周競(jìng)亮，韓月琪

（中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，430010，武漢）

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器實(shí)時(shí)收集和獲取的現(xiàn)實(shí)物體運(yùn)行數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程。在防洪安全領(lǐng)域，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建洪水模型，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)防洪預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水災(zāi)害的有效防范和快速響應(yīng)，在國(guó)內(nèi)外已形成一定研究成果；在精準(zhǔn)調(diào)度領(lǐng)域，諸多學(xué)者通過(guò)相關(guān)理論研究和實(shí)踐案例，論證了通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，賦能流域防洪調(diào)度智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策的可能性。

一、數(shù)字孿生三峽建設(shè)的重要意義

三峽工程是國(guó)之重器，是長(zhǎng)江流域骨干性、控制性工程，是保護(hù)和治理長(zhǎng)江的關(guān)鍵性工程。通過(guò)科學(xué)調(diào)度，可以發(fā)揮工程巨大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源配置、節(jié)能減排與生態(tài)環(huán)保等綜合效益，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江及長(zhǎng)江流域可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展提供重要支撐。2020年11 月，三峽工程完成整體竣工驗(yàn)收，標(biāo)志著三峽工程建設(shè)任務(wù)全面完成，由建設(shè)期轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行期。進(jìn)入新發(fā)展階段，如何推動(dòng)三峽工程高質(zhì)量發(fā)展，使三峽工程更高標(biāo)準(zhǔn)、更高水平、更可持續(xù)、更加安全地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，是三峽工程運(yùn)行管理的重要任務(wù)。

通過(guò)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)數(shù)字孿生三峽，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字三峽工程與物理三峽工程同步仿真運(yùn)行，有效提升預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”智慧化水平，提升三峽工程綜合、協(xié)同管理能力，促進(jìn)三峽工程及長(zhǎng)江流域可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展。

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的重要思想和“十四五”規(guī)劃綱要明確的構(gòu)建智慧水利的要求，水利部先后印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》等文件，要求以推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展為主題，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵?，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)。2022 年，水利部印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》，提出在重要水利工程開(kāi)展數(shù)字孿生工程建設(shè)先行先試，將三峽工程列入先行先試對(duì)象，明確要求按照水利部關(guān)于數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生工程以及數(shù)據(jù)融合共享等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，推進(jìn)數(shù)字孿生三峽建設(shè)，構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的數(shù)字孿生三峽工程，提升三峽水利樞紐安全高效穩(wěn)定運(yùn)行水平。

中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司在水利部智慧水利頂層設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，深入開(kāi)展數(shù)字孿生三峽建設(shè)，在數(shù)據(jù)底板建設(shè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、流域梯級(jí)預(yù)報(bào)與調(diào)度等方面取得了階段性成果。

二、數(shù)字孿生三峽建設(shè)的難點(diǎn)堵點(diǎn)

1.已有資源整合

經(jīng)過(guò)多年信息化建設(shè)和發(fā)展，數(shù)字孿生三峽建設(shè)積累了大量的硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源，涵蓋感知體系、基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)等多方面，但同時(shí)也存在部分系統(tǒng)功能單一、無(wú)法融合等問(wèn)題，需要在數(shù)字孿生三峽建設(shè)過(guò)程中予以解決。

要按照“整合共享、集約建設(shè)”的原則，充分整合三峽工程已建的感知采集、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)資源、專業(yè)模型等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源的高效整合和集約利用。

2.數(shù)據(jù)效益發(fā)揮

三峽工程建設(shè)運(yùn)行以來(lái)，積累了水文、水資源、水環(huán)境、工程安全、壩區(qū)管理、庫(kù)區(qū)管理、電力安全生產(chǎn)、綜合管理等各類基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、地理空間、業(yè)務(wù)管理方面的數(shù)據(jù)，但仍存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散、共享不充分、覆蓋不全面、更新時(shí)效性不夠等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約了數(shù)據(jù)綜合效益的發(fā)揮。

