数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨

徐波，孙启伟 ，任金秋 ，王权森 ，杨俊杰 ，黄瓅瑶

（1.汉江水利水电（集团）有限责任公司，湖北 武汉 430048；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；3.流域水安全保障湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010；4.长江空间信息技术工程有限公司（武汉），湖北 武汉 430010）

0 引言

智慧水利是水利高质量发展的显著标志[1]，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，构建数字孪生流域，是推动水利高质量发展的重要实施路径。2021 年11 月，水利部印发《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》的通知，各流域陆续启动数字孪生试点建设工作。冶运涛等[2]从定义、特征、关键科学问题和技术体系等理论层面阐述了数字孪生流域的内涵，为智慧流域研究提供了借鉴。黄艳[3]结合长江流域智慧水利试点建设，梳理了现阶段数字孪生流域发展需求，提出了数据底板、模型库、智能应用建设，以及敏捷响应配置平台技术等数字孪生流域建设的关键技术，并探讨了长江流域三峡库区、汉江流域及长江中下游行蓄洪空间试点数字孪生技术建设技术方案。李文学等[4]对数字黄河与数字孪生黄河的关系进行了分析，提出了数字孪生黄河建设实施的具体途径，阐述了包括业务应用、数字孪生黄河平台、物联智能感知、采集传输等在内的主要建设任务，提出了推进数字孪生黄河建设的 4 项主要保障措施。刘昌军等[5]探索了数字孪生淮河防洪“四预”模式，对数字孪生底板、数字化场景、数字化流场和数字映射，以及基于高性能并行计算的水文水动力学实时模拟预报的关键技术进行了研究。目前，珠江流域[6]、松辽流域[7]、海河流域[8]等重要江河及重点小流域[9-10]也开展了数字孪生流域的建设探索。

根据水利部和长江水利委员会（以下简称长江委）建设数字孪生流域的总体部署，选取汉江流域为数字孪生建设先行先试工作试点。汉江作为长江流域最大的支流，水资源十分丰富，以石泉、安康、丹江口为代表的大型控制性水库建成运行并发挥作用，标志着汉江主要控制性水库群已初具规模，汉江流域水资源已从大力建设开发利用，逐步走向科学调度运用管理的新时期。数字孪生汉江流域紧密结合汉江流域防洪调度和水资源管理调配的实际业务需求，采用信息化、数字化新技术，为实现防洪调度和水资源管理调配“四预”目标提供支撑。试点建立涉水物理要素之间、物理要素与管理需求之间的关联和响应关系，构建包括水利数据、模型、知识等内容的数字孪生流域，围绕防洪调度和水资源管理与调配需求，支撑水旱灾害防御和水量调度的预报、预警、预演、预案“四预”功能，实现汉江流域数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，赋能汉江流域防洪和供水调度。本研究对数字孪生汉江流域总体架构、先行先试阶段的多源数据融合底板、标准化模型平台、微服务化知识平台、智慧业务应用等成果，以及建设过程中形成的高性能孪生仿真引擎、防洪调度知识图谱、水工程智能调度模型等关键技术进行探讨。

1 汉江流域信息化建设需求

多年来，长江委及其下属汉江集团等单位先后开展了一系列信息化系统的建设项目，如国家防汛抗旱指挥系统、长江流域控制性水利工程综合调度支持系统、丹江口洪水预报系统、长江委水资源动态管控平台、丹江口水库综合管理平台供水系统等，这些项目的实施为汉江流域防洪调度、水资源管理与调配业务功能的建设提供了必要的技术和数据支撑。整体而言，通过大量信息化系统的建设，汉江流域预报调度信息化能力明显加强，但仍存在以下不足：1）业务功能方面。已建系统往往以单一业务功能为主，应用范围局限于某一业务部门。2）基础数据方面。专业业务数据存储较为分散，调度业务数据整合工作进展缓慢，数据共享覆盖范围有限，尚未破除业务数据孤岛的格局。3）开发技术方面。由于各阶段业务需求偏重不同，各系统采用的编码技术、模型设计及知识表示形式差异较大，难以集成发挥数据共享、信息交互的优点。

