0? 引言

“十四五”期間水利系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的主要目標(biāo)是建設(shè)數(shù)字孿生流域，建設(shè)“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，建成智慧水利體系1.0版。防洪“四預(yù)”應(yīng)用即流域防洪領(lǐng)域預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案4個(gè)方面的應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)是防洪“四預(yù)”應(yīng)用區(qū)別于傳統(tǒng)水利信息化應(yīng)用的重要技術(shù)手段之一，也是近些年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域研究的熱門(mén)技術(shù)之一。數(shù)字孿生技術(shù)由密歇根大學(xué)教授Grieves于2003年提出，即以數(shù)字化的方式描述物理實(shí)體，建立全息的動(dòng)態(tài)虛擬模型，通過(guò)虛擬模型對(duì)數(shù)據(jù)的仿真、模擬、分析來(lái)監(jiān)控、預(yù)測(cè)、控制實(shí)體屬性、行為等。隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)的“先行仿真，后在現(xiàn)實(shí)世界執(zhí)行”的功能，大大節(jié)省了工業(yè)設(shè)計(jì)、決策指揮等方面試錯(cuò)的成本，產(chǎn)生了實(shí)際的生產(chǎn)效益，因而數(shù)字孿生技術(shù)的研究也具有現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)字孿生技術(shù)在城市管理、交通、能源、制造業(yè)等領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、治理、服務(wù)的全過(guò)程、全要素、全方位、全周期的數(shù)字化、在線化、智能化，可提高城市規(guī)劃質(zhì)量和水平，推動(dòng)城市發(fā)展和建設(shè)。在智慧能源領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于能源開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)等能源全生命周期，使其具有自我學(xué)習(xí)、分析、決策、執(zhí)行的能力。在智能制造領(lǐng)域，將設(shè)計(jì)設(shè)備生產(chǎn)的規(guī)劃從經(jīng)驗(yàn)和手工方式，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字仿真與優(yōu)化的精確可靠的規(guī)劃設(shè)計(jì)，以達(dá)成節(jié)支降本、提質(zhì)增效和協(xié)同高效的管理目的。在智慧水利領(lǐng)域，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行洪水仿真，以及利用數(shù)據(jù)底板建設(shè)數(shù)字孿生流域等也形成了初步的應(yīng)用。在淮河流域防洪“四預(yù)”試點(diǎn)應(yīng)用中，應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)展現(xiàn)了數(shù)字流場(chǎng)的概念和視覺(jué)效果，直觀反映王家壩洪水態(tài)勢(shì)及蒙洼蓄洪區(qū)分洪過(guò)程。數(shù)字孿生黃河、數(shù)字孿生珠江以構(gòu)建數(shù)字孿生流域、開(kāi)展智慧化模擬、支撐精準(zhǔn)化決策作為實(shí)施路徑，數(shù)字孿生技術(shù)作為其中的技術(shù)支撐。在海河流域防洪“四預(yù)”試點(diǎn)中，通過(guò)智能感知、三維建模、三維仿真等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域和物理流域數(shù)字映射，形成流域調(diào)度的實(shí)時(shí)寫(xiě)真、虛實(shí)互動(dòng)。

數(shù)字孿生技術(shù)在防洪領(lǐng)域已經(jīng)有了初步的應(yīng)用，也是防洪“四預(yù)”應(yīng)用的重要支撐技術(shù)，因而對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。但由于數(shù)字孿生技術(shù)是新興技術(shù)，其涉及技術(shù)領(lǐng)域廣，相關(guān)技術(shù)也正在同步快速的發(fā)展，同時(shí)防洪“四預(yù)”應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)研究也存在一定難度。目前來(lái)說(shuō)，防洪“四預(yù)”應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)還處于概念階段，相關(guān)邊界和規(guī)范尚不明晰，比如數(shù)字孿生流域建設(shè)的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)還不夠明確。另外就是數(shù)字孿生技術(shù)在防洪“四預(yù)”領(lǐng)域的具體應(yīng)用尚不充分，目前數(shù)字孿生技術(shù)在流域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，洪水場(chǎng)景虛擬仿真方面有一定的應(yīng)用，在調(diào)度控制、智能決策等方面的應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究和發(fā)展。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院在淮河流域、海河流域進(jìn)行了防洪“四預(yù)”相關(guān)的試點(diǎn)應(yīng)用，本文在前期試點(diǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，梳理防洪“四預(yù)”領(lǐng)域的主要數(shù)字孿生技術(shù)和應(yīng)用方面，探索智慧水利建設(shè)的技術(shù)和方法。

