本文來(lái)自微信公眾號(hào)“智慧水務(wù)傳感器俱樂(lè)部的時(shí)美”，作者/時(shí)美。
水利部印發(fā)的《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《十四五期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》、《十四五智慧水利建設(shè)規(guī)劃》，明確了2025年要建成七大江河數(shù)字孿生流域。
之前我們有聊過(guò)數(shù)字孿生模型的六個(gè)要素、以及與傳統(tǒng)仿真模型之間的七大不同。
今天我們聊一聊數(shù)字孿生模型的六個(gè)核心能力。
1.物理流域的感知能力
數(shù)字孿生流域是利用信息技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的虛擬流域，通過(guò)感知真實(shí)的物理流域、模擬流域的過(guò)程和行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的智能化感知、識(shí)別、管理和控制。
流域上通常會(huì)布設(shè)雨量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、墑情、位移、形變、視頻、位置等傳感器，以及利用衛(wèi)星、遙感等，形成空天地一體化的感知網(wǎng)絡(luò)。
通過(guò)感知網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的采集和集成、通信和共享、流域模型、運(yùn)行態(tài)勢(shì)診斷，對(duì)物理流域?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)連接和全息協(xié)同感知。
其中，數(shù)據(jù)處理的方法和技術(shù)包括：數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、缺失數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)平滑和濾波、數(shù)據(jù)校正和校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮和降維、數(shù)據(jù)歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)空間聚合等。
2.全要素的數(shù)字化表達(dá)能力
對(duì)物理流域的管控對(duì)象要進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)識(shí)。
唯一標(biāo)識(shí)：通常利用流域、區(qū)域、計(jì)算單元等編碼相結(jié)合以及空間剖分和時(shí)間細(xì)分整合的方式，對(duì)物理流域?qū)ο筮M(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。
多維描述：通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從粗到細(xì)、從宏觀到微觀、從地下道地上、從外部到內(nèi)部進(jìn)行多維度、多層級(jí)、多粒度的數(shù)字化語(yǔ)義化描述。
地理要素：對(duì)流域的地理要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括地形、地貌、地表覆蓋等。通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）和遙感數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建流域的地形模型，并對(duì)地理要素進(jìn)行空間分析和可視化。
水文要素：對(duì)流域的水文要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括降水、徑流、蒸散發(fā)、地下水、河流等。通過(guò)水文模型和傳感器數(shù)據(jù)，可以模擬流域的水文過(guò)程，并對(duì)水文要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。
生態(tài)要素：對(duì)流域的生態(tài)要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括生物多樣性、植被分布、土壤質(zhì)量等。通過(guò)生態(tài)模型和遙感數(shù)據(jù)，可以模擬和監(jiān)測(cè)流域的生態(tài)系統(tǒng)變化和健康狀況。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素：對(duì)流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括人口分布、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、土地利用等。通過(guò)社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以模擬和分析流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和變化趨勢(shì)。
水質(zhì)要素：對(duì)流域的水質(zhì)要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染源分布等。通過(guò)水質(zhì)模型和傳感器數(shù)據(jù)，可以模擬和評(píng)估流域的水質(zhì)狀況，并提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
氣候要素：對(duì)流域的氣候要素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，包括氣溫、濕度、風(fēng)速等。通過(guò)氣候模型和氣象數(shù)據(jù)，可以模擬和預(yù)測(cè)流域的氣候變化和極端氣候事件。
3.實(shí)景可視動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)能力