针对当前物理流域存在的数字化映射支撑不足、现有预报和调度模型亟须完善、决策应用水平亟须提升、计算运行能力有待进一步提升等问题，在建设数字孪生汉江流域时，将在工程运用范围方面进行扩展，在防洪风险分析、水资源管理支撑能力及系统业务孪生能力等方面进行相应提升。具体需求如下：

1）考虑分蓄洪民垸的调度作用，研发分蓄洪民垸调度功能模块，构建汉江流域行蓄洪空间运用知识图谱，在保证一定计算精度的同时提高分蓄洪民垸调度决策运用效率。

2）将二维水动力淹没计算结果抽取为淹没损失知识图谱，结合通用一维水动力模型在丹江口库区及汉江中下游的实例化计算结果，提升不同调度方案下库区及中下游河段淹没损失动态评估能力。

3）建立水量调度业务模型，对流域用水、控制断面下泄流量进行实时管控，开展精细化调度决策，提升水资源管理与调配信息化支撑能力。

4）对汉江流域“四预”业务进行针对性的提升完善，将会商决策实际需求映射到数字孪生系统，提升汉江流域业务孪生支撑能力。

5）构建水利数据模型体系，在管理每个对象自身属性的同时，存储对象间的水利联系，更好地支撑数字孪生流域实时互馈功能的建设。

2 数字孪生汉江流域总体架构

根据《智慧水利建设顶层设计》提出的智慧水利建设总体框架，结合汉江流域水旱灾害防御及水量调度的需求和目标，构建包括信息化基础设施、数据底板、模型平台、知识平台、智慧应用等内容的数字孪生汉江流域，总体架构如图 1 所示。试点建设秉承“继承性发展”的总体思路，以“规范标准、整合已建、统筹在建、新建共享”为原则，部分建设内容充分利用已建的国家防汛抗旱指挥系统、长江流域控制性水利工程综合调度支持系统相关建设成果，避免重复建设。

3 数字孪生汉江流域关键技术

3.1 多源数据融合底板构建技术

为实现汉江流域大范围、多业务水利数字化场景的构建与调用，采用多源异构数据的解析、转换、轻量化、融合等手段或技术，创造性地解决了跨尺度多源GIS与BIM 数据的深度融合、流域海量数据的集成等核心问题，构建了区域基础、地理空间、监测、业务管理、外部共享等数据统一整合的数据服务体系。在多源数据融合底板的基础上，进一步提供空间索引、高效数据调用、数据资源缓存等功能，在保证可视化虚实映射效果的前提下，最大化提升应用效率与质量，为数字孪生汉江流域业务应用提供坚实的底层数据资源支撑。

3.2 GIS+游戏引擎融合的孪生仿真引擎

结合防洪兴利“四预”、水资源调配等模拟仿真的需求，结合最新的可视化渲染、模拟仿真等技术，构建 GIS+游戏引擎融合的高性能数字孪生仿真引擎。引擎在多元数据融合与轻量化、数据分布式存储与高效服务发布、空间分析与专业模型接入、云渲染高保真数字孪生场景可视化等关键技术方面取得突破，在满足 GIS 高精度空间定位的同时，实现游戏级别高保真渲染与仿真，可为汉江流域数字孪生虚实映射、高保真模拟仿真提供有力支撑和强力驱动。

图1 数字孪生汉江流域总体架构图

3.3 通用化模型管理与微服务架构技术

按照“标准化、模块化、云服务”的要求，制定数字孪生汉江流域模型平台开发，以及模型调用、共享和接口等技术标准，保障各类模型的通用化封装及模型接口的标准化，并以微服务方式提供统一调用服务。微服务架构技术将 1 个复杂的应用拆分成多个独立自治的服务，服务与服务之间通过松耦合的形式交互。每个专业计算模型都能通过统一的微服务模式完成调用和执行，微服务可独立运行，将消耗计算量大的模型单独部署在高性能服务器上并做负载均衡，可极大提高业务构建工具的计算速度。

