數字孿生水文站建設關鍵技術與應用

摘要：為進一步強化水文監測預警能力與水文站網綜合管理能力，準確高效掌握水文要素變化趨勢，為水旱災害防御提供可視化、數字化、智慧化決策輔助和技術支撐，以數據底板、底層感知為基礎，以水文站業務全流程管理為重點，進行數字孿生水文站模塊化開發和系統化構建。以宣城水文站為例，建設以智慧水情、值班管理、日志中心、數據中心等為重點的水文站業務管理體系，同時運用數字孿生理念和技術體系，開發了監測預警體系、智慧場景應用、測驗場景模擬、洪水模擬計算與預演、水文數據反演等算法模塊。通過水文站數字孿生平臺的建設，實現了水文站業務全鏈條和管理、服務全過程的數字化映射、場景化模擬和智慧化管控工作。

關鍵詞：數字孿生； 智慧水文； 智慧場景； 輕量化引擎； 宣城水文站

中圖法分類號：TV391

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.018

文章編號：1006-0081（2024）11-0112-07

0 引 言

數字孿生技術是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數據，集成多學科、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實體裝備的全生命周期過程［1］。作為實現數字化轉型和促進智能化升級的重要技術，數字孿生技術在工業產品研發制造、電力系統、智慧城市等領域建立了相對成熟的理論技術體系，并已逐步走向實用階段［2-3］。在數字化發展的大趨勢下，數字孿生技術也在水利等傳統行業領域普及與推廣。國家“十四五”規劃綱要明確提出了“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”的要求［4］。數字孿生流域是以物理流域為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理流域全要素和水利治理管理活動全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，實現對物理流域的實時監控、發現問題、優化調度的新型基礎設施［5］。推進數字孿生流域建設是水利信息化發展的必然要求，也是強化流域治理管理的迫切需求［6］。

水文作為水利發展的先行性、基礎性工作，在興水利、除水害、保生態等方面提供了科學決策依據［7］。本文從數字孿生流域構建理念出發，闡述了數字孿生水文站的建設目標與架構，以水文基礎感知數據為數據底板，結合水文站日常管理業務和運行要求，研發了水文監測預警、水文數據反演、洪水模擬計算與預演等算法模塊，搭建了數字孿生水文站示范平臺，為整體的數字孿生流域建設提供基礎數據服務和技術支撐。

1 總體架構

數字孿生水文站，以可視化、數字化、智慧化為建設主線，以數字底板建設、智慧場景模擬、精準化決策為實施路徑，通過無人機傾斜攝影、BIM技術、GIS技術以及3D引擎技術等構建水文站數字孿生可視化平臺，獲取水雨情、工情和視頻等底層感知信息，搭建基礎數據管理服務平臺。運用數字孿生理念和技術體系，以實現對水文業務全鏈條管理、全過程服務的數字化為目的，輔以數據、模型、知識、規則等，實現水文站物理空間與數字空間的虛實映射、雙向交互、迭代優化，旨在解決水文業務復雜性和管理服務不確定性等問題，提高測報效率與水文社會服務質量，并將水文站運行管理水平全面提升到新高度。

數字孿生水文站智慧平臺建設，以水文站的業務管理模塊為中心，集成正射影像、激光點云、地形數據、傾斜攝影、BIM模型、矢量數據等多源異構數據來搭建數字孿生數據底板，并結合水文行業基礎數據，進一步建設以智慧水情、值班管理、日志中心、系統管理為重點的水文站管理業務體系，輔以監測預警、智慧場景、水文測驗模擬、洪水演變模擬、流場計算模擬、巡檢漫游等模型算法，形成一整套完備的數字孿生水文站解決方案，平臺總體架構如圖1所示。

2 關鍵技術研究

2.1 輕量化三維渲染引擎

三維渲染方式一般有以下幾種：① 基于傳統GIS信息的三維可視化平臺，如Cesium平臺［8］，但此類平臺更側重地理信息數據的展示，場景渲染效果較弱；② 引入游戲引擎，如UE（虛幻引擎）、Unity等［9］，但UE與Unity只支持C端，映射到B端無法像Web端應用一樣擁有更靈活的交互和顯示，也沒有利用現代 Web 瀏覽器API的能力。

對比前兩者，Babylon.js基于WebGL底層進行開發［10］，同時對WebGPU擁有完整支持，還配有動畫調試、材質編輯、資源捕獲等開發工具，能夠很好支持場景中的物理碰撞。選擇Babylon.js作為基礎渲染引擎，并與傳統GIS信息展示平臺相結合，能夠搭建可快速移植復刻的輕量化三維渲染引擎。場景渲染效果如圖2所示。

