数字孪生三峡建设探索与实践

周竞亮，韩月琪

（中国长江三峡集团有限公司，430010，武汉）

数字孪生是充分利用物理模型、传感器实时收集和获取的现实物体运行数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。在防洪安全领域，利用数字孪生技术构建洪水模型，设计开发防洪预警系统，实现对洪水灾害的有效防范和快速响应，在国内外已形成一定研究成果；在精准调度领域，诸多学者通过相关理论研究和实践案例，论证了通过数字孪生技术应用，赋能流域防洪调度智慧化模拟和精准化决策的可能性。

一、数字孪生三峡建设的重要意义

三峡工程是国之重器，是长江流域骨干性、控制性工程，是保护和治理长江的关键性工程。通过科学调度，可以发挥工程巨大的防洪、发电、航运、水资源配置、节能减排与生态环保等综合效益，为实现长江及长江流域可持续和高质量发展提供重要支撑。2020年11 月，三峡工程完成整体竣工验收，标志着三峡工程建设任务全面完成，由建设期转入正常运行期。进入新发展阶段，如何推动三峡工程高质量发展，使三峡工程更高标准、更高水平、更可持续、更加安全地服务经济社会，是三峡工程运行管理的重要任务。

通过运用数字孪生技术建设数字孪生三峡，可以实现数字三峡工程与物理三峡工程同步仿真运行，有效提升预报、预警、预演、预案“四预”智慧化水平，提升三峡工程综合、协同管理能力，促进三峡工程及长江流域可持续发展、高质量发展。

为贯彻落实习近平总书记关于网络强国的重要思想和“十四五”规划纲要明确的构建智慧水利的要求，水利部先后印发《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》等文件，要求以推动水利高质量发展为主题，以构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。2022 年，水利部印发《关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，提出在重要水利工程开展数字孪生工程建设先行先试，将三峡工程列入先行先试对象，明确要求按照水利部关于数字孪生流域、数字孪生工程以及数据融合共享等方面的标准规范要求，推进数字孪生三峡建设，构建具有预报、预警、预演、预案功能的数字孪生三峡工程，提升三峡水利枢纽安全高效稳定运行水平。

中国长江三峡集团有限公司在水利部智慧水利顶层设计指导下，深入开展数字孪生三峡建设，在数据底板建设、大坝安全监测、流域梯级预报与调度等方面取得了阶段性成果。

二、数字孪生三峡建设的难点堵点

1.已有资源整合

经过多年信息化建设和发展，数字孪生三峡建设积累了大量的硬件、软件及数据资源，涵盖感知体系、基础设施、平台系统、应用系统、数据资产等多方面，但同时也存在部分系统功能单一、无法融合等问题，需要在数字孪生三峡建设过程中予以解决。

要按照“整合共享、集约建设”的原则，充分整合三峡工程已建的感知采集、网络通信、计算存储、数据资源、专业模型等内容，实现现有资源的高效整合和集约利用。

2.数据效益发挥

三峡工程建设运行以来，积累了水文、水资源、水环境、工程安全、坝区管理、库区管理、电力安全生产、综合管理等各类基础、监测、地理空间、业务管理方面的数据，但仍存在数据存储分散、共享不充分、覆盖不全面、更新时效性不够等诸多问题，严重制约了数据综合效益的发挥。

进一步提升三峡库区综合管理能力，亟须融合三峡工程的海量数据，打通各建设主体间的数据壁垒，加强互联互通及共享协同能力，以流域为单元，统筹库区、坝区、下游影响区，通过完善时空多尺度数据映射，形成孪生流域，构建基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化的孪生流域数据底板，为多业务管理提供强大数据支撑。同时，需进一步扩大监测感知范围，建立多角度、多方位的感知体系，积极应用新型监测技术，基于卫星遥感、无人机、无人船、机器人、北斗等多种监测技术，在高空、水底、密闭空间等复杂环境中，对三峡工程管理要素进行监控，完善管理范围内诸多要素的精细化监测，建立全域全空间智能感知体系。

3.数字技术应用

数字孪生是一系列技术的集成融合、创新应用。开展数字孪生建设，需要综合运用全局流域特征感知、联结计算（通信技术、物联网与边缘计算）、云边协同、大数据及人工智能建模与仿真等技术，实现平行于物理流域空间的数字虚拟流域孪生体。经过多年发展，三峡工程信息技术与水利业务融合探索初见成效，但仍存在先进技术应用不够、监管时效性不强等问题，无法完全满足数字孪生三峡建设的需要。

随着新一代数字技术的不断进步，卫星遥感、航空遥感、无人机、倾斜摄影、北斗、先进传感器、物联网、专业模型、模拟仿真等先进技术在水利管理工作中扮演着极为重要的角色，发挥了巨大的技术支撑作用。数字孪生三峡建设亟须应用先进技术，强化“四预”应用，切实提升三峡工程运行安全管理先进技术应用水平和监管时效性。具体来说，北斗、机器人等技术可应用于空中、水下、坝区等复杂空间的感知探测，实现对大坝外观、库岸等区域的精细化监测；人工智能技术可助力动态监测电站外部的非法入侵、生产区域内部的风险隐患等；云计算技术可大幅度提升不同层级与单位间的数据共享及交换能力等。

三、数字孪生三峡建设的总体规划

1.总体框架

数字孪生三峡建设按照智慧水利建设“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总体要求，以大时空、系统性视角，面向包含三峡工程坝区及近坝库区相关工程区域，覆盖三峡工程坝区、工程库区以及工程下游影响区在内的空间范围，在全面整合各参建单位已有信息化成果的基础上，构建三峡工程坝区管理范围L3级数据底板，升级完善三峡工程及三峡水库水利感知网、水利信息网、水利云等信息化基础设施，补充优化完善水利专业模型、智能识别模型及可视化模型，实现三峡工程及库区物理全要素和运行安全管理全过程的数字化映射、智慧化模拟（图1）。