3.4 流域水工程调度规则库

根据设计洪水和工程设计任务等确定水工程联合调度方案是调度规则库建设的依据。根据研究区域水库群、分蓄洪工程、引调水工程等水工程调度方案和规程，明确调度涉及的水工程、来水边界站点、控制对象。数值化描述各防洪控制节点与各水利工程在空间和防洪调度任务方面的关联关系，包括防洪控制点与河道空间关系，防洪控制点对水库防洪库容的预留要求，以及针对各种类型、量级的具体防洪调度方式等，采用树结构分层记录水库调度启用时机、约束条件、参考对象、运行方式等信息，囊括目标常用的规则表现逻辑。从流域水工程调度实际出发，提取水工程调度方案特征值，形成水工程调度规则库。通过水工程调度规则库驱动引擎，实现对不同水工程各类调度规则的快速解析和灵活扩展，支撑流域水工程联合调度计算模拟。

3.5 基于水位目标控制的水库调度方式优化调整技术

水库拦蓄后，下游河段重要防洪站点的水位是衡量水库防洪调度效果最为重要的指标之一。针对传统防洪调度中需要反复调整水库下泄流量，试算下游重要防洪站点在水库拦蓄后的水位过程，且难以快速准确给出水库下泄流量的问题，围绕水库拦蓄量级、作用时长、洪水演进传播、下游水位顶托等复杂因素，构建不同水情状态下水库拦蓄方式对下游重要控制站点的调度响应关系，丹江口水库下泄流量对皇庄水文站流量调度影响关系示例如图 2a 所示，利用调度影响关系进行目标控制调度技术路线如图 2b 所示。以重要水文站点的水位控制目标为导向，耦合水库和水文站点的调度响应关系及河道洪水演进模型，在满足水库调度最小下泄流量、最大日水位涨幅、最高调洪水位等调度约束条件下，迭代计算控制性水库下泄流量过程，给出可以满足下游站点水位控制目标的下泄流量过程，支撑控制性水库对防洪保护对象水位的精准化调度决策，双向提升防洪库容的有效性和控制水文站点防洪的安全性。

图2 基于水位目标控制的水库调度方式优化调整功能示意图

3.6 行蓄洪空间防洪调度知识图谱

针对现有调度技术尚无法对多类别工程的联合调度规则进行集成，难以动态协调防洪工程体系的拦洪、分洪、蓄洪、泄洪能力，导致行蓄洪空间调度运用决策困难的问题，围绕汉江中下游行蓄洪空间的工程特征、调度规则、调度案例及社会经济指标等基础数据，基于工程调度规则与洪涝灾害链时空演变分析成果，构建行蓄洪工程防洪调度知识体系；融合物理概念模型、半经验定量分析方法与机器学习方法，揭示不同防洪调度案例中知识要素之间的复杂演化与互馈协变机理，实现知识要素与关系的动态识别抽取，基于 Neo4j 图数据库技术，完成知识存储与动态更新，初步构建涵盖多对象、多层级、多属性单元、多互馈调度响应关系的防洪调度知识图谱，实现数据与知识的有机整合。行蓄洪空间调度知识图谱构建及应用技术路线示意图如图 3 所示。

图3 行蓄洪空间防洪调度知识图谱示意图

4 先行先试阶段性成果

4.1 数字孪生平台

4.1.1 数据底板

以长江流域控制性水利工程综合调度支持系统已有数据为核心构建数据底板，整合集成多数据源接入、自动化数据萃取、分布式数据存储等多种信息领域技术，数字孪生汉江流域数据底板架构如图 4 所示，主要包括基础、监测、地理空间、业务管理、外部共享等数据类型。

数据底板建设总体原则为充分利用现有数据，按需适当补充、新建、生产或购置新数据。充分利用丹江口水库综合管理平台数据库数据资源，利用 API（应用程序编程接口）调用技术，以低耦合方式，进一步补充水源公司、汉江集团及综合调度系统大数据信息中心的数据资源，以完善数据底板，解决信息孤岛问题。宏观、中观、微观 3 个层面的数据底板建设情况如下：

