数字孪生三峡建设关键技术难点与解决方案

黄 艳，杨国俊，王勤思，元 媛，秦洪亮

（1.水利部长江水利委员会，430010，武汉；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

一、数字孪生三峡建设背景

“十四五”以来，水利部党组将智慧水利作为新阶段水利高质量发展的显著标志和六条实施路径之一。2022 年全国水利工作会议和水利部推进数字孪生流域建设工作会议都明确要求做好顶层设计，率先开展数字孪生三峡等示范工程建设。2022 年2 月，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》，进一步明确计划用2年时间，在三峡工程等12个重要水利工程开展数字孪生工程先行先试建设。数字孪生三峡建设以大时空、系统性视角，综合统筹考虑长江流域及工程本身需求，按照水利部关于数字孪生流域，数字孪生工程，水利业务预报、预警、预演、预案“四预”等相关技术要求，构建工程管理及流域管理相关“四预”功能，实现数字工程与物理工程同步仿真运行，提升三峡水利枢纽安全高效稳定运行水平。

1.数字孪生三峡建设需求

三峡工程是长江流域防洪骨干性、控制性工程，是保护和治理长江的关键性工程，是实现长江流域可持续和高质量发展的重要工程措施。围绕三峡工程调度、运行与管理需求，对照现状基础与能力提升需求及数字孪生要求，梳理了数字孪生三峡在防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、综合决策支持等方面的需求。

防洪精准调度方面，目前库区洪水预报及下游洲滩民垸、蓄滞洪区运行相对独立，尚未完全形成联合运用，库区洪水预报及库区淹没分析不够精准，对库区防洪风险分析与评估的支撑力不足。三峡枢纽工程运行安全管理方面，基于监测数据的分析评估、性态掌握、风险评判的精准预警（坝体、监测设施本身）能力不足，难以满足三峡枢纽安全运行全方位、多层次管理的需求。三峡水库运行安全管理方面，三峡水库在库容管理、地质安全管理、水环境保护管理、水资源管理、水生态保护管理等方面技术应用水平不够先进，多层级管理协同互动能力不足，问题闭环处置程度不够。综合决策支持方面，数据、业务等信息资源的共享程度不充分，更新时效性不够，水利部、流域、省（自治区、直辖市）、工程各层级缺乏业务协同，亟须以统一规范的形式整合信息资源，并高效支撑综合决策。

2.数字孪生三峡建设要求

数字孪生三峡需要建成“全面感知、安全运行、精准调度、高效决策”的工程与流域融合现代化管理体系，主要包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系和保障体系。

信息化基础设施以“完善传统、加强新型”为要求，充分整合利用已有基础，补充新型水利监测感知手段，升级完善水利业务网，优化各级水利云配置。数字孪生平台包括数据底板、模型平台和知识平台：数据底板以“全面安全、共建共享”为要求，整合并补充建设基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据和跨行业共享数据；模型平台以“标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用”为要求，建设水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎；知识平台以“知识标准、产生高效、自动优化、自主学习、管理精细、功能便捷、支撑业务”为要求，建设水利知识库与知识引擎。业务应用以“好用、实用、管用”为要求，建设防洪精准调度、三峡枢纽工程运行安全管理、三峡水库运行安全管理、三峡后续工作管理及综合决策支持功能。网络安全体系包括安全管理、安全防护、安全监督等内容。保障体系主要包括体制机制、标准规范、技术创新、运维体系、人才队伍、宣传与交流等方面的保障。

二、数字孪生三峡建设重点与难点

对标数字孪生工程等相关要求，对表充分融合流域管理需求的三峡工程运行与管理实际需求，在数据底板、模型及模型平台、知识及知识平台、业务应用等方面存在不同程度的技术困难，需针对性研究提出现实有效的技术和解决方案，并形成标准化成果，为全面推进数字孪生三峡建设提供技术储备和支撑。

1.数据底板

数字孪生三峡数据底板建设主要存在不同层级数据底板间融合集成难、各类基础与空间数据的融合集成难等问题。基础数据按事权分级建设，地理空间数据按L1、L2、L3分级建设，如何保障各层级建设数据底板的一致性，使其衔接合理、融合顺畅，是一大难点。同时，多源异构异地分布数据的集成、不同类型空间数据之间的融合、BIM和GIS数据的融合是另一难点。

2.模型及模型平台

模型及模型平台是数字孪生三峡的核心驱动，前者重点解决数字孪生三峡业务应用管理要求中存在的精度不足、计算效率不高等问题，后者重点解决模型管理不够精细、平台标准制定难的问题。

