黄晓 姜恒
1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江 杭州 310000；
2. 兰溪市水务局 浙江 金华 321102
数字孪生技术是信息化背景下的智慧科技产物，充分运用物理模型与传感器的结合，在充分挖掘运行数据的基础上，结合实际工况进行全面仿真，在虚拟环境下完成映射，由此实现对实际工况的全过程描述与分析。在实际中，将数字孪生技术应用在防洪精细化管控中，需要以分析实际需求为前提，明确防洪管控过程中的重点、痛点，明确管控方向，并基于数字孪生技术提出数字孪生防洪对应的总体功能要求，包括：降水动态数据监控、水位动态数据监控、洪量动态数据监控，随后通过云端将监控数据上传，实现指挥中心与移动客户端的共享。通过建模对流域周边情况进行模拟分析，应用数字孪生技术，生成符合兰江流域实际情况的场景并生成相应的解决方案，进一步构建防洪工程智慧体系，强化提升兰江流域整体防洪决策水平。
兰溪地处钱塘江中下游地区，由于特殊的地理位置使兰溪地区高度重视防洪工作。富春江水库的库区位于衢江、金华江、兰江“三江”交汇处，使其受到上游降雨和下游富春江库区回水顶托的影响显著，特别是在汛期极易形成流域性洪水。据历史数据记载，自1950-2021年的72年时间里，其中有57年兰江都发生了超警戒水位洪水，超警戒水位洪水平均2.2次、超保证水位洪水平均0.7次。频繁高发的洪水使得兰溪成为浙江省防洪重点县市。
做好兰溪的防洪工作需要重点开展兰江流域的针对性防洪措施，兰溪历届市委市政府高度重视兰江治理工作。党的十九大以来，全市严格按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，统筹推进兰江流域水灾害防治、水资源节约、水生态修复、水环境治理，为兰溪市经济社会高质量发展筑牢了水安全屏障。
数字变革时代下，兰溪需要积极顺应水利数字化的改革趋势。兰溪水利部门坚持将数字化改革作为新发展阶段全面深化改革的总抓手，围绕“1612”体系架构，进一步深化水利数字化改革总体布局，集成全域涉水事务，高质量谋划数字孪生流域，以水旱灾害防御作为突破口，积极探索建设预报、预警、预演、预案等应用场景，全力提升兰江流域防洪减灾能力。
数字孪生防洪技术以兰江水文流域作为基本单元，以时空数据为底座、数学模型为核心，配合专业的水利知识进行调整，从而实现对兰江流域全要素的数字化映射治理管理与智能化模拟，由此真正实现保持与物理流域的同步仿真、迭代、虚实交互，构建兰江流域数字孪生应用。
2.1 数据底板
数据底板的主要功能为数字孪生防洪技术提供搭建数字化场景、整合数据资源、数字孪生引擎提供技术基础：
2.1.1 多维时空数据底板。数据底板实现了钱塘江全流域数据共享与兰江流域水文数据共享，配合对兰江防洪流域高精度数字地形数据（DEM）、高分辨率卫星遥感影像为基础进一步强化数据底板效果。建设兰江数据底板，进一步整合水文水资源、水利工程、水生态等信息数据，实现对兰江流域气象、生态环境等信息数据的高效集成，在此基础上打造防洪流域数字化场景[1]。
2.1.2 数据资源整合。兰江流域数字孪生应用为了实现资源高效整合，在构建兰江流域数字孪生应用总体框架的基础上，强化对兰江流域数据的整理工作。以现存数据资源为基础，通过加强对数据资源的调查、梳理、规划，进一步完善防洪流域数据资源数据库。在此基础上搭建数据资源汇集体系，并结合兰江流域的实际情况构建相应的水利数据标准，从而进一步量化数据质量控制的方法。在实际工作中需要结合防洪业务与决策需要，实现对各种类型数据的充分汇集，汇集后的数据将形成多层级防洪数据库。
以兰江数据标准为基础，进一步强化对多层级数据的统一、规范管理，并理清兰江防洪数据间的逻辑关系，由此提升数据的规范性、可用性，确保数据的对称性、透明性。在明确兰江流域防洪权责的基础上，构建兰江流域防洪数据共享机制，由此进一步实现各部门之间对兰江流域防洪数据的共享。
2.1.3 孪生数据集成共享。实现孪生数据集成共享需要确保与水利业务间保持数据的联动更新，并提供相应的数据同步更新、数据融合功能，确保防洪信息数据可以实现及时、持续、有效更新。以信息数据共享为基础，运用数据底板实现三维仿真全景展示与防洪BIM模型深度演示，为防汛工作提供更加精准、全面、可靠的数据支持。在防洪数据高效整合的基础上，确保防洪基础数据的完善性，并结合兰江防洪实际需求，搭建兰江防洪业务专题模块，为兰江流域治理管理工作提供支持。
2.1.4 数字孪生引擎。使用BIM技术对防洪基建结构进行描述，可以在尽量保持模型原状态的前提下，最大限度地减少基建结构中的三角形数量。配合使用Mesh Simplify插件，在需要轻量化模型的基础上导入插件，通过设置简化百分比即可达到使用效果。
在此基础上使用GIS数据处理技术加载栅格数据，然后再使用GlobalMapper处理地形数据，将处理后的数据以DEM格式导出。以DEM文件当中的数据为基础生成3DMAX实体模型，并加载相应的影像贴图，相应达到一定的优化数据纹理色彩效果。随后导出实体模型，使用Unity3D并配合Mesh Simplify插件对数据进行轻量化处理，将处理结果加载至三维场景。
