数字孪生流域.pdf

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1、2023-04期奥格科技股份有限公司出品本期看点流域、水网、水利工程三个物理实体的相互关系决定了数字孪生流域、数字孪生水利工程、数字孪生水网三者关系“四预”是数字孪生流域建设的出发点和落脚点，也是检验数字孪生流域建设成果的主要标准数字底板可视化模型的精细度要结合业务需求去确定，超出业务需求的精细是一种浪费奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论2CONTENTSCONTENTS目录1.数字孪生流域是“智慧水利”当前的最优解决方案2.数字孪生流域建设将是一场长跑3.数字孪生技术是融合多项前沿技术的“硬核科技”4.数字孪生流域的三个层级1.数字孪生流域是“智慧水利”当前的最优解决方案2.

2、数字孪生流域建设将是一场长跑3.数字孪生技术是融合多项前沿技术的“硬核科技”4.数字孪生流域的三个层级451011139678125.数字孪生流域的关键技术6.数字孪生流域的建设重点7.“四预”引领，讲好治水故事8.数字孪生流域不止“三维地图”9.数字孪生技术存在的主要挑战10.总结与展望5.数字孪生流域的关键技术6.数字孪生流域的建设重点7.“四预”引领，讲好治水故事8.数字孪生流域不止“三维地图”9.数字孪生技术存在的主要挑战10.总结与展望奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论32021年以来，水利部先后提出数字孪生流域、数字孪生水利工程、数字孪生水网，共同形成水利数字孪生系

3、列，并明确指出，到2025年建成七大江河数字孪生流域。本文讨论数字孪生流域的背景与定义、技术体系、建设重点、技术路线等，并针对行业困难和发展趋势进行思考。本文意在抛砖引玉，希望同行业分享和探讨我们对数字孪生流域的认知和理解，共同探索数字孪生流域的未来。前言奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论4国家“十四五”规划纲要明确要求，构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。国家“十四五”新型基础设施建设规划明确提出，要推动大江大河大湖数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设。水利部高度重视智慧水利建设，将智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，并将智慧水

4、利作为新阶段水利高质量发展的显著标志。关于大力推进智慧水利建设的指导意见智慧水利建设顶层设计“十四五”智慧水利建设规划等指导性文件指出“数字孪生流域是智慧水利的核心与关键”。可以说，在我国加快数字化发展，建设网络强国的大背景下，数字孪生流域是“智慧水利”在当前的最优解决方案。根据水利业务特点，水利部先后提出数字孪生流域、数字孪生水利工程、数字孪生水网，共同形成水利数字孪生系列，三者分别是物理流域、物理水网、物理水利工程在数字空间的映射，三者关系决定于三个物理实体的相互关系，它们互不替代、各有侧重、相对独立、互联互通、信息共享。鉴于流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性，治水管水必须以流域为单元，

5、因此一般以数字孪生流域来代表水利数字孪生系列。数字孪生流域是“智慧水利”当前的最优解决方案0101奥格行业报告/2023-06期“数字孪生流域”小论5根据“十四五”智慧水利规划数字孪生流域建设技术大纲等系列文件的定义，数字孪生流域“对物理流域全要素和水利治理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演”，也就是说要对流域客观世界进行全量的数字化，这不是一蹴而就的事情。关于大力推进智慧水利建设的指导意见中将智慧水利的工作目标分为三个阶段，统筹谋划，最终实现数字孪生流域“与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化”。2025年2030年2035年建成七大江河数字孪生流域，在重点防洪地区实现“四预”，

6、在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”具有防洪任务的河湖全面建成数字孪生流域各项水利治理管理活动全面实现数字化、网络化、智能化数字孪生流域建设将是一场长跑0202奥格行业报告/2023-06期“数字孪生流域”小论6数字孪生不是单一技术，具有以物联网、大数据、BIM、GIS、CIM、人工智能等多项前沿技术融合驱动的特征。数字孪生技术体系包括数字支撑技术、孪生构建技术和人机交互技术等三大类，可以细分为感知层、连接层、数据层、模型层、仿真层和应用层七大层。从数字孪生流域的角度，七个层级的主要内容如下图：0303数字孪生技术是融合多项前沿技术的“硬核科技”奥格行业报告/2

