李文正

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部計算機(jī)學(xué)院，100124，北京）

數(shù)字孿生技術(shù)是物理對象數(shù)字化映射形成的數(shù)字孿生體對物理對象機(jī)理規(guī)律的模擬和預(yù)演，實(shí)現(xiàn)物理對象空間和數(shù)字虛擬空間的虛實(shí)映射、動態(tài)交互、實(shí)時連接、仿真模擬，為觀察、認(rèn)識、理解、控制和改造物理對象提供了一種新的有效手段。

從不同的角度對數(shù)字孿生有不同的解釋和側(cè)重點(diǎn)，目前尚未對數(shù)字孿生有統(tǒng)一定義。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)以及數(shù)字孿生體模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段，即數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字化映射在數(shù)字空間對對象機(jī)理規(guī)律的實(shí)時模擬。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、算力網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、云計算、云邊協(xié)同技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能建模及仿真技術(shù)發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已成為各行業(yè)解決數(shù)字空間數(shù)字模型與物理空間實(shí)體交互難題的研究熱點(diǎn)。從制造企業(yè)將發(fā)展數(shù)字孿生解決方案作為推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要舉措，到水利行業(yè)積極推進(jìn)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，感知、通信、計算一體化背景下數(shù)字孿生與行業(yè)的深度融合發(fā)展正持續(xù)推進(jìn)。

面對水利工程規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)、影響大，流域管理涵蓋多學(xué)科多目標(biāo)等挑戰(zhàn)，數(shù)字孿生為智慧流域建設(shè)提供了新的思路和方法，是未來水利信息化發(fā)展的必然趨勢。

一、數(shù)字孿生流域的內(nèi)涵與特征

數(shù)字孿生流域是通過綜合運(yùn)用全流域特征感知、算力網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、云計算、云邊協(xié)同技術(shù)、大數(shù)據(jù)、基于模型系統(tǒng)工程（MBSE）及人工智能與仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“平行于”物理流域的數(shù)字流域?qū)\生體。通過流域數(shù)字孿生體對現(xiàn)行流域特征要素監(jiān)測感知和模型描述，實(shí)現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域的映射、交互、深度協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)決策和聯(lián)合調(diào)度管理。

數(shù)字孿生流域是由實(shí)映射生虛、以虛仿真控實(shí)、虛實(shí)交互組成的流域?qū)\生體。數(shù)字孿生流域特征是與物理流域“平行”、反作用于物理流域、多種技術(shù)組合及與水利行業(yè)深度融合。數(shù)字孿生流域的核心要素是物理流域單元實(shí)體數(shù)字化、聯(lián)結(jié)計算、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字孿生體模型及其孿生服務(wù)，映射是基礎(chǔ)、仿真是本質(zhì)、優(yōu)化及決策是目標(biāo)。

數(shù)字孿生流域具有以下特征：

①流域動態(tài)映射。數(shù)字孿生流域中的流域物理單元孿生體和流域數(shù)字孿生體能夠?qū)崟r連接、實(shí)時精準(zhǔn)映射、動態(tài)感知與交互。

②流域?qū)\生體仿真。通過構(gòu)建流域數(shù)字孿生體模型，在數(shù)字空間中對物理流域智能模擬、驗(yàn)證、預(yù)測、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化及同步仿真。

③高保真性。數(shù)字流域?qū)\生體模型和流域物理孿生體具有相似逼真性。

④流域閉環(huán)調(diào)節(jié)與控制。通過數(shù)字流域?qū)\生體模型和實(shí)際流域物理孿生體的雙向互動，在數(shù)字流域空間中分析推理、模擬仿真，以及數(shù)字流域?qū)\生體模型和實(shí)際流域物理孿生體的干預(yù)和控制，最終實(shí)現(xiàn)對流域的科學(xué)決策與管理。

二、數(shù)字孿生流域體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)字孿生流域人機(jī)決策服務(wù)目標(biāo)，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、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生/數(shù)字主線、模型系統(tǒng)工程、空天地一體化網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、仿真）的數(shù)字孿生流域體系結(jié)構(gòu)（圖1）。其中，物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算以及空天地一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)設(shè)施，是獲取流域?qū)崟r數(shù)據(jù)的重要途徑；大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生/數(shù)字主線、模型系統(tǒng)工程、人工智能、仿真是數(shù)字孿生流域的核心技術(shù)。

圖1 數(shù)字孿生流域體系結(jié)構(gòu)