以真實(shí)、直觀的方式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新和交互。
數(shù)字孿生流域利用現(xiàn)代技術(shù)和工具，感知、匯聚、融合物理流域?qū)ο笕芷诘臄?shù)據(jù)，獲得流域地理地貌、土地利用、工程、降水、土壤水分及生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等全方面的時(shí)效信息，通過(guò)對(duì)物理流域?qū)ο筮M(jìn)行多層次實(shí)時(shí)渲染及可視化呈現(xiàn)，支撐對(duì)空間分析、大數(shù)據(jù)分析、仿真過(guò)程的多終端一體化展示，
不僅能夠真實(shí)展現(xiàn)流域地形地貌、自然環(huán)境、工程背景等各種場(chǎng)景，更重要的是能夠?qū)⑦\(yùn)行機(jī)理復(fù)雜，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且內(nèi)部狀態(tài)和過(guò)程不可見(jiàn)的流域系統(tǒng)變得透明，幫助決策者全面深入了解的物理流域?qū)ο蟮男阅堋⑦\(yùn)行狀態(tài)及趨勢(shì)、歷史信息、運(yùn)行環(huán)境和任務(wù)需求等
地理信息系統(tǒng)（GIS）：利用GIS技術(shù)，將數(shù)字孿生流域模型中的地理要素?cái)?shù)據(jù)以地圖或三維模型的形式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。通過(guò)地圖操作和圖層控制，用戶可以實(shí)時(shí)查看和分析流域的地理信息。
三維可視化：利用三維可視化技術(shù)，將數(shù)字孿生流域模型中的地形、水文、生態(tài)等要素以三維模型的形式呈現(xiàn)。用戶可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)、縮放和導(dǎo)航等操作，觀察流域的立體形態(tài)和特征，并進(jìn)行空間分析和模擬。
動(dòng)態(tài)模擬和模擬結(jié)果呈現(xiàn)：利用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，將數(shù)字孿生流域模型中的數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。用戶可以觀察和比較不同時(shí)刻的流域狀態(tài)和變化趨勢(shì)，以及模擬結(jié)果的演變過(guò)程。
可視分析和交互：數(shù)字孿生流域的實(shí)景可視動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)能力支持用戶進(jìn)行可視分析和交互操作。用戶可以通過(guò)選擇、查詢、標(biāo)注等方式，探索和分析流域的不同要素和屬性。交互操作可以包括模型參數(shù)調(diào)整、方案比較、場(chǎng)景演示等，以滿足用戶的需求和目標(biāo)。
虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)：利用虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將數(shù)字孿生流域模型中的數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果以沉浸式、交互式的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。用戶可以通過(guò)頭戴式顯示設(shè)備或手機(jī)等終端，身臨其境地體驗(yàn)流域的模擬和分析過(guò)程。
4.流域數(shù)據(jù)融合供給能力
數(shù)字孿生流域具備全面匯聚、關(guān)聯(lián)集成流域多源、多類型、多形態(tài)的水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)的能力。
通過(guò)數(shù)據(jù)采集、集成和管理，數(shù)字孿生流域可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流域各要素?cái)?shù)據(jù)的全面獲取和整合。
數(shù)字孿生流域能夠在保證數(shù)據(jù)及時(shí)、全面、準(zhǔn)確、完整的前提下，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流方式按需供給多維多尺度模型，
包括幾何模型、機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型、知識(shí)模型、業(yè)務(wù)模型等。這些模型可以支持對(duì)流域結(jié)構(gòu)、功能和行為的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)和可視化表達(dá)。
通過(guò)數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)融合能力和模型支持，可以實(shí)現(xiàn)流域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、態(tài)勢(shì)診斷、趨勢(shì)預(yù)判和虛實(shí)互動(dòng)等核心功能。用戶可以實(shí)時(shí)了解流域的狀態(tài)、變化和趨勢(shì)，進(jìn)行流域管理和決策的精確分析和決策制定。
數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)融合和模型支持能力有助于實(shí)現(xiàn)流域的智能化管理和優(yōu)化，提供更準(zhǔn)確、全面的流域信息，促進(jìn)流域的可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)。
5.流域模擬仿真推演能力
數(shù)字孿生流域具備流域知識(shí)融合供給能力。
從多種文件格式進(jìn)行導(dǎo)入、讀取和存儲(chǔ)，將其中的信息解析成流域的概念、實(shí)體、事件、關(guān)系等相關(guān)知識(shí)源。
（如Word、Excel、PPT、csv或JSON、XML、HTML等）