7、023-06期“数字孪生流域”小论7在数字孪生技术体系中，仿真算法是数字孪生价值兑现的核心。在流域治水的实践中，“预字当先”是我国治水历史智慧凝结。坚持预字当先，必须加强水利专业模型技术攻关，提高精准度，延长预见期，确保风险提前发现。基于水利专业模型算法的应用范围和深度，数字孪生流域的实现有三个关键层级：0404数字孪生流域的三个层级仿真算法主要应用于单域，实现基于BIM模型的水利工程级的仿真推演。基于云平台、监测感知网、通信网络、自动化控制网等，实时感知、高效计算、泛在连接和精准反馈，实现物理流域和虚拟流域的双向交互。仿真算法应用实现跨域，基于三维精准模型，实现单域及跨域场景下的可计算，可能

8、会在骨干水网率先实现跨域孪生。基于以语义化、结构化为核心的数字建模，数据底板实现“人机兼容理解”，为虚拟流域实现对象的智能计算提供基础，解决当前时空数据引擎和水专业模型相互分割的弊病，在流域仿真计算中，真正做到“预定义-可配置-可调节-可计算”。在虚拟空间中，所有业务对象实现可计算，仿真算法应用覆盖全域，实现全域自主推理预测和判断。基于大数据的流域仿真算法全面应用，数字孪生流域能够并行于物理流域独立演进，真正实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，数字孪生流域具备自主决策能力，能够自主给出物理流域处置方案。奥格行业报告/2023-06期“数字孪生流域”小论8数字孪生技术体系包括数字支撑

9、技术、孪生构建技术和人机交互技术等三大类。从数字孪生流域的角度，当前阶段应用的关键技术如下：数据支撑类：物联网、新型测绘技术、多维多模数据引擎（CIM等）孪生构建类：BIM、3D GIS、水专业模型、AI、知识图谱人机交互类：WebGL、游戏引擎0505数字孪生流域的关键技术奥格行业报告/2023-06期“数字孪生流域”小论9数字孪生流域建设以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为目标，加强算据、算法、算力建设是其核心任务。0606数字孪生流域的建设重点奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论10水利业务“四预”基本技术要求明确指出：“四预”是数字孪生流

10、域建设的出发点和落脚点，也是检验数字孪生流域建设成果的主要标准。尽管数字孪生流域技术驱动的特征非常明显，但是我们仍应强调避免掉进“唯技术论”陷阱，要坚持“需求牵引，应用至上”，加强数字孪生、大数据、人工智 能等新一代信息技术与水利业务“四预”的深度融合。（一）预报是基础，对水位、流量、水量、淹没影响、位移形变等水安全要素进行预测预报，提高预报精度，延长预见期，为预警工作赢得先机；（二）预警是前哨，及时把预警信息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，安排部署工程巡查、工程调度、人员转移等工作，提高预警时效性、精准度，为启动预演工作提供指引；（三）预演是关键，在数字孪生流域中对典型历史事件场景下

11、的水利工程调度进行精准复演，对设计、规划或未来预报场景下的水利工程运用进行模拟仿真，具备“正向”“逆 向”功能，及时发现问题，科学制定和优化调度方案；（四）预案是目的，依据预演确定的方案，考虑水利工程最新工况、经济社会情况，确定工程调度运用、非工程措施和组织实施方式，确保预案的可操作性。0707“四预”引领，讲好治水故事奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论11根据数字孪生流域数据底板地理空间数据规范和数字孪生流域可视化模型规范，数字孪生流域包括倾斜摄影、激光点云、水下地形、BIM等三维数据，采用WebGL和游戏引擎等三维渲染引擎，数字孪生流域数据底板具备“真实立体”的特性。但是数

12、字孪生数据底板远不止“三维地图”，它不仅是承载水利业务数据的“底图”，还是数字孪生的数字基座，除了要求“高逼真”的颜值，还必须具备“语义化”的才艺担当。（一）数据底板除了是业务的“底图”，还是数据关联的“基座”，数据挂接必不可少。这除了要求业务对象实现“一物一码”，还要求重要的空间数据实体化。在正真的数字孪生流域中，没有背景，一切都是能被计算机标识的主体。这是传统的瓦片化底图不可能实现的。（二）数据底板由数据资源和数据模型共同组成，以“人机兼容理解”为目标。数据模型是语义模型，以计算机可识别、可理解、可操作为目标，服务于机器学习，为模型平台和知识平台提供支撑。在未来的XR时代，数据底板甚至可以

