数字孪生飞云江流域水利知识平台建设研究

为提高飞云江流域智慧管控风险能力,根据数字孪生流域知识平台建设要求,以知识图谱为技术框架,引入机器深度学习技术,融入流域预报调度业务规则、历史典型场景洪水模式和专家预报经验等知识,通过图模型可视化处理,将知识以图数据模式进行存储,建立流域业务规则库、历史场景库、专家经验库和知识图谱库。利用图计算引擎管理和驱动知识,对流域特点、水利对象关联关系、业务规则等水利知识,进行挖掘提炼、归类组合、智慧管理和集成应用,构建基于水利知识图谱的数字孪生流域知识平台。数字孪生飞云江流域水利知识平台具有智能匹配、智慧推荐、全景推演等特点,可支撑流域防洪“四预”业务,提升流域风险与调度决策全流程数字化、智慧化、精准化水平,为其他水利知识平台建设提供经验借鉴。     

数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨

针对汉江流域水工程种类多样、体量庞大、预报调度任务复杂且艰巨、水资源管理与调配业务信息化程度不足的现状，选取汉江流域作为数字孪生建设先行先试工作试点，重点围绕防洪调度和水资源管理与调配业务需求，开展数字孪生平台及预报、预警、预演、预案“四预”功能建设。目前，数字孪生汉江流域已初步构建与流域实体孪生的数据底板，搭建统一且通用的模型平台和微服务化的知识平台，融合专业模型、知识图谱与业务应用，基于水工程联合调度规则库、水位目标控制的水库调度方式优化、行蓄洪空间防洪调度知识图谱等关键技术，形成防洪调度和水资源管理与调配智慧应用。建设过程中在可视化技术、孪生平台、知识图谱等方面凝练相关技术成果，可为其他数字孪生建设提供支撑参考。     

流域水库群联合调度知识图谱构建研究

根据水利部对智慧水利建设的要求，从九龙江流域控制性水库群联合调度规则库、预案语料库和知识库构建，流域水库调度知识图谱可视化表示模型研发等方面，研究九龙江流域控制性水库群联合调度知识图谱构建方案。研究成果将应用于数字孪生九龙江北溪建设先行先试项目和未来对整个九龙江流域的调度管理工作。     

基于数字孪生的周公宅水库防洪“四预”系统构建与应用

以构建数字孪生流域、开展智慧化模拟、支撑精准化决策为实现路径,利用天空地一体化空间数据底板、多维智能感知数据、以及专业模型网格数据和计算结果数据等几类多源异构数据,进行数据汇聚和融合,采用WebGL孪生引擎进行可视化展示,构建数字孪生流域;聚焦流域防洪数字化场景,通过山区集总式水文模型和洪水演进模型对洪水过程进行预报和模拟,形成包括预报调度一体化、区域联防预警一体化、模拟仿真预演、决策建议方案等功能的四预孪生系统。本文以周公宅水库为具体研究对象,探索了具有水库工程的中小流域数字孪生建设的相关关键技术和应用场景构建,提供了建设思路和案例参考。     

面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究

将数字孪生与人工智能(AI)技术相结合,提出了基于数字孪生+AI的智能矿山建设新思路。探索了智能矿山技术发展路径,研究了数字孪生技术的特征、应用领域及发展趋势,指出数字孪生是数字化矿山发展的必然趋势。提出了基于数字孪生+AI的智能矿山理论架构,构建了矿山数字孪生模型,模型自下而上分别为矿山全要素物理实体、矿山信息物理融合层、矿山数字孪生模型、矿山孪生数据交互层、矿山应用智能服务层,据此实现智能矿山的泛在感知、协同控制和智能决策与优化。从应用实际需求出发,探讨了智能矿山模型构建技术、智能开采数字孪生体技术、矿山智能控制技术、矿山设备故障预测、基于数字孪生的人机交互等关键技术。通过研究数字孪生在智能矿山中的应用,为AI技术在智能矿山应用落地提供思路,为未来智能矿山新工科建设提供理论借鉴。     

面向数字孪生流域的云网融合架构研究

数字孪生流域建设是智慧水利建设的重要标志,是推动流域水利高质量发展的必然要求。为了应对当前数字孪生流域建设过程中面临的流域物联感知能力、通信传输网络资源、模型算法仿真计算水平等方面的不足而产生的挑战,本文结合云网融合的云网协同、按需互联、敏捷智能的服务能力特性,基于云网融合层次化的设计思想,把流域云和网充分融合,有效调度并应用计算、通信、存储等基础设施资源,提出了面向数字孪生流域的云网融合逻辑架构,梳理并阐述了水利感知网云网融合服务实现、水利信息网云网融合服务实现、数字孪生平台算力服务实现等可应用于数字孪生流域建设的云网融合服务架构,总结分析了面向数字孪生流域的云网融合关键技术。研究对充分发挥新一代信息技术对数字孪生流域建设的支撑驱动作用具有重要参考意义。     