2.2 纜道測流模擬仿真

纜道測流系統是信息化技術在水文測驗領域的創新應用手段之一［11］，纜道測流三維模擬仿真展示是數字孿生水文站建設的重要組成部分。在實現纜道測流模擬仿真展示過程中，將視角場景進行網格化處理，場景相機以網格作為目標，并在物理移動時進行跟隨。測驗過程模擬使用“跟隨相機”在測驗設備運動時追蹤，保證測驗設備一直處于三維視角范圍內。三維場景視角轉換到裁剪空間，需要將模型數據和其他坐標轉換到裁剪空間中。在纜道測流模擬過程中，需首先確定測驗設備相對于整個模型的位置關系，并在測驗設備模型重心使用單獨的坐標原點。測驗設備移動、旋轉則根據對應4×4旋轉平移變換矩陣進行更新轉換。Ttx，ty，tz為測驗設備軌跡運行的平移矩陣，Rx（α），Ry（α），Rz（α）分別表示鉛魚在x軸方向、y軸方向以及z軸方向的旋轉矩陣，α為旋轉角度：

Ttx，ty，tz=100tx010ty001tz0001Rx（α）=10000cosα-sinα00sinαcosα00001Ry（α）=cosα0sinα00100-sinα0cosα00001Rz（α）=cosα-sinα00sinαcosα0000100001（1）

測驗過程中流速儀隨著鉛魚沉入水下之后旋轉，再使用單獨的流速儀模型繞著y軸使用本地坐標系進行旋轉。流速儀旋轉矩陣Rn，α如下，式中，α為旋轉角度，n為流速儀方向向量，I為單位向量：

Rn，α=cos（α）I+（1-cosα）nnT+sin（α）N（2）

N=0-nznynz0-nx-nynx0（3）

經過變換，動畫目標便從相機變成了鉛魚及流速儀模型。水文測驗過程中，還需要分別渲染大斷面每條垂線的位置，通過矩陣空間變換計算每一個測量點之間的距離，然后使用高亮圖層來渲染當前測量的垂線。鉛魚及流速儀每次進入水體后使用優化的高斯模糊算法［12］處理水下鏡頭效果。

水下鏡頭模擬，首先對模型圖像的每個像素進行卷積運算，將卷積核的中心放置在像素位置，翻轉核之后再依次計算核中每個元素與其覆蓋像素值的乘積并求和，依次得到新的像素值。在高斯模糊處理時則針對每個像素的上下左右相鄰像素進行插值，計算出每個像素的結果，再附加到相機中，呈現出水下鏡頭模擬效果。

2.3 水文數據反演模擬

水體流動模擬是場景渲染的重要組成部分，不同的水文環境中水體所呈現狀態各有不同。其中，如何真實反映水體流動場景，涉及三維場景鏡面反射渲染。水體渲染構建是依據視點坐標和水平面，根據相對水面的世界坐標和視點使用相機位置來進行采樣，將采樣結果紋理動態附加到水面物體的紋理單元中，以此來實現水體模擬。在水面渲染過程中，加入了凹凸紋理［13］，使用凹凸貼圖，將貼圖附加到水面材質的紋理單元，控制水面浪花速度和高度，使水體表面表現更加豐富、細致，更接近水體在自然界本身的模樣，并通過加入水面噪聲，生成隨機的水面淺浪花，完善水體流動模擬。

三維場景中的鏡面反射實現，以菲涅爾等式為基本原理：

Rs=n1cosθi-n2cosθtn1cosθi+n2cosθt2

=n1cosθi-n21-（n1n2sinθi）2n1cosθi+n21-（n1n2sinθi）22（4）

Rp=n1cosθt-n2cosθin1cosθt+n2cosθi2

=n11-（n1n2sinθi）2-n2cosθin11-（n1n2sinθi）2+n2cosθi2（5）

菲涅爾反射系數R：

R=Rs+Rp2（6）

式中：Rs與Rp分別代表S偏振光和P偏振光；θi為入射光與法線的夾角；θt為折射光與法線的夾角；n1為入射介質的折射率；n2為反射介質的折射率。當光線垂直入射時，入射介質和反射介質的折射率對R的影響減小。在三維渲染場景中以此為機理，對水體反射進行調整，并對場景光照、陰影等要素綜合考慮，實現水面的鏡面反射率的調控。水體鏡面反射模擬如圖3所示。