1）流域宏观尺度层面。主要关注流域全局信息，以全国水利一张图为基础，以 OGC（开放地理空间信息联盟）标准数据服务方式，整合覆盖汉江流域的中等精度地形数据资源和高分辨率卫星遥感影像数据，并补充重点地区高分立体测绘卫星数据，结合河流水系、水利工程等基础数据，为数字孪生流域数字化场景构建提供大尺度的统一空间数据基础。

图4 数字孪生汉江流域数据底板架构图

2）河段中观尺度层面。结合业务建设需求，利用无人机摄影测量、激光点云、水下地形测量等技术，采集丹江口库区及汉江中下游重点河段和区域精细地表、水下数字地形模型，经过多源异构数据的解析、转换、轻量化、融合等手段或技术，丰富汉江流域重要河段数据底板。

3）水工程微观尺度层面。关注某个水库或分蓄洪民垸、蓄滞洪区信息，基于 BIM+GIS+IoT 技术，完成丹江口水利工程主体建筑物等水工程三维模型的生产制作，通过工程设施 BIM 和流域三维空间网格等，实现丹江口水利工程主体建筑物空间信息的数字化描述，并通过数据共享、服务接入等方式集成应用，为闸门调度应用奠定数据基础。

4.1.2 模型平台

水利专业模型是流域智慧化模拟的计算基础，围绕防洪调度和水资源管理与调配需求，数字孪生汉江流域在已有模型的基础上，针对不同业务场景需求，开发相关支撑性模型。为满足数字孪生汉江流域智慧化模拟的需求，新增开发或改造已有的水利专业模型，包括以丹江口水库防洪调度、库区水面线计算、汉江中下游河道洪水演进、行蓄洪工程分洪运用仿真等模型为核心的水工程调度专业基础模型，中长期水量预测、水资源调度情势分析评估预警、汉江流域水资源调度配置、用水计划编制、可调水量计算、丹江口水库供水调度计算、水量调度计划编制等水资源模型，以及洪水来源组成分析、河段潜在风险预测、工程防洪能力评估、洪灾风险损失评估、工程运用效益评估等模型。利用统一标准的模型平台对模型资源进行注册、发布、查看、调用等功能管理。

4.1.3 知识平台

基于“微服务化、开放兼容、持续演进、云原生”的设计理念，以水利知识图谱为对象开展知识平台建设，收集数据底板产生的相关数据、模型平台的仿真计算结果、调度方案规程等，经水利知识引擎处理形成知识图谱，汇集形成知识平台，以满足汉江流域防洪和水资源管理与调配“四预”应用需求。

基于知识图谱技术研发了水工程调度规则库，针对丹江口水库和分蓄洪民垸构建了调度影响关系图谱，量化水工程不同调度方式对控制点的影响。同时，研发水利知识图谱标准化构建技术，并针对流域不同防洪态势，研究“泄、蓄、分”不同调蓄空间的工程群组协同运用知识模型，支撑知识驱动下调度策略的智能推荐和决策互馈。

4.2 “四预”全过程智慧应用

4.2.1 流域防洪

汉江流域已初步建成包含上游水库群、中下游蓄滞洪区及河道堤防的防洪工程体系，其中丹江口水库是汉江流域防洪调度的核心水库，承担着汉江下游和长江中下游的防洪任务。丹江口水库针对下游防洪控制站皇庄水文站进行补偿调度，结合支流水库、蓄滞洪区配合运用，有效保障了下游襄阳、钟祥、仙桃、汉川等防洪保护对象的防洪安全。目前汉江流域迫切需要从全流域层面开展数字孪生建设，确保汉江流域防洪安全及洪水效益的有效发挥，提升流域综合调度决策科学水平，保障汉江流域防洪安全。