進(jìn)一步提升三峽庫(kù)區(qū)綜合管理能力，亟須融合三峽工程的海量數(shù)據(jù)，打通各建設(shè)主體間的數(shù)據(jù)壁壘，加強(qiáng)互聯(lián)互通及共享協(xié)同能力，以流域?yàn)閱卧y(tǒng)籌庫(kù)區(qū)、壩區(qū)、下游影響區(qū)，通過(guò)完善時(shí)空多尺度數(shù)據(jù)映射，形成孿生流域，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化的孿生流域數(shù)據(jù)底板，為多業(yè)務(wù)管理提供強(qiáng)大數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，需進(jìn)一步擴(kuò)大監(jiān)測(cè)感知范圍，建立多角度、多方位的感知體系，積極應(yīng)用新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、機(jī)器人、北斗等多種監(jiān)測(cè)技術(shù)，在高空、水底、密閉空間等復(fù)雜環(huán)境中，對(duì)三峽工程管理要素進(jìn)行監(jiān)控，完善管理范圍內(nèi)諸多要素的精細(xì)化監(jiān)測(cè)，建立全域全空間智能感知體系。

3.數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字孿生是一系列技術(shù)的集成融合、創(chuàng)新應(yīng)用。開(kāi)展數(shù)字孿生建設(shè)，需要綜合運(yùn)用全局流域特征感知、聯(lián)結(jié)計(jì)算（通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算）、云邊協(xié)同、大數(shù)據(jù)及人工智能建模與仿真等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平行于物理流域空間的數(shù)字虛擬流域?qū)\生體。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，三峽工程信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)融合探索初見(jiàn)成效，但仍存在先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用不夠、監(jiān)管時(shí)效性不強(qiáng)等問(wèn)題，無(wú)法完全滿足數(shù)字孿生三峽建設(shè)的需要。

隨著新一代數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星遙感、航空遙感、無(wú)人機(jī)、傾斜攝影、北斗、先進(jìn)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、專業(yè)模型、模擬仿真等先進(jìn)技術(shù)在水利管理工作中扮演著極為重要的角色，發(fā)揮了巨大的技術(shù)支撐作用。數(shù)字孿生三峽建設(shè)亟須應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，強(qiáng)化“四預(yù)”應(yīng)用，切實(shí)提升三峽工程運(yùn)行安全管理先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用水平和監(jiān)管時(shí)效性。具體來(lái)說(shuō)，北斗、機(jī)器人等技術(shù)可應(yīng)用于空中、水下、壩區(qū)等復(fù)雜空間的感知探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩外觀、庫(kù)岸等區(qū)域的精細(xì)化監(jiān)測(cè)；人工智能技術(shù)可助力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電站外部的非法入侵、生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)隱患等；云計(jì)算技術(shù)可大幅度提升不同層級(jí)與單位間的數(shù)據(jù)共享及交換能力等。

三、數(shù)字孿生三峽建設(shè)的總體規(guī)劃

1.總體框架

數(shù)字孿生三峽建設(shè)按照智慧水利建設(shè)“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總體要求，以大時(shí)空、系統(tǒng)性視角，面向包含三峽工程壩區(qū)及近壩庫(kù)區(qū)相關(guān)工程區(qū)域，覆蓋三峽工程壩區(qū)、工程庫(kù)區(qū)以及工程下游影響區(qū)在內(nèi)的空間范圍，在全面整合各參建單位已有信息化成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建三峽工程壩區(qū)管理范圍L3級(jí)數(shù)據(jù)底板，升級(jí)完善三峽工程及三峽水庫(kù)水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云等信息化基礎(chǔ)設(shè)施，補(bǔ)充優(yōu)化完善水利專業(yè)模型、智能識(shí)別模型及可視化模型，實(shí)現(xiàn)三峽工程及庫(kù)區(qū)物理全要素和運(yùn)行安全管理全過(guò)程的數(shù)字化映射、智慧化模擬（圖1）。