13、隐身于后台，只需给计算提供语义模型，无须露面，那时候就更不必谈三维地图了。尽管摄影测绘、计算机三维建模已有长期的技术积累，但是高精度模型的成本控制，至今是没有攻克的难题。在数字孪生流域建设中，不能片面追求酷炫的场景。模型的精细度要结合业务需求去确定，超出业务需求的精细是一种浪费。0808数字孪生流域不止“三维地图”奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论12数字孪生技术最早应用在工业仿真，研究对象为小尺度的设备和构件。数字孪生推广至流域管理，因为研究对象的尺度提升多个数量级，研究对象的复杂度也极大提高。总体上看，应用至水利行业，数字孪生技术面临的难点主要聚焦在数据管理、信息模型和仿真

14、分析三个环节。（一）传统水利一张图以二维为主，数字孪生流域对数据底板进行三维扩展，空间数据从二维升至三维，空间数据复杂度急剧提升。三维数据引擎至今未能解决数据碎片化、视算不兼容、专业门槛高等痛点。（二）信息模型方面，语义模型专业性强，与AI算法、仿真计算相辅相成，即相互促进，也互为制约；精细模型成本控制难，实际工作极易造成片面追求可视化，精细化模型占用过多项目资源。另外，随着研究对象从小微场景向大尺度场景扩展，数据有多源海量的特点，对渲染引擎的性能要求极高。（三）流域仿真算法专业门槛高，仿真计算成果渲染难度大。流域水文模拟是非常严肃的工作，要求可视化必须准确。现阶段仿真模型与渲染引擎仍然难以融

15、合，尽管游戏引擎中强大的物理引擎已经解决了可视化的真实感问题，但是如何关联仿真结果实现可视化的准确性，仍是国际研究前沿。0909数字孪生技术存在的主要挑战奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论13数字孪生由多项前沿技术融合驱动，数字孪生流域建设是一项技术难度大、实施复杂的系统工程，其建设应遵循“需求牵引，应用至上”的原则，我们建议当前阶段以水利工程、骨干水网的数字孪生体构建为突破口，并将工作重心落在数字映射环节，以算据建设为重点，利用传感、定位、视频、遥感等监测技术，扩大对物理流域的监测范围，补充完善监测要素和数据内容。近年来，随着数字孪生从工业仿真推广到各个行业，数字孪生炙手可热

16、，带动BIM、3D GIS和CIM等相关行业快速发展。它山之石可以攻玉，我们应充分借助BIM、3D GIS和CIM等关联技术的力量，用以弥补现有数字孪生技术体系的不足，把宝贵的项目资源更多地聚焦在水利业务上。数字孪生具有显著的技术驱动的特点，近年来智能计算、大数据、人工智能快速发展，不断取得突破，基于GPU的水专业模型算法、知识图谱等皆有实质的进展，建议数字孪生流域项目加强智能计算、大数据、人工智能与水利业务“四预”的深度融合，提高水利治理管理活动的数字化、网络化、智能化水平。1010总结与展望本期作者：林时君奥格行业报告/2023-04期“数字孪生流域”小论14团队成员均为奥格科技研发团队或

17、业务部门的核心骨干，硕士以上学历占80%，平均从业经验超10年，具有较深厚的理论基础、敏锐的行业嗅觉及深刻的行业见解。团队以“让观点成为市场力量”为使命，以奥格行业报告为载体，助力行业高质量发展。奥格科技行业报告内容团队每月多份报告定期发布第一时间获得包世泰 江青龙 潘锦豪 张进平曹 兵 孔宪娟 石俊卫 周翔 陈奇志 龙杰 田宗星 赵习宇 陈伟锋 刘建飞 吴将军 赵智源 陈卫光 李嘉杰 王泉烈邓明亮 林时君 谢虎君 黄 阳 李周坚 张鸿昌 团队介绍 作者 团队介绍 作者注：以上排名顺序按照姓氏首字母排序电话：020-3702 0096传真：020-3702 0432网址：www.AugurIT.com2023 奥格科技股份有限公司 版权所有 智慧水务、智慧城建专线：189 0307 9135CIM、智慧规划、勘测专线：189 0307 9039E-mail：info AugurIT.com