2.2 分析模型
在充分考虑防洪标准、硬件接口、硬件设备安装的基础上，结合兰江流域的特点，充分运用共享水利部模型库与模拟仿真引擎，搭建相应的兰江防洪模型，兰江防洪模型由水利模型库、智能模型库、可视化模型库共同组成。
2.2.1 水利模型库。以兰江流域特点为基础，在充分分析兰江流域水文数据、防洪历史数据的基础上，搭建防洪水利模型库，为兰江流域未来的防洪工作构建水文模型、水动力模型等提供基础模型，由此实现对兰江河道演进、水利安全运行的客观、全面与智能决策。
2.2.2 算法能力模型库。以训练学习算法为基础，构建可以支持计算机智能分析的数据模型库，从而实现对兰江流域防洪数据的信息化、自动化精准监控，并从数据中提取重点信息进行结构化分析，为进一步强化防洪工作提供有力支持。
2.2.3 可视化模型库。可视化模型库可以提供实时、动态的场景渲染，通过对防洪需求的客观分析实现仿真，并以“四预”理念为指导，实现模型的可视化。
2.3 知识库
结合沉淀水利知识与相应的防洪流域治水经验，搭建防洪知识库。以共享水利部知识库与水利知识引擎为基础，结合兰江流域特点拟定相应的流域防洪预案规则库，从而进一步为兰江流域数字孪生应用提供充分的服务支撑。具体建设内容如下。
2.3.1 预案规则库。充分收集兰江流域已有方案，充分分析兰江流域防洪流域历史数据与相应的水利工程、水文地质情况，拟定防洪预报方案，并运用数字孪生技术实现防洪预案信息自动化与信息数据处理。通过检索与索引关键数据信息，包括兰江流域水文站预报方案、蓄滞洪区洪水预报方案等。由此实现对业务文档内容的结构化处理，构建灵活化的、可组合应用的方案规则集，有助于全面梳理与不同防洪情况相匹配方式，使防洪工作更加逻辑化、数字化[2]。
2.3.2 历史场景模式库。在充分分析兰江流域防洪历史数据中提炼信息，在此基础上明确防洪场景目标主体。对兰江流域的气象水文信息、决策信息、水工程运行过程进行详细记录并分析，从中提炼与历史数据高度相似的典型特征，将提炼后的历史防洪经验汇编成防洪历史资料纳入知识库，并进一步明确防洪场景目标主体。并以此为依据推演分析场景演变，为提升防洪决策的精准性提供依据。
2.3.3 专家经验库。专家经验库由历史场景预报、过程再现组成。凭借专家经验拟定防洪决策，针对兰江流一系列特定工况，使用文字、公式、图形量化专家经验，并在此基础上提出一系列符合兰江流域客观实际情况的防洪风险应对措施，并在专家经验的主导下形成可有效复用与持续积累的经验。
2.3.4 流域主题知识图谱：面向防洪业务场景，主要包括采集原始业务数据、水利知识建模、水利知识抽取、水利知识融合、水利知识应用等模块。以防洪业务主题为索引，构建支持知识检索精准化和智能化的兰江流域主题图谱，包括所涉业务的自然对象、工程对象和社会对象。
2.3.5 水利知识引擎：在水利部水利知识引擎的基础上进行拓展更新，基于L2级数字孪生数据底板，整合汇聚现有数据资源，建设具有兰江水利知识表示、水利知识抽取、水利知识融合、水利知识推理、水利知识存储功能的水利知识引擎。
3.1 高效科学预报预警
借用数字孪生技术产生的科学预报预警数据信息，在数字化模拟的同时还可以将监测到的数据与云端实现同步，用户只需要通过移动终端就可以随时查看兰江流域的水情、工情实况。在数字化场景中融合实时视频，可以实现“虚实融合”可视化场景，由此为多维动态预演创造条件。洪水监控将兰江流域的动态实际情况映射到数字流域中，从而进一步搭建数字化场景。由此为防洪指挥中心提供更加直观的、真实的拦江流域动态情况，确保汛情预报预警的直观化、准确化、高效化[3]。
3.2 流域态势的全面数字映射
数字孪生技术可以通过反向映射的方式实现流域态势的全面数字映射，以此有效控制现实中的控制对象。在兰江流域防洪中使用数字孪生技术将一系列虚拟化的防洪操作转换成接口标准控制指令，由网络将指令传输至远端控制设备，控制设备负责对相应的防洪设备进行处理，由此实现对防洪的及时控制。通过网络将数据处理结果回传到数字流域中，通过流域态势实现对相关设备状态的映射，由此向相关工作人员展示数字化场景，由此真正实现现实流域与数字流域的“双向映射”。
3.3 多维动态洪水预演
多维动态洪水预演，可以为模拟推演流域洪水实况与拟定智能决策提供客观依据。结合现阶段兰江流域防洪的实际情况，通过数字流域对不同降水条件下、不同控制条件下对应的洪水影响情况进行分析，在分析对比最终防洪效果的基础上，智能化决策优化选定最优方案，实现了模拟推演智能化[4]。多维动态洪水预演在兰江流域防洪中的应用，有效提升防洪决策的科学性。兰江防洪数字流域充分利用预测数据，实现对洪水的虚拟化推演，工作人员通过推演预测防洪各种可能性，并以此为依据采取应对措施，从而最大限度降低防洪成本。
数字孪生技术为提升防洪精细化管控提供技术支持。兰江流域防洪以数据底板为基础搭建数字化场景，由此实现对兰江流域一系列信息数据的高效汇集；
以兰江流域数字孪生应用总体框架为基础，实现对步量化数据质量的有效控制。在收集大量有效数据信息的基础上，将“四预”通过监控虚拟化、模拟推演智能化在防洪管控中予以落实，从根本上提升兰江流域防洪效率，真正实现兰江流域防洪精细化管控。