將導(dǎo)入的知識(shí)源進(jìn)行處理和整合，利用自然語(yǔ)言處理技術(shù)對(duì)文本進(jìn)行語(yǔ)義解析和實(shí)體識(shí)別，利用知識(shí)抽取技術(shù)從文本中提取出有用的信息，以及利用知識(shí)融合和加工技術(shù)將不同來(lái)源的知識(shí)進(jìn)行集成和表示。
集成表示學(xué)習(xí)、關(guān)系推理、屬性推理、事件推理、路徑計(jì)算、比較算法等模型能力。
這些模型能夠?qū)α饔蛑R(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理和計(jì)算，提供對(duì)流域資源優(yōu)化配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、工程安全運(yùn)行等不同應(yīng)用場(chǎng)景需求的支持。
知識(shí)譜圖架構(gòu)能夠靈活適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，并提供高效的知識(shí)管理和查詢功能，以支持流域的綜合分析和決策。
6.流域模擬仿真推演能力
數(shù)字孿生流域模擬仿真能力的結(jié)果可以應(yīng)用于多種防汛和治理決策的場(chǎng)景，包括防汛態(tài)勢(shì)診斷和治理決策方案優(yōu)化。
與物理流域相比，虛擬流域具有可重復(fù)性、可逆性，全景數(shù)據(jù)可采集、重建成本低、實(shí)驗(yàn)后果可控等特性。
防汛態(tài)勢(shì)診斷：通過(guò)數(shù)字孿生流域的模擬仿真能力，可以對(duì)流域的水文過(guò)程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)降雨和洪水的分布、時(shí)空變化，以及河道水位、流量等防汛指標(biāo)。這些模擬結(jié)果可以用于實(shí)時(shí)的防汛態(tài)勢(shì)診斷，幫助防汛指揮部和相關(guān)部門(mén)及時(shí)了解流域的洪水情況，指導(dǎo)防汛措施的制定和調(diào)整。
治理決策方案優(yōu)化：通過(guò)數(shù)字孿生流域的模擬仿真能力，可以評(píng)估不同治理決策方案對(duì)洪水的影響和效果。例如，對(duì)于河道疏浚、水庫(kù)蓄水調(diào)度、泄洪口設(shè)置等方案，可以模擬不同方案下的洪水演進(jìn)和水位變化，評(píng)估方案的減災(zāi)效果和經(jīng)濟(jì)效益，從而優(yōu)化治理決策。
降雨徑流模擬：數(shù)字孿生流域可以通過(guò)降雨徑流模型模擬流域的降雨過(guò)程和徑流產(chǎn)生過(guò)程，對(duì)不同降雨事件進(jìn)行模擬。這有助于理解降雨對(duì)流域的影響，預(yù)測(cè)不同降雨條件下的徑流量和洪水情況，為防汛措施的規(guī)劃和應(yīng)對(duì)提供依據(jù)。
水資源優(yōu)化配置：通過(guò)數(shù)字孿生流域的模擬仿真能力，可以模擬流域的水資源供需狀況，評(píng)估不同水資源調(diào)配方案的效果。例如，對(duì)于不同水庫(kù)調(diào)度策略、水資源利用方案等，可以模擬不同方案下的水資源供需平衡情況，評(píng)估方案的可行性和效益。
7.孿生自主學(xué)習(xí)優(yōu)化能力
數(shù)字孿生具備自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化能力，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化模型，以適應(yīng)流域的變化和優(yōu)化需求。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：
利用傳感器數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)流域的關(guān)鍵要素進(jìn)行學(xué)習(xí)和建模。
通過(guò)學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和模式，數(shù)字孿生可以發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)流域的規(guī)律和趨勢(shì)，為決策提供可靠的預(yù)測(cè)和優(yōu)化建議。
模型更新和優(yōu)化
根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和反饋，對(duì)模型進(jìn)行更新和優(yōu)化。通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)模型，數(shù)字孿生可以提高模型的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)能力。包括參數(shù)調(diào)整、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模型融合等方法，以提供更精確、可靠的模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果。
反饋機(jī)制和自適應(yīng)調(diào)整：
數(shù)字孿生可以通過(guò)與實(shí)際流域運(yùn)行的比對(duì)，獲取反饋信息，并根據(jù)反饋信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。通過(guò)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，數(shù)字孿生可以不斷校正和優(yōu)化模型，提高模型的逼真度和可信度。
決策支持和優(yōu)化：
數(shù)字孿生利用自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化能力，可以提供決策支持和優(yōu)化建議。通過(guò)模擬和優(yōu)化，數(shù)字孿生可以評(píng)估不同決策方案的效果和風(fēng)險(xiǎn)，幫助決策者制定最佳的方案，實(shí)現(xiàn)流域的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展。