生态流量监管“四预”业务应用探索

为提高重点河湖生态流量动态监管能力，针对各地服务支撑生态流量监管业务系统与数字孪生流域建设提出的“四统一”不相适应，以及生态流量监测预警、达标判别、统计分析、流量预测、成因分析、调度方案预演、预警响应等全过程监管能力不足等问题，本文围绕业务管理需求，提出了生态流量监管总体方案以及“四预”业务应用总体架构，提出了包括数据底板、模型库、知识库等内容的数字孪生平台建设思路以及基于图数据库的生态流量预警知识图谱构建技术，提出了包括监测告警、预测预警、水量调度预演、会商服务等功能的应用系统模块建设思路，梳理了生态流量监管“四预”业务流程，可为当前数字孪生流域建设先行先试和水资源管理与调配系统中的生态流量监管业务“四预”能力建设提供参考和借鉴意义。     

数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现

本文基于太浦河二、三维数据底板，根据太浦河物理河道特点、水闸、泵站等工程设计参数、影响区域范围等，提出建立数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务系统，构建太浦河防洪及供水知识平台，实现数字孪生流域与物理流域的交互。系统通过建立太浦河历史水雨情、工情、水质等信息与调度预案方案间的映射关系，以事件为驱动进行系统设计，在自动综合分析区域代表站水情、水质监测、水利工程调度情况、水雨情信息等基础上，触发相应事件驱动机制，针对不同的事件，“四预”系统会呈现针对性的功能和界面，结合模型滚动预测预报成果，关联提示调度方案并实现自动推荐应急处置措施，为综合调度提供智能决策支持，并流场动态可视化技术，确定太浦河各个二维网格水体流速、流向，实现太浦河流场的仿真动画模拟。系统为精准应对2022年“梅花”台风防御及上海市抗咸潮保供水提供了技术支持，为数字孪生流域建设提供参考。     

CAE技术与数字孪生流域关键技术融合应用趋势

为推动CAE技术与数字孪生流域关键技术的深度融合，分析水工建筑物CAE分析计算和数字孪生流域应用的特点，以及数字孪生流域在算据、算法和算力等3个方面的关键技术。得出CAE分析计算具有可获得性、可展示性、结构系统性的特点，以及数字孪生流域建设具有精确性、多维关联性、闭环性的特点，为CAE分析在数字孪生流域建设发展提供参考。     

数字孪生流域预演场景研究与运用——以嫩江干流为例

为加强数字孪生演练场景真实化,助力决策精准化,依托数字孪生流域建设思路,搭建数字孪生业务应用平台。分析孪生平台整体架构与关键技术,构建具备预报、预警、预演、预案功能的防洪“四预”全景可视化平台。以嫩江干流为例,分析数字孪生建设实际需求,以尼尔基水库防洪调度为预演场景,分析尼尔基水库上游与下游嫩江干流之间的淹没损失关系,得出最优调度防御安排及建议。结果表明：通过全景可视化平台进行场景演练,可呈现河道演进真实情况,保障河道行洪安全,避免淹没损失,为防洪安全决策提供科学支撑。     

智能叫应系统在数字孪生凤凰河小流域“四预”中的应用

传统山洪预警发布手段存在叫不醒、无回应、效率低等问题，“叫应-反馈”机制落实不到位，不能完全实现闭环管理。为解决此类问题，安徽省基于已建省级山洪灾害监测预警平台，以大别山腹地山洪频发、易发的凤凰河小流域为试点，进一步完善小流域山洪灾害“四预”能力建设，将智能语音技术应用在小流域“四预”的临灾预警发布场景中。开发基于语音识别、语音合成、自然语言处理等人工智能技术的山洪预警智能叫应系统，具有多场景话术训练、自动群呼预警信息、实时转写叫应内容、预警发布可视化动态监控、叫应结果统计分析等实用功能。系统实现小流域山洪灾害预警发布全过程留痕，切实落实临灾预警叫应机制，解决水利用户在山洪灾害预警信息发布方面的难题，确保预警信息及时叫应到基层责任人。     