三、數(shù)字孿生流域模型及構(gòu)建方法

數(shù)字孿生流域的構(gòu)建需要從物理流域空間到數(shù)字流域空間進(jìn)行，總體構(gòu)建過程如圖2所示。構(gòu)建方法如下：

①在物理空間中精準(zhǔn)描述靜態(tài)物理流域單元對象及其數(shù)字化；

②實(shí)現(xiàn)對流域物理對象單元與流域物聯(lián)網(wǎng)感知動態(tài)數(shù)據(jù)信息的映射描述；

③在數(shù)字空間中構(gòu)建具備仿真模擬能力的流域數(shù)字孿生體模型，能夠主動模擬與預(yù)測水利工程及流域運(yùn)行狀態(tài)；

④針對真實(shí)物理流域的運(yùn)行，流域數(shù)字孿生體提供部分自主反饋控制與優(yōu)化，形成真正的虛實(shí)共生數(shù)字孿生流域。

在數(shù)字孿生流域模型構(gòu)建過程中，建模應(yīng)不僅涵蓋現(xiàn)行流域物理單元實(shí)體，還要涵蓋人、機(jī)、物三元空間的其他要素，以充分反映流域的行為狀態(tài)和規(guī)律。數(shù)字孿生流域通過流域特征數(shù)據(jù)感知與物理流域?qū)ο笙嘟Y(jié)合，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，再轉(zhuǎn)為知識，才能滿足使用者的決策需求。

根據(jù)不同的需求和目標(biāo)，一個數(shù)字孿生流域可以對應(yīng)多個數(shù)字孿生體，需要從多個不同角度描述的流域不同物理對象單元對應(yīng)數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生體之間通過數(shù)字主線融合連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動。數(shù)字主線是一個可擴(kuò)展、可配置的數(shù)據(jù)流通和融合通信框架，是多個數(shù)字孿生體之間溝通的橋梁，這些數(shù)字孿生體反映了流域不同單元物理對象不同側(cè)面的模型視圖，多個流域不同物理單元對象的數(shù)字孿生體組合成一個完整流域數(shù)字孿生體。每個數(shù)字孿生體與流域物理單元對象動態(tài)映射協(xié)同，通過反饋、分析、改善以及模擬驗(yàn)證迭代更新，完成對模型的設(shè)計、驗(yàn)證和運(yùn)維。流域數(shù)字孿生體設(shè)計方法和建模如圖3所示。

通過流域多維數(shù)據(jù)感知獲取數(shù)據(jù)和數(shù)字主線，驅(qū)動數(shù)字孿生模型，進(jìn)而形成現(xiàn)行物理流域空間與數(shù)字流域空間的動態(tài)實(shí)時映射、深度協(xié)同和融合，從而實(shí)現(xiàn)流域應(yīng)用場景的仿真、模擬、推演以及流域行為狀態(tài)監(jiān)測、態(tài)勢分析、預(yù)演和綜合決策。

圖2 數(shù)字孿生流域構(gòu)建方法

圖3 流域數(shù)字孿生體建模

流域數(shù)字孿生模型與實(shí)景流域三維模型的最大區(qū)別在于其建模不僅涵蓋流域物理實(shí)體，還要涵蓋人、機(jī)、物三元空間的其他要素，結(jié)合流域特征感知數(shù)據(jù)與現(xiàn)行物理流域?qū)ο?，融合人機(jī)物三元空間流域特征實(shí)時數(shù)據(jù)并迭代優(yōu)化，反映流域行為狀態(tài)及規(guī)律。

四、結(jié) 論

由于大范圍、長距離、氣候差異大、監(jiān)測監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜、傳感器類型多而復(fù)雜、供電、通信傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，數(shù)字孿生流域建設(shè)成為高度復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，并呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域融合的新形態(tài)和新模式。在數(shù)字孿生流域空間中，從構(gòu)建流域單元孿生到孿生流域系統(tǒng)應(yīng)用，從流域多物理對象孿生體集成到數(shù)字孿生流域虛實(shí)共生，仿真、模擬、推演流域的各種業(yè)務(wù)場景，獲得解決流域管理問題的最佳方案和最優(yōu)路徑。

針對物理流域、聯(lián)結(jié)計算、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字孿生體模型及其孿生服務(wù)等數(shù)字孿生流域的核心要素，開展了數(shù)字孿生流域特征數(shù)據(jù)獲取、映射鏡像、平臺體系結(jié)構(gòu)及數(shù)字孿生體模型構(gòu)建研究，提出了數(shù)字孿生流域內(nèi)涵、基于ABCDMEETS的數(shù)字孿生流域體系結(jié)構(gòu)及數(shù)字孿生流域模型的構(gòu)建方法?！?/p>