4.2.1.1 初步实现汉江流域水情预报及防洪形势预警

针对流域预警站点，基于汉江流域防洪控制站点间的上下游拓扑关系，构建丹江口等控制性水库及汉江中下游皇庄、仙桃等重要防洪对象的洪水组成判别指标体系，根据各控制站点实时及预报的水情过程，从水库逐步向上游站点回溯，通过计算各控制站洪峰、洪量等指标，分析丹江口等控制性水库入库洪水来源河段及各来源河段的洪峰、洪量组成情况。结合雨水情、工情、灾情等现状及雨水情可能的变化态势，根据防洪保护对象面临的防汛形势，综合考虑洪水地区组成、防洪工程运用情况、防洪保护对象（地区）灾情、工程险情等，分析当前调度任务与目标，实现对防洪形势的判断和预判，为工程调度提供启动条件。基于时间轴引擎，对流域内防洪态势进行动态分析，通过超警戒、超保证水位站点的数量对防洪态势进行分级预警并在地图场景上动态展示，帮助决策者了解流域防洪态势发展状况，确定决策干预的关键时间节点，为后续防洪调度预演确定启动时机。预警界面示例如图 5 所示。

图5 数字孪生汉江流域防洪形势预警界面

4.2.1.2 基于调度规则库实现水工程联合自动调度

以汉江流域参与联合调度的石泉、安康、潘口、黄龙滩等水工程为对象，结合各工程调度规程，明确调度涉及的水工程、来水边界站点、控制对象，解析流域来水形势、调度需求、调度目标、调度对象、工程启用条件、运行方式等要素间的语义逻辑关系及内在规律，提取调度方案特征值，创建水工程运行规则知识化描述构架，并将调度方案逻辑化、关联化，即形成适配汉江流域可供调度模拟应用的调度规则库。基于时间流引擎驱动调度规则库模型，支撑汉江流域水工程联合防洪调度自动预演。综合考虑水库当前状态与预报来水，实现丹江口水库防洪调度退水水位的优化控制。

4.2.1.3 基于数字孪生场景实现丹江口库区淹没影响动态评估

构建丹江口库区一维水动力模型，实现库区沿程各断面水位、流量过程的精准计算。基于库区水面线的计算结果，耦合丹江口库区淹没影响及损失分析计算模型，计算淹没范围、淹没历时、最大超高、洪灾损失等指标，实现丹江口库区洪水演进及淹没影响的一体化计算和定量化评估。借助高精度地形数据，从全库区、重点河段、逐断面多个维度对模型计算结果在地理空间进行三维赋息，结合时间轴引擎技术实现各类淹没要素在三维数字孪生场景下的精细化分布，并根据时间变化进行动态展示。

4.2.1.4 面向重要站点水位控制目标初步实现防洪工程调度精准化决策

考虑水库调度方式、泄流能力、下游水位顶托、洪水演进传播等因素，建立丹江口水库对下游皇庄水文站等防洪控制站点的调度影响关系。针对重要控制站点的水位控制目标，在满足水库—站点调度影响关系和水库调度最小下泄流量、最大水位涨幅、最高调洪水位等约束的条件下，耦合汉江中下游河道洪水演进模型，迭代试算控制性水库下泄流量过程，支撑控制性水库对防洪对象目标水位的精准化调度决策。场次洪水调度算例如图 6 所示，a和b图为规则调度推荐结果，当丹江口水库按照规则调度方式进行调度时，初始调度过程中，丹江口水库最高调洪水位为 169.64 m，相应下游皇庄水文站洪峰流量为11 311 m3/s，最高水位为 48.10 m，略超警戒水位；c 和d 图为按照控制皇庄水文站最高水位不超过 48.00 m的调度目标，反算得到的丹江口水库调洪过程及相应的皇庄水文站水位过程，丹江口水库进一步拦蓄洪水，减小下泄流量，最高调洪水位抬升至 169.93 m，相应皇庄水文站洪峰流量减小至 10 812 m3/s，最高水位为 47.92 m。结果表明，基于调度影响关系和反算模型，可以准确将控制站点皇庄水文站的水位控制在目标值 48.00 m 以下。