圖1 數(shù)字孿生三峽總體框架

統(tǒng)籌考慮三峽工程樞紐自身運(yùn)行安全和影響空間范圍內(nèi)的防洪安全、水庫(kù)庫(kù)容安全、地質(zhì)安全、水質(zhì)安全、供水安全、航運(yùn)安全、發(fā)電安全、生態(tài)安全，以及三峽后續(xù)工作管理等業(yè)務(wù)需求，按照防洪精準(zhǔn)調(diào)度、三峽樞紐工程運(yùn)行安全管理、三峽水庫(kù)運(yùn)行安全管理、三峽后續(xù)工作管理和綜合決策支持五大應(yīng)用板塊，構(gòu)建具備預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的業(yè)務(wù)應(yīng)用。推進(jìn)實(shí)體工程與數(shù)字孿生工程同步交互映像，有效提升三峽工程綜合管理能力，確保三峽工程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行安全，更好地發(fā)揮三峽工程巨大綜合效益。

2.主要任務(wù)

（1）搭建數(shù)字孿生平臺(tái)

以GIS+BIM 技術(shù)為支撐，構(gòu)建覆蓋三峽工程L3級(jí)數(shù)據(jù)底板，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源，并建設(shè)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)引擎；模型方面，構(gòu)建水利專業(yè)模型、智能識(shí)別模型、可視化模型和模擬仿真引擎等；知識(shí)方面，構(gòu)建包括預(yù)報(bào)調(diào)度方案、工程安全、業(yè)務(wù)規(guī)則的知識(shí)庫(kù)和水利知識(shí)引擎，為決策提供智能支撐。

（2）完善水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施

完善大壩安全監(jiān)測(cè)外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，統(tǒng)籌流域管理相關(guān)業(yè)務(wù)，完善傳統(tǒng)水利感知網(wǎng)，大力應(yīng)用新型水利監(jiān)測(cè)技術(shù)，為三峽工程運(yùn)行安全提供先進(jìn)適用監(jiān)測(cè)手段。按需完善水利信息網(wǎng)和水利云，為數(shù)字孿生工程提供感知傳輸、計(jì)算存儲(chǔ)和運(yùn)行環(huán)境支撐。同步完善網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全防護(hù)，確保安全措施同步建設(shè)和同步使用。

（3）提升業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化水平

圍繞三峽工程防洪精準(zhǔn)調(diào)度、三峽樞紐工程運(yùn)行安全管理、三峽水庫(kù)運(yùn)行安全管理（包含庫(kù)容管理、地質(zhì)安全管理、水環(huán)境保護(hù)管理、水資源管理、水生態(tài)保護(hù)管理）、三峽后續(xù)工作管理及綜合決策支持等五大業(yè)務(wù)板塊，充分整合已有信息化基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)字孿生三峽業(yè)務(wù)應(yīng)用。

防洪精準(zhǔn)調(diào)度方面，以三峽水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)分析、三峽工程調(diào)度、洲灘民垸運(yùn)用、蓄滯洪區(qū)配合、堤防行洪為業(yè)務(wù)主線，進(jìn)一步提升以三峽工程為核心的防洪調(diào)度決策水平；三峽樞紐工程運(yùn)行安全管理方面，以樞紐安全、壩區(qū)管理、近壩庫(kù)區(qū)管理、電力安全生產(chǎn)、通航管理等為業(yè)務(wù)主線，進(jìn)一步提升三峽工程運(yùn)行安全管理能力和水平；三峽水庫(kù)運(yùn)行安全管理方面，整合已有資源，進(jìn)一步加強(qiáng)三峽水庫(kù)庫(kù)容安全、地質(zhì)安全、水質(zhì)安全、水資源安全、水生態(tài)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警、動(dòng)態(tài)掌握、問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)與閉環(huán)處置能力，顯著提升庫(kù)區(qū)綜合管理水平；三峽后續(xù)工作管理方面，進(jìn)一步加強(qiáng)三峽后續(xù)工作項(xiàng)目過(guò)程與績(jī)效管理、三峽移民管理等。

通過(guò)業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化，全面提升三峽樞紐工程與三峽水庫(kù)安全高效穩(wěn)定運(yùn)行水平，確保三峽工程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行安全，保障三峽工程持續(xù)發(fā)揮巨大綜合效益。