（1）专业模型

在防洪精准调度方面，量化水文预报的不确定性与提升长江中下游行蓄洪工程调度计算精度与效率是研发重难点；在库容管理模型方面，三峡水库一维水沙数学模型研发重点是水流演进模拟、泥沙冲淤模拟、水库调度模拟等，研发难点是库容不闭合、库区流量不闭合以及水位、流量、泥沙计算精度低等问题；在水生态保护模型方面，研发的重难点在于水华暴发涉及的生态过程模拟机理不明晰、水动力水质模型计算效率和精度不够高。

（2）模型平台

数字孪生三峡模型平台按照“标准化、模块化、云服务”要求开展建设，在建设过程中存在以下重难点：

①缺乏统一的标准。由于模型的接口、服务等标准不统一，通常将计算对象、参数与模型耦合，导致模型通用性不强，复用性低，可推广性差。

②缺乏行之有效的知识产权保障机制。需统筹考虑模型开发部门知识产权的有效保障，让模型平台用户和支撑单位能主动配合模型的注册及使用。

③难以动态快速响应业务需求变化。当前复杂水利专业模型的建设通常采用定制化开发模式，不能根据业务需求动态快速组装模型。

3.知识和知识平台

（1）专业知识库

数字孪生三峡知识库建设主要包括三峡水库调度规则知识库和排污口水质判别知识库等内容，前者研发重难点在于如何运用好调度知识并发挥防洪工程（特别是水库群）的调节能力，以满足不同时间空间和利益相关方诉求；后者重难点在于如何构建排污口水质判别知识库，全面掌握库区内排污口基础信息，确认排污口类型。

（2）知识平台

数字孪生三峡知识平台建设难点在于构建知识、统一知识标准、保障知识准确性以及支撑知识应用。

①构建知识。文本、图像、音频等多模态信息的差异性，水利专业知识标准的专业性，知识融合的多特征和多语义特性等，给知识构建带来困难。

②统一知识标准。知识来源的多样性、学科交叉性以及知识更新速度和对应用情境的依赖性，给知识标准制定带来困难。

③保障知识准确性。知识平台在如何校验、审核、验证以保障知识的准确性方面存在困难。

④支撑知识应用。知识平台在如何以通用的方式实现知识与数据和模型结合并支撑水利业务应用的方面存在困难。

4.业务应用

（1）防洪调度

堤防风险研判方面，受限于堤防设计资料，难以对风险类型、风险发生位置进行精准预警，堤防安全风险研判能力不足。

联合调度方面，现阶段长江中下游部分行蓄洪工程相关研究成果较多以纸质文档形式保存，面临大规模防洪工程自动组合推荐难、调度运用与效果互馈性不足等问题。

（2）库容冲淤动态监控

库区水下地形因存在脱密难题而难以获取。库区大断面的测量频次和测量数量不够，实测库容曲线的测量时间间隔太久且难以覆盖整个库区，水位、流量、含沙量的历史数据，以及报汛数据和预报数据难以满足实际需要，泥沙调度模型计算精度不够等。

（3）水质水生态环境保护

三峡库区已建的水质水生态监测站点密度较低，基于实时监测数据的水质水生态监测预警时效性不足，空间尺度不够。

水质水生态预演预案业务在针对性解决不同情景下水质水生态态势推演问题时，存在推演条件管理、推演结果分析、应急预案自动生成发布等功能瓶颈，实用性与泛用性不足。

（4）三峡库区涉河建设项目监管

数据采集和处理。涉河建设项目监管系统需要大量的数据支持，包括地形高程、工程进展、监测数据等，如何高效管理和处理这些数据是难点之一。

功能复杂性。监管系统需要涵盖多种功能，如项目审批、进度跟踪、风险评估、监测预警等，需要综合运用多种技术和方法来实现系统的有效管理和监管。

系统稳定性和可扩展性。涉河建设项目监管系统需要保证系统的稳定性和可扩展性，以应对日益增长的数据和用户需求，确保数据安全和隐私保护以及监管法律法规的落实。

三、数字孪生三峡建设重难点解决方案

针对数字孪生三峡建设的重难点，从数据底板、模型及模型平台、知识及知识平台、业务应用等方面提出数字孪生三峡的解决方案与思路。

1.数据底板

（1）不同层级数据底板融合集成难问题解决方案

采用统一基准的方式进行融合，时间基准统一为北京时间，空间基准统一为国家大地坐标系CGCS2000，高程基准统一为1985 国家高程基准。在精度方面以数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）为例，不同层级建设的范围精度见表1、表2。L1、L2、L3不同层级、不同精度的地理空间数据，在统一基准的基础上还需统一可视化展示方案，明确不同显示比例尺层级下的数据内容、可视化表达方式，以便形成自然平滑过渡的可视化场景。

