fā)《“十四五”水安全保障規(guī)劃》明確指出加強(qiáng)智慧水利建設(shè)，提升數(shù)字化網(wǎng)格化智能化水平。

3)2022年2月水利部研究推出《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱(試行)》、《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》、《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求(試行)》等體系文件，為當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)開展數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程和水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

4)2022年3月25日水利部李國(guó)英部長(zhǎng)在《人民日?qǐng)?bào)》發(fā)表 “推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展全面提升國(guó)家水安全保障能力” 署名文章，提出推進(jìn)智慧水利建設(shè)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程。

3.3 智慧水利建設(shè)近期目標(biāo)

1)目標(biāo)：按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵模嫱七M(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案(簡(jiǎn)稱“四預(yù)”)功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。

2)數(shù)字孿生流域:國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”。對(duì)目標(biāo)流域內(nèi)河流的上下游、左右岸、干支流以及相關(guān)水域水利建設(shè)的工程體系、影響范圍、經(jīng)濟(jì)社會(huì)要素等現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行數(shù)字化，打造具有 “四預(yù)”級(jí)孿生平臺(tái)，形成二維圖像圖表和三維仿真模型對(duì)物理模型進(jìn)行數(shù)字映射展示，包括水利樞紐、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等各類水利工程及其配套和輔助設(shè)備數(shù)字化場(chǎng)景的還原。

3)數(shù)字孿生水利工程：數(shù)字孿生水利工程主要圍繞防洪安全、精準(zhǔn)調(diào)度、運(yùn)行安全管理、工作管理和綜合決策等開展建設(shè)，充分利用水工模型數(shù)據(jù)，傳感器更新水文數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，衛(wèi)星、GPS、雷達(dá)、無人機(jī)、攝像機(jī)、語音通訊等收集的影像、地理高程、氣象、移動(dòng)視頻、視頻監(jiān)控、指揮等數(shù)據(jù)，采取數(shù)字孿生技術(shù)分析和仿真，不僅提升洪水預(yù)報(bào)、調(diào)度方案預(yù)演模擬精度，而且實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)、防洪預(yù)警、工程調(diào)度等數(shù)字化場(chǎng)景下全過程模擬預(yù)演及預(yù)案決策；顯著增強(qiáng)水安全管理感知能力，提升水利工程運(yùn)行管理的智慧化模擬、精細(xì)化管理與科學(xué)化決策水平。

數(shù)字孿生大藤峽工程是全國(guó)水利行業(yè)首個(gè)正式開工建設(shè)的數(shù)字孿生水利工程，是“十四五”期間水利部?jī)?yōu)先選擇的12個(gè)重點(diǎn)水利工程開展數(shù)字孿生水利工程建設(shè)之一。

4 存在問題

2021年3月23日王敏、王子玥在中國(guó)社會(huì)科學(xué)網(wǎng)-中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào)發(fā)表《積極消解數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展中的現(xiàn)實(shí)隱憂》的文章，指出數(shù)字孿生應(yīng)用中存在標(biāo)準(zhǔn)體系缺乏、虛擬模型真實(shí)性、孿生數(shù)據(jù)安全性的隱憂問題并提供了相應(yīng)的消解路徑，須引起足夠重視。

5 結(jié) 語

數(shù)字孿生技術(shù)契合了我國(guó)以信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)賦能的戰(zhàn)略需求，數(shù)字孿生技術(shù)與各產(chǎn)業(yè)的深化融合有力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為產(chǎn)業(yè)變革的強(qiáng)大助力，具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。