洪水過程模擬指在三維場景中，利用計算模型模擬一場洪水的水位流量變化過程。洪水演變模擬是基于水文站歷年水位流量數據，統計分析并模擬特殊水文年份的洪水演進過程，可根據需求選擇某次洪水過程進行模擬反演。洪水演進過程中，隨著水位、流速的變化，水體的渾濁度、反射率也隨之變化，當水位超警戒后，通過改變水體材質的風強度、混合系數來改變水面的流速和渾濁程度，實現洪水過程的模擬，并在圖表中將水位、流量過程線與時間軸同步動畫繪制。在三維場景中動態展示水位、流量等水文要素的變化過程，同時展現該年份大斷面，并接入預警機制，按設計洪水位、警戒水位、保證水位狀態進行動態告警。

2.4 二維流場計算模擬

水動力學模型以河道地形和邊界條件作為基礎數據進行建模，采用不同水文條件下測驗成果進行模型率定、驗證，同時考慮涉河建筑物、支流入匯、取排口等對流場流態產生的影響，通過實時水位、流量數據等，實現在線計算及模擬。流場可視化是流場模擬的一種重要表現形式，是有效探尋流場運動過程、挖掘水流運行規律的最佳手段［14］。流場可視化分為直接法、線形法、紋理法、特征法4類：① 直接法包括顏色映射法、顏色編碼法和箭頭法等；② 線形法使用流線來表示流場；③ 紋理法主要包括點噪聲法、紋理變換法、LIC法、IBFV法等，能夠有效表現流場內部細節；④ 特征法是對流場特征進行提取，進而實現判定、量化及描述流場數據集特征的方法［15］。本文充分利用在線水位、流量等水文要素，實現基于在線流量的實時流場繪制渲染技術，將二維水動力模型在線計算成果在三維場景中進行融合展示。

建立水動力學模型關鍵是創建地形格網，有些水網存在岔道、淺灘、洲子等復雜地形，模型計算條件要考慮水網的特殊性，平臺采用基于約束的三角格網進行計算，利用堤防、洲子、淺灘的邊界進行有效補充。同時綜合考慮工程所在位置、上下游條件以及邊界設置來確定模型計算范圍。平臺設計了參數設置、初始條件設置以及邊界條件設置等模塊。模型可設置總糙率系數、初始水位值、松弛系數、水位邊界出流方式及迭代次數等其他控制參數。流場計算完畢會自動傳輸至數據中臺，重新進行格網化處理，最終經過渲染在三維場景中展示。平臺中流場模擬渲染是以水下地形DEM數據為基礎，并按水深、流速、流向等要素進行分類，并將流場模擬結果與水體相契合呈現最終效果。

3 宣城水文站數字孿生智慧平臺應用

以宣城水文站數字孿生智慧平臺為例，介紹水文站數字孿生智慧平臺實際應用效果，平臺如圖4所示。

3.1 數據底板

可視化模型為三維場景模擬仿真提供實時渲染與可視化呈現，是實現三維場景模擬仿真的重要支撐［16-18］。三維模擬仿真所需的可視化模型應包括所在流域L1級地形地貌數據，L2級水文站正射影像數據，以及L3級重點區域BIM數據，通過可視化渲染模型，輔以自然背景變化，如不同季節白天黑夜、不同量級風雨雪霧、日照變化、光影、水體等。針對各類數據，宣城水文站數字孿生智慧平臺所需數據如下。

（1） 水系河網數據。以宣城水文站所在流域數據（水陽江）作為基層數據，獲取水文站流域的矢量數據，并進行處理展示在GIS平臺。

（2） 水文站地形采集。采用固定翼無人機搭載激光雷達采集宣城水文站上下游1 km范圍內激光點云數據，生成高精度正射影像以及DEM數據，同時對于水文站房、纜道房、水位臺、蒸發觀測場等重點區域生成傾斜模型。

（3） 水下地形數據。獲取河道水下地形數據，采用無人船搭載單波束，對河道進行測量。

（4） BIM數據。以傾斜攝影模型數據為參考，通過Maya建模軟件［19］，構建區域的重要構筑物BIM，并與各級數據互相融合。

3.2 數字孿生場景模擬

宣城水文站數字孿生智慧平臺核心孿生模塊有纜道測流模擬、洪水演進模擬及流場實時計算模擬。其中，纜道測流模擬效果如圖5所示，圖中展示宣城水文站測流大斷面，斷面起點距離60 m的測流實時數據，并以三點法來模擬實際垂線位置的量測過程，最終展現整個測量數據。

以宣城水文站2020年水文數據為例模擬洪水演進，演進過程如圖6所示。通過模擬可以重現典型水位流量過程。2020年宣城水文站最高水位時期為7月7日，當日水位值達18.00 m，流量達3 050 m3/s，水位值已經超水文站保證水位17.00 m，通過典型洪水案例重現分析，可為水文站的水雨情監測提供重要參考價值。