表1 不同层级DOM建设范围及精度

表2 不同层级DEM建设范围及精度

（2）各基础与空间数据的融合集成难问题解决方案

对于多源异构异地分布的数据集成，提出数据汇集格式、精度、频次、接口标准等规范要求，以统一形式进行汇集，并以统一方式对外提供服务，让用户无差别使用各类数据（见图1）。

图1 基础与空间数据融合

对于不同类型空间数据之间的融合，矢量数据之间先进行数据格式转换（即空间数据模型的融合），再进行几何位置纠正，最后重新对地图数据各要素进行分类组合、统一定义。

对于BIM和GIS数据的融合，首先获取同一区域地形信息和BIM模型lod层级信息，然后确定BIM模型中待融合的几何结构体，从地形数据中确定出目标区域内外的地形三角网控制点，最后对BIM模型的三角网进行重构。

2.模型及模型平台

（1）模型

不同业务应用的模型有独立科学的解决方案，以上述提到的模型问题为例。

①防洪精准调度方面，针对三峡水库概率预报模型，通过模型组合开展三峡水库入库流量洪水概率预报试验，根据多次迭代计算，选择合理置信区间指导概率预报在实时预报调度实践中的应用，为科学调度决策提供更多支撑信息。本模型拟采用不同降雨阈值划分降雨概率空间分布得到相应的降雨预报产品，同时以降雨预报结果计算水库入库流量洪水过程，采用多种估算方法计算概率预报区间，并通过验证分析获取概率区间约束条件。通过Copula-BFS 法及非参数估计法得到的预报区间取值见图2。

图2 三峡水库3天以上预报结果对比

针对长江中下游行蓄洪工程调度推演模型，提出基于水—工—险—灾的防洪调度知识图谱构建技术，按照“模拟—优化—提取”的方式，揭示并量化行蓄洪工程运用—河湖水文要素—险情灾情变化间互馈关系。以此为水动力代理模型，结合迭代优化算法，完成目标控制下的行蓄洪工程方案优化推荐。以钱粮湖蓄滞洪区模拟调度结果为例，基于蓄滞洪区调度响应关系的行蓄洪模拟计算结果与水动力学模型计算结果之间的误差在10 cm以内，大幅度提高了蓄滞洪区调度推演效率（见图3）。

图3 钱粮湖不同分洪天数、不同影响天数条件下的沙市、城陵矶水位降幅RMSE值

②库容管理方面，为解决三峡水库一维水沙数学模型计算精度低等重难点问题，采用水动力学模型反算方法求解区间沿程加水过程，以解决库区流量不闭合问题；利用分段库容曲线对断面法库容进行修正，以解决库容不闭合问题；在流量闭合修正和库容闭合修正基础上，分流量级率定糙率并针对洪水涨落改进糙率使用方法，以提高库区流量和水位的计算精度；建立分粒径组泥沙恢复饱和系数计算新方法，解决三峡水库细沙大量落淤的模拟难题，以提高泥沙冲淤模拟计算精度。

模型改进后，三峡水库年出库水量误差可从8%以上减小到1%以内，年淤积量模拟误差可控制在4.5%以内，库区沿程水位误差一般在0.25 m 以内，最高洪水位相位误差一般在6 h以内（见图4、图5、图6）。

图4 区间流量闭合改进前后三峡水库出库流量计算结果与实测结果比较

图5 寸滩站水位过程验证

图6 模型改进前后三峡水库淤积过程计算结果与实测对比

③水生态保护方面，针对三峡水库水华预测模型研发中的重难点，结合藻类生长过程的季节性、趋势性、多元相关性特征，在已开发的水库水质机理模型基础上，引入长短期记忆人工神经网络对藻类生长关键指标进行预测分析，建立机理模型与数据驱动耦合的水华预测预警模型，解决水质水生态复杂反应过程难以表征、模型计算效率低下、模型所需参数多且难以率定等问题，实现对库区水华快速、准确预测预警（见图7）。