1 技術(shù)框架

防洪“四預(yù)”應(yīng)用一項(xiàng)重要的工作就是數(shù)字孿生流域建設(shè)，并在數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)上開(kāi)展各類(lèi)防洪業(yè)務(wù)應(yīng)用。數(shù)字孿生流域?qū)崿F(xiàn)物理流域的精準(zhǔn)映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域和物理流域的虛實(shí)交互，通過(guò)智能干預(yù)實(shí)現(xiàn)流域防洪調(diào)度的智能化決策。關(guān)于數(shù)字孿生流域建設(shè)方面，水利部已經(jīng)發(fā)布《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》和《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能基本技術(shù)要求》等文件，規(guī)范了數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)防洪“四預(yù)”應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)踐和數(shù)字孿生技術(shù)的相關(guān)研究，提出防洪“四預(yù)”數(shù)字孿生技術(shù)框架（圖1）。

在數(shù)字孿生技術(shù)框架中，物理流域和數(shù)字流域構(gòu)建成了一對(duì)“孿生體”。物理流域是現(xiàn)實(shí)中的流域，而數(shù)字流域則是利用地理信息系統(tǒng)（GIS）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、算法模型、人工智能等技術(shù)構(gòu)建起來(lái)的虛擬流域，物理流域和數(shù)字流域之間通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)成“虛實(shí)映射”的“孿生體”。區(qū)別于傳統(tǒng)方法通過(guò)人工觀測(cè)或控制直接作用于現(xiàn)實(shí)對(duì)象，在數(shù)字流域中用戶(hù)可以通過(guò)孿生的數(shù)字流域來(lái)監(jiān)控、決策和控制物理流域?！疤搶?shí)映射”的數(shù)字孿生應(yīng)用由數(shù)字孿生應(yīng)用支撐層來(lái)提供應(yīng)用支撐，這些應(yīng)用支撐包括“算法”“算例”和“算力”的支撐。其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸層接收物理流域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息并映射到數(shù)字流域中，同時(shí)可將數(shù)字流域中用戶(hù)的調(diào)度控制信息傳送到物理流域的控制設(shè)備上。數(shù)據(jù)底板包括高精度DEM（Digital Elevation Model）、DOM（Digital Orthophoto Map）、BIM（Building Information Modeling）等數(shù)據(jù)資源，是用來(lái)構(gòu)建數(shù)字流域場(chǎng)景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成數(shù)字流域的“算例”支撐。算力支撐是對(duì)數(shù)字流域的高性能計(jì)算支持，能夠滿(mǎn)足數(shù)字流域計(jì)算分析的實(shí)時(shí)性需求，使“虛實(shí)映射”能夠同步呼應(yīng)。算法及仿真支撐是數(shù)字孿生流域的核心部分，負(fù)責(zé)在數(shù)字流域模擬各類(lèi)防洪“四預(yù)”應(yīng)用場(chǎng)景下的物理流域的狀態(tài)及變化，并通過(guò)盡可能接近現(xiàn)實(shí)的虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)出來(lái)，讓用戶(hù)能夠有身臨其境的感受。數(shù)字孿生技術(shù)框架闡述了物理流域、人類(lèi)、數(shù)字流域之間的關(guān)系，是防洪“四預(yù)”應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)框架。

2 核心數(shù)字孿生技術(shù)