图1 数字孪生三峡总体框架

统筹考虑三峡工程枢纽自身运行安全和影响空间范围内的防洪安全、水库库容安全、地质安全、水质安全、供水安全、航运安全、发电安全、生态安全，以及三峡后续工作管理等业务需求，按照防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、三峡后续工作管理和综合决策支持五大应用板块，构建具备预报、预警、预演、预案“四预”功能的业务应用。推进实体工程与数字孪生工程同步交互映像，有效提升三峡工程综合管理能力，确保三峡工程长期稳定运行安全，更好地发挥三峡工程巨大综合效益。

2.主要任务

（1）搭建数字孪生平台

以GIS+BIM 技术为支撑，构建覆盖三峡工程L3级数据底板，包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等数据资源，并建设数据模型和数据引擎；模型方面，构建水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎等；知识方面，构建包括预报调度方案、工程安全、业务规则的知识库和水利知识引擎，为决策提供智能支撑。

（2）完善水利信息化基础设施

完善大坝安全监测外观监测自动化，统筹流域管理相关业务，完善传统水利感知网，大力应用新型水利监测技术，为三峡工程运行安全提供先进适用监测手段。按需完善水利信息网和水利云，为数字孪生工程提供感知传输、计算存储和运行环境支撑。同步完善网络安全和数据安全防护，确保安全措施同步建设和同步使用。

（3）提升业务应用智能化水平

围绕三峡工程防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理（包含库容管理、地质安全管理、水环境保护管理、水资源管理、水生态保护管理）、三峡后续工作管理及综合决策支持等五大业务板块，充分整合已有信息化基础，构建数字孪生三峡业务应用。

防洪精准调度方面，以三峡水库洪水预报、库区淹没分析、三峡工程调度、洲滩民垸运用、蓄滞洪区配合、堤防行洪为业务主线，进一步提升以三峡工程为核心的防洪调度决策水平；三峡枢纽工程运行安全管理方面，以枢纽安全、坝区管理、近坝库区管理、电力安全生产、通航管理等为业务主线，进一步提升三峡工程运行安全管理能力和水平；三峡水库运行安全管理方面，整合已有资源，进一步加强三峡水库库容安全、地质安全、水质安全、水资源安全、水生态安全监测预警、动态掌握、问题及时发现与闭环处置能力，显著提升库区综合管理水平；三峡后续工作管理方面，进一步加强三峡后续工作项目过程与绩效管理、三峡移民管理等。

通过业务应用智能化，全面提升三峡枢纽工程与三峡水库安全高效稳定运行水平，确保三峡工程长期稳定运行安全，保障三峡工程持续发挥巨大综合效益。

四、数字孪生三峡赋能防洪安全及精准调度的实践成效

防洪是兴建三峡工程的首要任务，也是三峡工程的首要功能。三峡水库总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3，与其他防洪措施相结合，形成了以三峡工程为骨干的长江中下游防洪保障体系，使荆江河段防洪能力由10年一遇提高到100年一遇。通过开展数字孪生三峡建设，加强数字化、智能化在防洪安全及精准调度方面的应用，实施以三峡水库为核心的水库群联合调度，长江流域水资源得到进一步高效利用，防洪、航运、生态等各项综合效益显著发挥。

为全面提升调度业务能力，中国长江三峡集团有限公司将视角扩展到长江全流域，搭建了综合调度支持系统。平台可有效支撑包括运行监视、流域水模拟、流域形势分析、调度业务分析、预报调度方案评价、预报调度方案管理、预报调度会商等在内的7 项业务功能，以及涵盖防洪调度、发电调度、水量调度、生态水量调度、水生态调度、航运调度、泥沙调度、应急调度、梯级多目标调度等9 项调度分析业务，为有效提升长江流域水资源综合效益发挥了决策支撑作用。

在监测预警方面，已实时汇集了流域内不同类型的监测要素，包括雨情、水情、工情、咸情、水生态、水温、泥沙等各类数据，通过实时监测信息融合预警评价指标，支持洪水预警、最小下泄流量、生态流量告警等预警功能，及时、全面、准确地掌握流域情势发展，为开展调度分析预演提供支持。

在预报模拟方面，研发了自主可控的机理、数据驱动、智能算法、预报调度等40 余套各类专业模型，基于流域水模拟体系敏捷搭建技术，完成了全流域40余条河系共计近400 个节点、1000 余套预报方案的体系构建，支撑全流域水模拟高效运算。

在调度预演方面，以洪水预演为例，构建包含调度目标、预演节点、边界条件等在内的预演场景，并基于水文学、水动力学等模型构建洪水演进方案，进行影响分析及时发现问题，最后基于选择的调度节点构建调度方案。在调度分析过程中，可根据调度方案对洪水影响区进行预演分析，同步对三峡工程的防洪、航运和发电等综合效益进行扩展分析，以制定和优化调度方案。在预演仿真过程中，通过对洪水灾害或风险事件的发展变化和水利工程调度运用过程的可视化模拟，实现事件的实时、动态展示，并在模拟计算成果基础上，结合水利工程运行状况、经济社会发展现状等，参考水利调度规则、典型历史案例，利用专家经验和智能分析等，优化确定水利工程运行调度方案，进一步提升了以三峡工程为核心的防洪调度决策水平。