图7 机理模型与数据驱动耦合模型的叶绿素a浓度预测结果

（2）模型平台

针对当前模型平台建设存在的问题，可采用以下方法进行解决：

①通用标准化技术。模型主要由模型输入、模型实现、模型输出三部分组成。为了提高模型的通用性、复用性与推广性，对模型开发语言以及输入（计算所需边界条件、模型参数、基础数据等）、输出（计算结果）进行统一规约。在开发语言上，新建模型应按照“国产化”要求，选择Java、Python等具备跨平台运行能力的编程语言进行开发。在输入输出方面，规定以json类型作为标准格式。模型实现部分应只包含算法本身，不包含任何水利对象与数据。

②统筹各方需求健全平台功能。模型平台通过统筹考虑各参建方需求建设模型注册、模型管理、模型调用及模型评价等平台功能，多方面考虑模型注册用户的责任人制及模型调用的日志记录，保障对模型调用过程的全方位监视，为模型管理和知识产权保护提供保障。

③模型智能组合支持业务协同应用。根据业务需求，基于模型库中通用化模型进行组合、编排、生成复杂模型，动态支撑不同业务场景计算需求，提升数字孪生业务需求变化动态快速响应能力（见图8）。

3.知识及知识平台

针对数字孪生三峡各项业务应用管理决策支持需求，研发了以水库群联合调度规则库为核心的水利专业知识平台，判断排污口是否排污及水质是否超标的排污口水质判别知识库。

（1）专业知识库

①以三峡水库为核心的防洪工程联合调度规则库。根据三峡水库等防洪工程与站点之间的空间位置联系、水文水力联系、调度联系，创建防洪工程运行规则的知识化描述构架，并将调度方案逻辑化、关联化，构建防洪节点与工程调度之间的关联图谱，对历史水雨工险情数据进行要素提取，分析防洪工程的调度响应关系，整体实现防洪态势识别，防洪工程群组推荐以及单一、工程群组的调度效果知识库索引功能。

②排污口水质判别知识库。针对排污口水质判别知识库构建的重难点，通过与生态环境部门沟通，共享生态环境部门已排查的入河排污口信息，包括排污口名称、经纬度、类型、执行的排放标准等基础信息，在此基础上构建排污口水质判别知识库，根据监测数据判断排水口水质类别、超标因子及超标倍数等信息。

（2）知识平台

针对上述知识平台存在的知识构建、准确性保障以及支撑知识应用等方面问题，分别采用以下解决方案：

①对于平台知识构建。解决知识来源中多模态数据质量差异的方法主要包括：数据清洗去除无效、错误和重复的数据，提高数据质量；数据标准化将不同来源和格式的数据转换为统一标准，便于知识抽取和整合；数据验证通过水利行业专家审核、数据挖掘等技术实现，确保数据的真实性和可靠性；数据修正通过人工修正、机器学习等技术实现，纠正错误和不完整的数据。

解决多模态数据知识标注难题的方法主要包括：利用机器学习、深度学习等算法对多模态数据进行自动标注；建立标注数据集，统一标注标准，提高标注准确性和可靠性；众包标注技术降低标注成本，提高标注效率和质量；建立反馈机制用以收集标注结果的反馈和建议，不断改进和修正标注算法和数据集；引入专家标注用以提高标注的准确性和可靠性，并将自动化标注算法和人工标注相结合，提高标注效率和准确性。

解决知识融合难题的方法主要包括：知识转换器将不同模态的知识转换为统一的知识格式和表示方式，便于统一处理和计算；跨模态映射算法实现不同模态知识的统一表示，将从一个模态学习到的特征和知识迁移到另一个模态的知识中；设计融合规则将不同模态的知识进行有效融合，根据相似度和重要性设计加权融合规则，实现更准确、更全面的知识图谱构建。

②对于统一知识标准。统一知识标准对于整合各类知识图谱和构建以规则库、知识图谱为核心的智能应用具有重要意义。解决办法包括引入知识工程方法、建立动态更新机制。引入知识工程方法可适应知识的多样性和复杂性，建立水利专业领域的知识库和方法库，将不同类型知识整合成统一知识图谱；建立动态更新机制以定期更新和修订标准，适应知识变化和发展需要。

③对于保障知识准确性。确保水利知识准确性的方法主要包括：建立校验和修正机制，通过自动化和人工方式验证和修正知识图谱中的错误和误差；邀请专家对知识图谱进行审核，提供更准确、更符合实际需求的知识，发现并修正潜在的问题；使用实际场景中的数据对知识图谱进行实例验证，评估其准确性和可靠性；进行版本控制，每次更新后进行审核和验证，确保新添加的知识正确且符合规范；对知识图谱进行持续监控和维护，发现并修正潜在的问题；建立用户反馈机制，收集用户对知识图谱的反馈和建议，不断改进和修正知识图谱。