在防洪“四預(yù)”應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)數(shù)字流域和物理流域的“虛實(shí)映射”應(yīng)用，需要多項(xiàng)技術(shù)來(lái)支撐。數(shù)字流域模擬系統(tǒng)模擬物理流域的各類(lèi)水文現(xiàn)象，“孿生體”狀態(tài)同步技術(shù)保持?jǐn)?shù)字流域和物理流域的狀態(tài)統(tǒng)一，數(shù)字化場(chǎng)景技術(shù)將模擬的數(shù)字流域直觀展現(xiàn)給用戶(hù)，“算力”提升技術(shù)則是“虛實(shí)映射”用戶(hù)體驗(yàn)的性能保障。

2.1 數(shù)字流域模擬系統(tǒng)

降雨、產(chǎn)流、洪水演進(jìn)、潰壩、水利工程調(diào)度等在物理流域的各類(lèi)涉水相關(guān)現(xiàn)象，在數(shù)字流域中同步模擬出來(lái)，則需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)字流域模擬系統(tǒng)來(lái)完成。數(shù)字流域模擬系統(tǒng)中，模擬降雨、輻射、蒸散發(fā)、下滲等陸面過(guò)程使用陸面水文過(guò)程模型，目前有中國(guó)水利水電科學(xué)院的時(shí)空變?cè)植际剿哪Ｐ?，以及VIC（Variable Infiltration Capacity）、PRMS（Precipitation Runoff Modeling System）等知名陸面過(guò)程模型可以實(shí)現(xiàn)全流域的水文模擬。還有其他產(chǎn)匯流模型諸如新安江模型、前期影響雨量模型（API）等也可以支持水文過(guò)程的模擬。模擬洪水在河道里、蓄滯洪區(qū)、城市內(nèi)澇區(qū)域的演進(jìn)需要使用到一、二維水動(dòng)力學(xué)、管網(wǎng)模型等，水動(dòng)力學(xué)模型有DHI公司MIKE11和MIKE21模型軟件，以及中國(guó)水利水電科學(xué)院的IFMS（Integrated Flood Modeling System）軟件平臺(tái)等。在數(shù)字流域中模擬各類(lèi)涉水現(xiàn)象，除了水文、水動(dòng)力模擬以外，還需要能夠模擬流域水工程調(diào)度控制的水工程調(diào)度模型，模擬降雨分布的人工智能模型，模擬機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的物理模型等。可見(jiàn)，沒(méi)有數(shù)字流域模擬系統(tǒng)就無(wú)法在數(shù)字流域中模擬物理流域的各類(lèi)涉水現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從“實(shí)”到“虛”的對(duì)應(yīng)，所以數(shù)字流域模擬系統(tǒng)是數(shù)字孿生技術(shù)的核心技術(shù)之一。

2.2 “孿生體”狀態(tài)同步

數(shù)字流域的模型系統(tǒng)在不斷地模擬物理流域的各類(lèi)狀態(tài)，但數(shù)字流域模擬系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)漂移現(xiàn)象。數(shù)字流域模擬結(jié)果偏離物理流域的狀態(tài)導(dǎo)致“虛實(shí)”不對(duì)應(yīng)，因而需要持續(xù)地將物理流域監(jiān)測(cè)到狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)字流域中，通過(guò)實(shí)時(shí)校正技術(shù)將物理流域狀態(tài)同化到數(shù)字流域中，從而形成“虛實(shí)映射”的數(shù)字流域。實(shí)時(shí)校正技術(shù)有傳統(tǒng)的誤差自回歸、基于K最鄰近算法（KNN）的非參數(shù)校正及基于Kalman濾波的多斷面校正法等，各類(lèi)校正技術(shù)適用于不同的模型算法?！皩\生體”狀態(tài)同步實(shí)現(xiàn)的主要難點(diǎn)是物理流域監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)字流域的狀態(tài)數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間尺度上不匹配?？臻g尺度上不匹配，表現(xiàn)為物理流域的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)比較少，狀態(tài)數(shù)據(jù)分散，但數(shù)字流域的模擬是精細(xì)化網(wǎng)格，需要高分辨率的狀態(tài)數(shù)據(jù)。時(shí)間尺度上不匹配表現(xiàn)為，物理流域一般監(jiān)測(cè)為1小時(shí)尺度的狀態(tài)量，而數(shù)字流域的時(shí)間尺度則更?。ㄈ?0秒尺度）。