基于多算力融合的数字孪生黄河黄河云设计研究

为解决数字孪生黄河建设过程中出现的算力基础设施能力不足,数据存储、处理、服务效率不高,资源服务模式不够灵活等问题,立足数字孪生黄河建设对算力基础设施的实际需求,结合水利部出台的相关技术规范,提出多算力融合黄河云重构搭建方案。开展对多元算力、多模态存储模式等关键技术的综合分析,提出多算力融合黄河云的总体框架、部署架构、资源池及资源管理设计。多算力融合黄河云针对模型计算、数据底板、智能应用、大数据处理与分析等不同场景,建设虚拟化、高性能、裸金属等算力资源,根据数据类型、特点,以及数据量匹配集中和分布式存储资源,提出适应黄河水利委员会组织架构的云管理模式,可为数字孪生黄河建设提供高效算力底座。     

数字孪生潭江流域先行先试建设与实践

数字孪生流域与数字孪生水网、数字孪生水利工程互联互通、信息共享、各有侧重,共同构成数字孪生水利系统核心,是推动新时代水利高质量发展的重要实施路径之一_[^1]。水利部于2022年2月启动了数字孪生流域建设先行先试工作,为切实其提高潭江流域水利工程防洪调度能力,江门市水利局按照水利部及广东省数字孪生流域试点建设工作要求_[^2],开展数字孪生潭江流域建设。数字孪生潭江面向流域防洪调度需求,以精细化调度22宗大中型水库、7宗梯级闸陂为目标,围绕四预核心功能,建设数据底板、模型平台、业务应用等内容,构建了流域LI级数据底板,流域重点区域及重点工程L2级数据底板,开发了五大类水利专业模型,初步构建了流域联合调度平台,并在2022年“龙舟水”、西北江洪水、台风暴雨防御期间投入实战,助力潭江流域水库水闸的群联合调度,取得防洪不受淹水资源不浪费的最佳效益。     

“智慧黄河”工程研究

对照国家和智慧水利的要求,分析建设智慧黄河的重要性,基于智慧水利总要求,提出智慧黄河的概念、参考框架和 6 个能力特征。智慧黄河就是以人与自然和谐共生理念为指导,以让黄河成为造福人民的幸福河为目标,以科学完善的管理体制机制、法律法规、技术标准、工程技术、信息通信技术等多要素有机驱动, 实现黄河流域自然水系、经济社会、水生态环境三者健康和谐共生的动态平衡状态。智慧黄河是智慧水利在黄河流域的具体实现。阐述主要建设内容,包括构建数字孪生流域、流域模拟仿真平台、智能业务应用体系;提出建设保障措施。建设黄河流域数字化场景,将黄河流域影响区域内的自然地理、经济社会和生态环境的历史和现势状态映射到信息空间,是智慧黄河的基础;构建黄河数字孪生流域,实现流域重点对象与其孪生体的孪生性,是实现智慧黄河的关键。     

数字孪生乐安河助力提升小流域防洪决策支撑能力

江西省乐安河流域防汛工作具有小流域防洪的典型特征，针对小流域防洪存在的“四预”体系不完备、决策支持能力不能满足业务需要等问题，开展数字孪生乐安河流域的建设试点。将 WebGIS 引擎和游戏引擎相融合， 结合使用新型水文监测感知体系、BIM + GIS + IoT、多源数据融合等先进技术，搭建视觉真实、数据准确的三维数字孪生场景，构建未来降雨、水文预报、水工程调度、一维/二维演算等多模型耦合的流域防洪智能模拟仿真平台，实现乐安河上游暴雨集中区（婺源）洪水预报全过程的精准化模拟和预报调度一体化，为决策部门提供受灾影响范围这一关键性决策依据研究成果，对构建中小流域（县域）防洪“四预”体系，助力提升小流域（县域）防洪决策支撑能力具有示范性作用。     

数字孪生小浪底知识库建设研究与实践

随着大数据、人工智能等新技术的飞速发展，信息技术在水利工程运行管理中正发挥越来越重要的支撑作用。数字孪生小浪底作为水利部数字孪生水利建设的首批试点工程，其知识库的建设是数字孪生小浪底的核心组成部分，技术难度大，业务场景应用面临着较大挑战。本文针对数字孪生小浪底知识库的建设进行了系统性的研究与实践，采用了知识引擎、知识库和知识应用三部分组成的知识库架构体系，实现了基于水利知识的检索、问答、推荐和推理决策等多样化服务，并在数字孪生“四预”业务应用中进行实践和验证，为小浪底枢纽的工程安全和防汛调度等核心业务提供了重要支撑。本文数字孪生小浪底知识库建设为类似水利工程具有参考价值和实践意义。