数字孪生流域的内涵、体系结构及模型

李文正

（北京工业大学信息学部计算机学院，100124，北京）

数字孪生技术是物理对象数字化映射形成的数字孪生体对物理对象机理规律的模拟和预演，实现物理对象空间和数字虚拟空间的虚实映射、动态交互、实时连接、仿真模拟，为观察、认识、理解、控制和改造物理对象提供了一种新的有效手段。

从不同的角度对数字孪生有不同的解释和侧重点，目前尚未对数字孪生有统一定义。学术界普遍认为数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、设计数据、实时数据以及数字孪生体模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段，即数字孪生是物理对象的数字化映射在数字空间对对象机理规律的实时模拟。

随着物联网、算力网络、边缘计算、云计算、云边协同技术、大数据、人工智能建模及仿真技术发展，数字孪生技术已成为各行业解决数字空间数字模型与物理空间实体交互难题的研究热点。从制造企业将发展数字孪生解决方案作为推进工业互联网及数字化转型的重要举措，到水利行业积极推进数字孪生流域和数字孪生水利工程建设，感知、通信、计算一体化背景下数字孪生与行业的深度融合发展正持续推进。

面对水利工程规模大、结构复杂、综合性强、影响大，流域管理涵盖多学科多目标等挑战，数字孪生为智慧流域建设提供了新的思路和方法，是未来水利信息化发展的必然趋势。

一、数字孪生流域的内涵与特征

数字孪生流域是通过综合运用全流域特征感知、算力网络、边缘计算、云计算、云边协同技术、大数据、基于模型系统工程（MBSE）及人工智能与仿真技术，实现“平行于”物理流域的数字流域孪生体。通过流域数字孪生体对现行流域特征要素监测感知和模型描述，实现物理流域与数字流域的映射、交互、深度协同，最终实现人机决策和联合调度管理。

数字孪生流域是由实映射生虚、以虚仿真控实、虚实交互组成的流域孪生体。数字孪生流域特征是与物理流域“平行”、反作用于物理流域、多种技术组合及与水利行业深度融合。数字孪生流域的核心要素是物理流域单元实体数字化、联结计算、数据获取、数字孪生体模型及其孪生服务，映射是基础、仿真是本质、优化及决策是目标。

数字孪生流域具有以下特征：

①流域动态映射。数字孪生流域中的流域物理单元孪生体和流域数字孪生体能够实时连接、实时精准映射、动态感知与交互。

②流域孪生体仿真。通过构建流域数字孪生体模型，在数字空间中对物理流域智能模拟、验证、预测、虚实交互、迭代优化及同步仿真。

③高保真性。数字流域孪生体模型和流域物理孪生体具有相似逼真性。

④流域闭环调节与控制。通过数字流域孪生体模型和实际流域物理孪生体的双向互动，在数字流域空间中分析推理、模拟仿真，以及数字流域孪生体模型和实际流域物理孪生体的干预和控制，最终实现对流域的科学决策与管理。

二、数字孪生流域体系结构

根据数字孪生流域人机决策服务目标，提出基于ABCDMEETS（Artificial Intelligence,Big Data,Cloud Computing,Digital Twin Model/Digital Thread,MBSE,Earth-Space Integration Network,Edge Computing，Internet of Things,Simulation，即人工智能、大数据、云计算、数字孪生/数字主线、模型系统工程、空天地一体化网络、边缘计算、物联网、仿真）的数字孪生流域体系结构（图1）。其中，物联网、边缘计算以及空天地一体化网络构成数字孪生流域的基础设施，是获取流域实时数据的重要途径；大数据、云计算、数字孪生/数字主线、模型系统工程、人工智能、仿真是数字孪生流域的核心技术。

图1 数字孪生流域体系结构

三、数字孪生流域模型及构建方法

数字孪生流域的构建需要从物理流域空间到数字流域空间进行，总体构建过程如图2所示。构建方法如下：

①在物理空间中精准描述静态物理流域单元对象及其数字化；

②实现对流域物理对象单元与流域物联网感知动态数据信息的映射描述；

③在数字空间中构建具备仿真模拟能力的流域数字孪生体模型，能够主动模拟与预测水利工程及流域运行状态；

④针对真实物理流域的运行，流域数字孪生体提供部分自主反馈控制与优化，形成真正的虚实共生数字孪生流域。

在数字孪生流域模型构建过程中，建模应不仅涵盖现行流域物理单元实体，还要涵盖人、机、物三元空间的其他要素，以充分反映流域的行为状态和规律。数字孪生流域通过流域特征数据感知与物理流域对象相结合，将数据转化为信息，再转为知识，才能满足使用者的决策需求。

根据不同的需求和目标，一个数字孪生流域可以对应多个数字孪生体，需要从多个不同角度描述的流域不同物理对象单元对应数字孪生体，数字孪生体之间通过数字主线融合连接，实现数据驱动。数字主线是一个可扩展、可配置的数据流通和融合通信框架，是多个数字孪生体之间沟通的桥梁，这些数字孪生体反映了流域不同单元物理对象不同侧面的模型视图，多个流域不同物理单元对象的数字孪生体组合成一个完整流域数字孪生体。每个数字孪生体与流域物理单元对象动态映射协同，通过反馈、分析、改善以及模拟验证迭代更新，完成对模型的设计、验证和运维。流域数字孪生体设计方法和建模如图3所示。

通过流域多维数据感知获取数据和数字主线，驱动数字孪生模型，进而形成现行物理流域空间与数字流域空间的动态实时映射、深度协同和融合，从而实现流域应用场景的仿真、模拟、推演以及流域行为状态监测、态势分析、预演和综合决策。

图2 数字孪生流域构建方法

图3 流域数字孪生体建模

流域数字孪生模型与实景流域三维模型的最大区别在于其建模不仅涵盖流域物理实体，还要涵盖人、机、物三元空间的其他要素，结合流域特征感知数据与现行物理流域对象，融合人机物三元空间流域特征实时数据并迭代优化，反映流域行为状态及规律。

四、结 论

由于大范围、长距离、气候差异大、监测监控环境复杂、传感器类型多而复杂、供电、通信传输等特点，数字孪生流域建设成为高度复杂的系统性工程，并呈现出多学科交叉、多领域融合的新形态和新模式。在数字孪生流域空间中，从构建流域单元孪生到孪生流域系统应用，从流域多物理对象孪生体集成到数字孪生流域虚实共生，仿真、模拟、推演流域的各种业务场景，获得解决流域管理问题的最佳方案和最优路径。

针对物理流域、联结计算、数据获取、数字孪生体模型及其孪生服务等数字孪生流域的核心要素，开展了数字孪生流域特征数据获取、映射镜像、平台体系结构及数字孪生体模型构建研究，提出了数字孪生流域内涵、基于ABCDMEETS的数字孪生流域体系结构及数字孪生流域模型的构建方法。■