為了時(shí)、空尺度相一致，在空間尺度上，可對(duì)物理流域的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值來(lái)匹配分辨率更高的數(shù)字流域，使二者尺度一致。時(shí)間分辨率不相同時(shí)不用進(jìn)行插值匹配，二者在相同的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)同步即可，必要時(shí)通過(guò)插值將二者的狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時(shí)間點(diǎn)。更好的辦法是從物理流域中獲取更高時(shí)空分辨率的狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如利用現(xiàn)代遙感技術(shù)獲取高時(shí)、空高分辨率的土壤濕度、水面等實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字流域中，實(shí)現(xiàn)用精細(xì)化的數(shù)據(jù)去同步數(shù)字流域的狀態(tài)。通過(guò)“孿生體”狀態(tài)同步技術(shù)讓數(shù)字流域和物理流域保持統(tǒng)一，讓數(shù)字流域能持續(xù)、準(zhǔn)確地反映出物理流域的狀態(tài)及變化是“虛實(shí)映射”的重要技術(shù)之一。

2.3 數(shù)字化場(chǎng)景

數(shù)字化場(chǎng)景技術(shù)是通過(guò)三維GIS、VR、粒子效果等技術(shù)將數(shù)字流域以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式展現(xiàn)給用戶(hù)，從而讓用戶(hù)可以通過(guò)數(shù)字流域來(lái)監(jiān)控、分析和控制物理流域（圖2）。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)有多種技術(shù)手段，如VR、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)（XR）等。虛擬現(xiàn)實(shí)一方面需要高精度的數(shù)據(jù)底板支撐，另一方面需要支持虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺(tái)支撐。虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)如Cesium、UE4、X3D等，其中Cesium是支持B/S環(huán)境中的各類(lèi)三維場(chǎng)景渲染，UE4或UE5能夠更加真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界。數(shù)據(jù)底板方面，需要高精度的DEM、DOM、BIM模型等數(shù)據(jù)支撐。在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院試點(diǎn)建設(shè)的數(shù)字孿生流域中，以高精度DEM（2米）、DOM（0.1米）、河底地形及沿河傾斜攝影和水利工程BIM模型等構(gòu)建了淮河流域王家壩至正陽(yáng)關(guān)段的數(shù)字底板。在該試點(diǎn)應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)使用了Cesium平臺(tái)，除了加載上述高精度的數(shù)字底板數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景以外，還利用粒子技術(shù)模擬降雨、洪水演進(jìn)等虛擬現(xiàn)實(shí)效果，以及通過(guò)BIM模型的控制模擬工程調(diào)度（如開(kāi)閘放水），初步滿(mǎn)足了當(dāng)前階段洪水場(chǎng)景的虛擬現(xiàn)實(shí)需求。虛擬現(xiàn)實(shí)是數(shù)字孿生的核心技術(shù)之一，直接承載著各類(lèi)防洪“四預(yù)”應(yīng)用，也是提升用戶(hù)使用體驗(yàn)最重要的部分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，還需要通過(guò)不斷的研究，從而拓展出適應(yīng)范圍更廣、更加逼真、渲染效率更高的數(shù)字化場(chǎng)景技術(shù)。