④对于支撑知识应用。以通用的方式实现知识支撑水利业务应用是知识平台发挥作用的关键，可以采取以下策略进行：建立通用的知识表示和建模方法，提供通用的知识检索、计算、分析、推理工具，与水利业务应用系统集成，建立反馈机制和持续改进机制。在驱动业务应用时，根据编辑或选取的业务场景模板反映的业务对知识的需求，知识平台调用水利知识引擎层中知识计算相应模块，组建面向该水利业务应用的知识驱动模型，知识驱动模型向知识平台中现有水利知识库发出所需知识请求，从知识库中获取知识驱动模型计算所需知识输入，依照所编辑或选取的业务场景模板进行知识计算，以此来驱动水利业务应用（见图9）。

图9 知识平台支撑业务应用框架图

4.业务应用

针对防洪调度、库容冲淤动态监控、水质水生态环境保护、三峡库区涉河建设项目监管等方面的重难点提出相应解决方案。

（1）防洪调度

在堤防风险智能评估与预警方面，基于有限元计算方法，开发堤防工程风险智能评估与预警模型，实现模型数据处理、风险计算、结果输出全流程自动化，完成堤防抗滑、渗流风险定量计算与分级预警评估。在蓄滞洪区与洲滩民垸联合调度方面，结合防洪调度知识图谱，快速索引关联工程及其调度响应关系，完成既定目标下的行蓄洪工程智能推荐。

（2）库容冲淤动态监控

通过增加库区大断面测量频次和重点河段大断面测量数量，解决因缺少水下地形而难以准确刻画库容的难题；采用经验关系式对部分站点水位、流量、含沙量等资料进行插补以满足模型计算需要；改进模型以提高计算精度。

（3）水质水生态环境保护

为提高水质水生态计算效率与模拟精度，基于分块并行计算策略提出多线程并行计算方法，提高推演速率；通过构建三峡水库精细化贴体网格模型，提升水库水质在线推演模型模拟精度，实现全库区任意点位水质在线推演。通过耦合数据驱动、遥感反演、机理模型等方法，实现“全库区—重点区域—关键位置”水污染水华快速预测预警。对于数字孪生中普遍存在的水质水生态预演预案功能实用性不强的问题，设计了可灵活自由组合的多情景设置功能，用户可自定义设置相关输入参数与条件，对不同来水来污、调度情景进行模拟计算，智能化辅助库区管理人员进行管理决策。

（4）三峡库区涉河建设项目监管

通过现场巡查、无人机航拍等方式，实时监控项目进度，确保项目按照审批内容进行建设；建立风险评估机制，对涉河建设项目进行风险评估，分析项目可能存在的安全隐患和环境影响，并制定相应防范措施；根据项目特点和风险评估结果，制定相应监管措施，包括审批、巡查、整改等；建立整改跟踪系统，对存在问题的项目跟踪整改；建立公众参与机制，通过公开项目信息、接受公众举报等方式，鼓励公众参与涉河建设项目的监管。

四、结 语

数字孪生三峡建设要充分考虑已有信息化基础，对照数字孪生要求和现有不足，整合共享、集约建设。充分整合已建感知采集、网络通信、计算存储、数据资源、专业模型等内容，建立信息共享机制，实现各类资源节约集约利用和互通共享。此外，鉴于后期业务扩展和功能升级需要，建议数据底板建设应留有充裕的扩展接口和存储空间，模型平台和知识平台应具备业务扩展功能，信息基础设施建设也应留有充裕的空间和可扩展功能。

数字孪生三峡建设要充分体现“需求牵引、应用至上”的原则，充分考虑用户需求和技术实际可实现性，深入分析水利业务的目标流程功能等需求，开展应用系统的规划设计建设管理，同时也要应用数字孪生开展水利治理管理和决策，确保系统管用、好用、实用。

数字孪生三峡建设专业模型和涉水调度管理管控知识的构建是实现数字孪生支撑水利高质量发展的核心和关键。大量新型数据如遥感空间信息、社会经济、生态环境等信息与水文气象等的融合应用，可有效提高模型精度，实现知识技术数字化管理，支撑工程调度运行智慧化管理，有效提升防洪、环境保护和生态修复、空间管控等管理能力和效果。物理信息、管理信息、模拟效果的多样化展示如3D渲染等，可丰富信息对决策的可视化支持，但是数字孪生的建设和推进重点应为算准、可用，做到对物理世界的准确及时映射，才能支撑各项调度管理管控业务的精准施策。