二維水動力模型計算參數配置如圖7所示，設置河道總糙率系數為0.021，當前水位值為9.0 m，水位邊界以自由出流方式處理，設置松弛系數及迭代次數等其他控制參數。

宣城水文站數字孿生智慧平臺流場計算數據將以動態三維的效果展示（圖8），其中圖8（a）為按照流速要素進行渲染并融合DEM數據后的流場模擬效果展示，圖8（b）為流場計算實時數據按流速渲染并與仿真水體相融合后的流場效果展示。

3.3 智慧水文業務

3.3.1 智慧水情

智慧水情是水文測站業務的核心，主要包括水文斷面分析、水文要素綜合分析等模塊，水文斷面分析統計歷年河道斷面數據，疊加對比分析斷面形態與變化趨勢。水文要素綜合分析包括水位、流量、雨量、蒸發等要素數據的綜合查詢和對比分析。宣城水文站任意年份河道斷面疊加比較如圖9所示，可以直觀展示斷面的沖淤變化。

3.3.2 日志中心

值班管理與日志中心模塊可以進一步提升水文測站精細化管理水平。通過值班人員設置，實現測站值班人員動態調整、信息反饋和快速響應。模塊可實現智能自動排班模式，也可根據汛期或其他狀態完成值班人員值班時間的調整，提升水文站智能化水平。根據水文站日常工作計劃，平臺將測站工作日志記錄表格設計成在線填報表，實現水文站工作日志電子化和數字化。圖10為水文站工作日志在線填報表，包括當日工作狀況、設備養護詳情、安全生產情況、水文監測設施及監測環境保護情況等信息，通過工作日志的數字化匯集及電子化歸檔，進一步提高測站工作效率以及管理水平。

3.3.3 數據中心

平臺數據中心實現了對測站多源數據的匯集篩選、處理整合、分類入庫、統計分析和推送服務。運用物聯網技術，數據中心不僅包括水文要素數據、河道斷面數據，還包括測站日常運行管理數據，可以實現數據的更新維護和共享，實現水文站管理數字化。

4 結 語

本文對水文站全過程業務管理進行了模塊化設計，探索構建了數字孿生水文站智慧平臺的整體框架；通過三維場景快速構建技術研究，運用GIS與輕量化3D渲染引擎相結合，解決了多源數據融合、測驗場景模擬、水文數據反演、流場動態模擬等三維可視化關鍵性技術問題；平臺建設了智慧水情、日志中心、數據中心等業務模塊，同時將業務模塊在三維場景進行了仿真運行、數字映射和虛實交互，提高了水文站的日常管理水平和響應時效。以典型洪水案例為研究對象，建立二維水流動力學模型，實現了水文站局部流場的在線計算與動態模擬，為超標洪水測驗方案的不斷完善提供了技術支持，同時也為水資源綜合調度、水安全保障、工程運行以及應急管理提供了更加全面、形象的決策依據。

數字孿生水文站網的建設，為構建數字孿生流域提供有力支撐，更是國家水網工程建設的關鍵基礎。隨著站網的不斷建設，將會進一步強化流域“四預”能力，持續提升水旱災害防御業務應用水平，對精準防洪減災、保障流域水環境、水利工程安全等具有重要意義。

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（編輯：張 爽）

Research on key technologies for construction and application of digital twin hydrological stations

XIAO Zhongkai1，2，SONG Shizhu1，2，ZHONG Jiwen1，ZHAO Chunxia1，YU Hui1，2

（1.Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Lower Yangtze River，Bureau of Hydrology of" Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China； 2.Nanjing Shangshui Digital Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210011，China）

Abstract：

To further strengthen hydrological monitoring and early warning capabilities，as well as the comprehensive management of hydrological station networks，and to accurately and efficiently track changes in hydrological elements，we focused on providing visualized，digitized，and intelligent decision support and technical backing for flood and drought disaster prevention.Based on data infrastructure and foundational sensing，with an emphasis on end-to-end management of hydrological station operations，we involved the modular development and systematic construction of digital twin hydrological stations.Taking the Xuancheng Hydrological Station as an example，a business management system was developed，which centered on smart hydrological conditions，duty management，log centers，and data centers.Concurrently，the concepts and technologies of digital twins were employed to develop algorithmic modules for monitoring and early warning systems，smart scenario applications，test scenario simulations，flood simulation calculations and rehearsals，and hydrological data inversion.The construction of the digital twin platform for hydrological stations enables the digital mapping，scenario simulation，and intelligent control of the entire operational chain and management process of the hydrological station.

Key words：

digital twin； smart hydrology； smart scenarios； lightweight engine； Xuancheng Hydrological Station