2.4 “算力”提升

孿生物理流域的模型系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)渲染等涉及大量的計(jì)算，如果不能實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的完成相應(yīng)的計(jì)算，則不能同步數(shù)字流域和物理流域二者的狀態(tài)。如在數(shù)字流域中模擬蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)的二維水動(dòng)力模型有數(shù)萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，相應(yīng)的模型計(jì)算量很大，如果不能高效計(jì)算，一方面不能實(shí)時(shí)形成“虛實(shí)映射”的“孿生體”，另一方面緩慢的系統(tǒng)響應(yīng)將給用戶(hù)帶來(lái)不好的使用體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)“算力”提升的技術(shù)包括分布式計(jì)算、MPI（Message Passing Interface）、多線程、GPU（Graphics Processing Unit）加速、云計(jì)算等，各類(lèi)高性能計(jì)算技術(shù)適應(yīng)于不同的計(jì)算場(chǎng)景。中國(guó)水利水電科學(xué)院的時(shí)空變?cè)植际剿哪Ｐ筒捎梅植际讲⑿屑铀偌夹g(shù)，其將模型計(jì)算任務(wù)分配到多臺(tái)服務(wù)器上并行計(jì)算以提升模型整體計(jì)算效率；IFMS平臺(tái)中一維、二維水動(dòng)力學(xué)模型采用有限體積法，其采用GPU加速技術(shù)進(jìn)行提升模型的計(jì)算效率，數(shù)十萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格在Tesla V100的GPU處理器上實(shí)現(xiàn)秒級(jí)計(jì)算。高性能計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，一方面是需要在算法上的改進(jìn)，比如粒子群法、SCE-UA（Shuffled Complex Evolution Algorithm）可以實(shí)現(xiàn)快速收斂的優(yōu)化算法，以及改進(jìn)的水動(dòng)力模型支持GPU加速計(jì)算；另一方面需要提高硬“算力”，如增加硬件資源的數(shù)量或質(zhì)量。“算力”提升是數(shù)字孿生流域模擬的性能保障，也是數(shù)字孿生的重要技術(shù)之一。

3 防汛“四預(yù)”應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)的目的是為了實(shí)現(xiàn)模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)、仿真和控制等應(yīng)用。防洪“四預(yù)”應(yīng)用的數(shù)字孿生技術(shù)目前主要實(shí)現(xiàn)了模擬、監(jiān)控等初級(jí)應(yīng)用。本文根據(jù)防洪“四預(yù)”應(yīng)用實(shí)踐歸納幾點(diǎn)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，為進(jìn)一步拓展數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

3.1 流域洪水虛擬化監(jiān)控

防汛期間往往需要實(shí)時(shí)掌握各流域洪水形勢(shì)、水利工程的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)手段，通過(guò)VR技術(shù)模擬出整個(gè)流域的河流、地形、地貌和水利工程的數(shù)字化場(chǎng)景，并將物理流域監(jiān)測(cè)的各類(lèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)同步到數(shù)字流域，讓用戶(hù)身臨其境查看相關(guān)雨情、水情、工情的虛擬實(shí)況。降雨量可以同步為數(shù)字化場(chǎng)景中的降雨粒子效果；河道、水庫(kù)水位同步為數(shù)字化場(chǎng)景中的虛擬水位，可以直觀展示水面與防洪保護(hù)對(duì)象、堤防的關(guān)系；實(shí)時(shí)視頻可以融合到數(shù)字化場(chǎng)景中，形成“虛實(shí)融合”的可視化場(chǎng)景。流域洪水虛擬化監(jiān)視把物理流域映射到數(shù)字流域中形成數(shù)字化場(chǎng)景，用戶(hù)在防洪調(diào)度指揮中心就可以直觀、真實(shí)地查看物理流域的各類(lèi)細(xì)節(jié)，達(dá)到汛情監(jiān)視的直觀、準(zhǔn)確和高效掌握（圖3）。

3.2 水利工程虛擬化巡查

通過(guò)BIM模型和三維仿真技術(shù)，可以將水利工程及相關(guān)機(jī)電設(shè)施設(shè)備虛擬化到數(shù)字流域中。在數(shù)字流域的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中可通過(guò)三維飛行技術(shù)支持對(duì)河道、湖泊等水利工程的巡查，以及支持室內(nèi)、室外的機(jī)電設(shè)施、設(shè)備狀態(tài)的巡查（圖4）。同步水利工程和機(jī)電設(shè)施、設(shè)備狀態(tài)到數(shù)字流域中，在機(jī)電設(shè)施、設(shè)備巡檢時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施、設(shè)備存在的問(wèn)題，提升流域防洪安全保障能力。