图6 数字孪生汉江流域场次洪水调度算例

4.2.1.5 基于知识图谱技术初步实现汉江流域行蓄洪工程调度运用与效果评估

围绕汉江中下游 14 处分蓄洪民垸与杜家台蓄滞洪区联合调度需求，建立汉江中下游河道洪水演进水动力模型，实时动态获取汉江中下游沿程断面水动力状态。初步建立分蓄洪民垸与蓄滞洪区对汉江中下游皇庄、沙洋、仙桃等控制水文站的调度影响关系，研发最优化计算方法，开发汉江中下游行蓄洪空间交互与基于目标的迭代优化调度模型，实现不同行蓄洪工程运用方案下分洪效果的实时计算，以及多站点水位控制目标条件下方案的智能优化推荐。同时，结合灾损数据，构建用于行蓄洪空间的灾损动态评估模型，初步实现调度方案交互调整、智能推荐、灾损评估等功能。

4.2.1.6 构建全要素指标体系实现防洪调度预案决策分析

针对决策层调度会商的业务需求，围绕流域水工程防洪调度方案，构建全要素调度决策指标体系，集中展示水库库区、汉江中下游重要控制站调度过程及调度风险和效果评估信息，实现方案中各项调度要素主题式对比，支撑决策层防洪调度会商决策分析。

4.2.2 水资源管理与调配

4.2.2.1 南水北调中线一期工程年度水量调度计划编制

基于汉江流域数据底板完成了区域水量分配指标的数字化映射；基于长江委水文局长期预测来水成果，完成了丹江口水库水源区用水需求的复核，考虑石泉、安康、潘口、黄龙滩等控制性水库调蓄作用，实现了丹江口水库可调水量交互式分析和精准化决策；结合汉江中下游、襄阳引丹渠、南水北调中线受水区、鄂北地区水资源配置工程 2022—2023 年用水需求，考虑汉江中下游干流控制断面最小下泄流量管控要求、南水北调中线总干渠输水能力等约束，完成了南水北调中线一期工程年度水量调度计划编制业务应用的功能开发。

4.2.2.2 汉江流域年度水量调度计划编制

构建了汉江流域水资源调度配置模型，模拟计算汉江流域重要水库、引调水工程的调度过程和供水控制断面的流量过程；基于断面最小下泄和生态等流量要求，通过重要水工程的交互式调整、计算、分析，基本完成汉江流域年度水量调度计划编制业务应用的功能开发。

5 结语

数字孪生流域建设是一项探索性的工作，目前缺乏成熟的技术路线和产品，需要深度融合水利专业和信息技术。本研究基于水利部关于数字孪生流域建设的要求，介绍了数字孪生汉江流域的关键业务需求和总体架构，围绕流域防洪及水资源管理与调配 2 项业务应用决策支持需要，阐述了多源数据融合底板、标准化模型平台、微服务化知识平台建设，以及高性能孪生仿真引擎、防洪调度知识图谱、水工程智能调度模型等关键技术，并针对试点建设情况介绍了数字孪生汉江流域部分应用建设成果。经过阶段性建设，基本实现了流域防洪“四预”流程、年度水量调度计划编制等功能，初步实现了汉江流域水利全要素数字化和虚拟化、流域状态实时化和可视化、流域水工程管理决策协同化和智能化。

目前，数字孪生汉江流域处于试点研发中间阶段，试点建设还存在一些问题，例如：智能调度规则及引擎有待进一步完善，预演场景无法灵活快速构建，预案中针对防洪风险的应对行动方案尚未涉及，功能应用效果和用户友好性有待在试运行过程中不断改进等。后续将紧紧围绕“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的原则，从流域实时状态的真实映射和调度预演对实际调度运行的准确模拟、系统功能对会商决策需求的全流程满足等方面，继续推进汉江流域实体及功能业务的孪生建设，实现物理维度上的实体汉江流域与信息维度上的虚拟汉江流域同生共存、虚实交融，实现预报、预警、预演、预案“四预”功能，支撑汉江流域智慧化模拟和精准化决策，赋能汉江流域防洪、供水智慧化管理，提高先行先试的示范意义和推广应用价值，助推水利事业高质量发展。