四、數(shù)字孿生三峽賦能防洪安全及精準(zhǔn)調(diào)度的實(shí)踐成效

防洪是興建三峽工程的首要任務(wù)，也是三峽工程的首要功能。三峽水庫(kù)總庫(kù)容393億m3，其中防洪庫(kù)容221.5億m3，與其他防洪措施相結(jié)合，形成了以三峽工程為骨干的長(zhǎng)江中下游防洪保障體系，使荊江河段防洪能力由10年一遇提高到100年一遇。通過(guò)開(kāi)展數(shù)字孿生三峽建設(shè)，加強(qiáng)數(shù)字化、智能化在防洪安全及精準(zhǔn)調(diào)度方面的應(yīng)用，實(shí)施以三峽水庫(kù)為核心的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，長(zhǎng)江流域水資源得到進(jìn)一步高效利用，防洪、航運(yùn)、生態(tài)等各項(xiàng)綜合效益顯著發(fā)揮。

為全面提升調(diào)度業(yè)務(wù)能力，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司將視角擴(kuò)展到長(zhǎng)江全流域，搭建了綜合調(diào)度支持系統(tǒng)。平臺(tái)可有效支撐包括運(yùn)行監(jiān)視、流域水模擬、流域形勢(shì)分析、調(diào)度業(yè)務(wù)分析、預(yù)報(bào)調(diào)度方案評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)調(diào)度方案管理、預(yù)報(bào)調(diào)度會(huì)商等在內(nèi)的7 項(xiàng)業(yè)務(wù)功能，以及涵蓋防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、水量調(diào)度、生態(tài)水量調(diào)度、水生態(tài)調(diào)度、航運(yùn)調(diào)度、泥沙調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、梯級(jí)多目標(biāo)調(diào)度等9 項(xiàng)調(diào)度分析業(yè)務(wù)，為有效提升長(zhǎng)江流域水資源綜合效益發(fā)揮了決策支撐作用。

在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，已實(shí)時(shí)匯集了流域內(nèi)不同類型的監(jiān)測(cè)要素，包括雨情、水情、工情、咸情、水生態(tài)、水溫、泥沙等各類數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息融合預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)，支持洪水預(yù)警、最小下泄流量、生態(tài)流量告警等預(yù)警功能，及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地掌握流域情勢(shì)發(fā)展，為開(kāi)展調(diào)度分析預(yù)演提供支持。

在預(yù)報(bào)模擬方面，研發(fā)了自主可控的機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能算法、預(yù)報(bào)調(diào)度等40 余套各類專業(yè)模型，基于流域水模擬體系敏捷搭建技術(shù)，完成了全流域40余條河系共計(jì)近400 個(gè)節(jié)點(diǎn)、1000 余套預(yù)報(bào)方案的體系構(gòu)建，支撐全流域水模擬高效運(yùn)算。

在調(diào)度預(yù)演方面，以洪水預(yù)演為例，構(gòu)建包含調(diào)度目標(biāo)、預(yù)演節(jié)點(diǎn)、邊界條件等在內(nèi)的預(yù)演場(chǎng)景，并基于水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等模型構(gòu)建洪水演進(jìn)方案，進(jìn)行影響分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最后基于選擇的調(diào)度節(jié)點(diǎn)構(gòu)建調(diào)度方案。在調(diào)度分析過(guò)程中，可根據(jù)調(diào)度方案對(duì)洪水影響區(qū)進(jìn)行預(yù)演分析，同步對(duì)三峽工程的防洪、航運(yùn)和發(fā)電等綜合效益進(jìn)行擴(kuò)展分析，以制定和優(yōu)化調(diào)度方案。在預(yù)演仿真過(guò)程中，通過(guò)對(duì)洪水災(zāi)害或風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)展變化和水利工程調(diào)度運(yùn)用過(guò)程的可視化模擬，實(shí)現(xiàn)事件的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)展示，并在模擬計(jì)算成果基礎(chǔ)上，結(jié)合水利工程運(yùn)行狀況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀等，參考水利調(diào)度規(guī)則、典型歷史案例，利用專家經(jīng)驗(yàn)和智能分析等，優(yōu)化確定水利工程運(yùn)行調(diào)度方案，進(jìn)一步提升了以三峽工程為核心的防洪調(diào)度決策水平。