3.3 水利工程遠(yuǎn)程調(diào)度與控制

數(shù)字孿生技術(shù)的“虛實(shí)映射”還可以通過(guò)反向映射來(lái)控制物理世界的對(duì)象，即通過(guò)數(shù)字流域來(lái)控制物理流域的對(duì)象。工作人員在數(shù)字化場(chǎng)景中進(jìn)行操作，如操作機(jī)電設(shè)備的開(kāi)關(guān)按鈕、控制旋鈕等，再通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將操作轉(zhuǎn)換為一定接口標(biāo)準(zhǔn)的控制指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端控制設(shè)備，再由控制設(shè)備來(lái)操作具體的機(jī)電設(shè)備達(dá)到調(diào)度的目的。遠(yuǎn)端設(shè)備操作的結(jié)果再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送回至數(shù)字流域，在數(shù)字流域中映射對(duì)應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)，通過(guò)數(shù)字化場(chǎng)景展示給工作人員，實(shí)現(xiàn)物理流域和數(shù)字流域的“雙向映射”。實(shí)際運(yùn)用中，操作人員甚至可以在數(shù)字流域中進(jìn)行模擬調(diào)度與控制（圖5），數(shù)字流域模擬調(diào)度效果，讓用戶(hù)判別調(diào)度方案的合理性，選擇合適的調(diào)度方法，大大減少傳統(tǒng)方法調(diào)度與控制“試錯(cuò)”帶來(lái)的成本。

3.4 洪水模擬推演與智能化決策

數(shù)字孿生技術(shù)支持流域洪水的模擬推演和智能決策。數(shù)字流域根據(jù)當(dāng)前的防洪形勢(shì)，在數(shù)字流域中利用對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字流域模擬系統(tǒng)分析不同的降雨條件下和不同調(diào)度控制條件下的洪水影響情況（如淹沒(méi)面積、影響人口等），對(duì)比調(diào)度影響和效果，通過(guò)智能化決策選擇最優(yōu)的調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)流域洪水調(diào)度“虛擬模擬先行，決策調(diào)度在后”，大大提高決策的科學(xué)性。在數(shù)字流域中利用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（如降雨數(shù)值預(yù)報(bào)）進(jìn)行超前的洪水推演，工作人員對(duì)可能出現(xiàn)的洪澇災(zāi)害提前采取應(yīng)對(duì)措施，從而最大限度地避免洪災(zāi)帶來(lái)的損失。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字流域在映射物理流域的各類(lèi)狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、模擬推演和智能決策，并自動(dòng)執(zhí)行最優(yōu)化的水工程調(diào)度，未來(lái)有望在物理流域中實(shí)現(xiàn)部分或全部的自主管理。

4 結(jié)論

數(shù)字流域和物理流域構(gòu)成“虛實(shí)映射”的“孿生體”。本文基于防洪“四預(yù)”應(yīng)用試點(diǎn)建設(shè)實(shí)踐，總結(jié)了防洪“四預(yù)”應(yīng)用相關(guān)的數(shù)字流域模擬系統(tǒng)，數(shù)字化場(chǎng)景和“孿生體”狀態(tài)同步等幾點(diǎn)數(shù)字孿生核心技術(shù)，歸納了流域虛擬化監(jiān)控、水利工程虛擬化巡查、遠(yuǎn)程調(diào)度控制和智能化決策等幾個(gè)方面的應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利領(lǐng)域有了初步的應(yīng)用，為防洪“四預(yù)”應(yīng)用發(fā)揮了積極作用，數(shù)字孿生在技術(shù)和應(yīng)用方面還有巨大的發(fā)展空間，值得進(jìn)一步研究和發(fā)展。