數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型、演化路徑與評判準則

冶運濤, 蔣云鐘, 寇懷忠, 顧晶晶, 董甲平, 黃建雄, 關(guān)昊哲

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室,北京 100038;3.水利部黃河水利委員會,河南 鄭州 450003)

以流域為基礎(chǔ)單元開展“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理”[1-2],既堅持了水資源綜合管理的系統(tǒng)觀念,又遵循了江河湖泊的自然演變特性,同時能夠系統(tǒng)治理山水林田湖草沙,并且統(tǒng)籌流域上下游、左右岸各相關(guān)方的利益訴求,進而通過流域內(nèi)水利工程的合理布局、防災(zāi)減災(zāi)措施的制定、資源的空間均衡配置、生態(tài)環(huán)境防控方案的優(yōu)化來推動區(qū)域社會經(jīng)濟的良性發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的健康宜居[3-4]。數(shù)字孿生流域是以物理流域和虛擬流域?qū)崟r交互為目標,將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、水利專業(yè)模型等技術(shù)融合產(chǎn)生的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于高質(zhì)量治水管理而衍生的概念,它不僅是智慧水利創(chuàng)新發(fā)展的核心建設(shè)內(nèi)容和研究方向,也是貫通充足算據(jù)、高效算力和精確算法的綜合載體,還是集成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化主線各技術(shù)要素的關(guān)鍵[5-7]。

近年來,數(shù)字孿生理念和技術(shù)在流域治理管理中被加速應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者針對治水數(shù)字孿生體系開展了許多研究。在國內(nèi),2021年水利部從國家網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略、新一代信息技術(shù)群驅(qū)動數(shù)字化轉(zhuǎn)型、流域治理管理需求等方面分析了推進數(shù)字孿生流域建設(shè)的必要性,并給出了建設(shè)思路(總要求、主線、建設(shè)路徑、建設(shè)任務(wù)等)[8],引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。在理論研究方面,我國學(xué)者給出了由概念定義、內(nèi)涵特征、基本模型、核心能力、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向構(gòu)成的數(shù)字孿生流域科學(xué)框架,對數(shù)字孿生流域未來發(fā)展和建設(shè)具有指導(dǎo)意義[9-10]。在關(guān)鍵技術(shù)研究方面,目前研究成果以數(shù)字孿生流域在防洪中的應(yīng)用為主,旨在探索數(shù)據(jù)、算力、模型、平臺服務(wù)等建設(shè)技術(shù)[11-13]。在應(yīng)用方面:宋文龍等[14]提出了面向數(shù)據(jù)底板建設(shè)的水利遙感監(jiān)測的目標識別與變化檢測、水情監(jiān)測與數(shù)字映射、智能服務(wù)等技術(shù)方案;劉業(yè)森等[15]研究了面向流域防洪“四預(yù)”的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享管理平臺以及數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)底板建設(shè)技術(shù)方案;胡春宏等[16]將數(shù)字孿生流域模型分為3個層級并分別作為獨立事件研究了模型的保真度,并據(jù)此提出了提高數(shù)字孿生流域整體保真度的兩條路徑;劉志雨[17]探索了數(shù)字孿生流域賦能業(yè)務(wù)“四預(yù)”實現(xiàn)路徑,提出加強感知體系、數(shù)字孿生平臺建設(shè)與賦能防汛“四預(yù)”具體措施。在國外:GOURBESVILLE P等[18]將數(shù)字孿生作為智慧江河管理的重要發(fā)展方向;RIGON R等[19]將建設(shè)數(shù)字地球?qū)\生水文系統(tǒng)作為水文學(xué)家的藍圖;BROCCA L等[20]利用高分辨率(1 km)土壤濕度和降水量數(shù)據(jù)開發(fā)了數(shù)字孿生地球水文系統(tǒng);HUANG T等探索了面向洪水預(yù)測和分析的地球數(shù)字孿生系統(tǒng)[21];JIANG P S等[22]在數(shù)字孿生地球的海岸系統(tǒng)中,通過神經(jīng)算子開發(fā)了海岸洪水的快速物理替代模型;ALPEREN C I等[23]研發(fā)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水文數(shù)字孿生模型,將其應(yīng)用于法國加登-圣克羅伊盆地洪水模擬;PEDERSEN A N等[24]建立了城市供水系統(tǒng)的動態(tài)和原型數(shù)字孿生;ZEKRI S等[25]提出了一個基于多智能體系統(tǒng)和數(shù)字孿生范式的新框架,以解決數(shù)據(jù)采集處理、資產(chǎn)控制、服務(wù)生成和交付過程中缺乏的智能化和自主性的問題;TAORMINA R等[26]利用數(shù)字孿生技術(shù)保護城市水基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

需要指出的是,在提出數(shù)字孿生流域建設(shè)之前,已有很多研究成果為從數(shù)字流域向數(shù)字孿生流域邁進奠定了基礎(chǔ)。如:黃河水利委員會2001年提出利用“3S”、虛擬現(xiàn)實、專業(yè)模型、河工模型試驗等技術(shù)與方法建立“三條黃河”(原型黃河、數(shù)字黃河、模型黃河)科學(xué)決策場,以實現(xiàn)堤防不決口、河道不斷流、污染不超標、河床不抬高為標準的黃河健康生命保障目標[27];在此基礎(chǔ)上,王興奎等[3]建立了集原型觀測、實體模型試驗、數(shù)學(xué)模型計算于一體的三維虛擬仿真平臺,并對大型地形場景實時生成、動態(tài)環(huán)境建模、模擬控制、實時交互技術(shù)進行了研究;冶運濤等[28]結(jié)合虛擬地理環(huán)境理論和流域特點以及數(shù)字流域的實踐,提出了虛擬流域理論技術(shù)體系。已有研究成果的梳理能夠厘清水利信息化發(fā)展脈絡(luò),使數(shù)字孿生流域研究與應(yīng)用具有延續(xù)性。數(shù)字孿生流域要在數(shù)字流域基礎(chǔ)上迭代升級,尚有很多技術(shù)難題需要攻關(guān)[15]。

將數(shù)字孿生的理念和技術(shù)體系引入到智慧水利中,提出建設(shè)數(shù)字孿生流域,在理念和技術(shù)邏輯上極大增強了智慧水利的整體性、系統(tǒng)性、完備性、有機性。同時,數(shù)字孿生流域的建設(shè)發(fā)展也面臨著迫切需要研究的問題,主要包括:①數(shù)字孿生具有豐富的內(nèi)涵和特點,需要透徹地把握數(shù)字孿生的內(nèi)在邏輯,研究構(gòu)建符合數(shù)字孿生流域治理管理業(yè)務(wù)特色的基礎(chǔ)模型,真正把數(shù)字孿生理念和技術(shù)科學(xué)地融合到智慧水利體系中,以此提升流域治理管理能力,從而指導(dǎo)數(shù)字孿生流域建設(shè)。②數(shù)字孿生流域建設(shè)是一個影響因素多、涉及環(huán)節(jié)錯綜復(fù)雜、學(xué)科交叉性強、建設(shè)利益方訴求各異的復(fù)雜系統(tǒng)工程,雖然已有研究成果對數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容進行了詳細介紹[5-6],但在實際應(yīng)用過程中,往往較少考慮如何分階段、分步驟地構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生流域,缺乏對數(shù)字孿生流域技術(shù)路線的描述。因此,有必要開展數(shù)字孿生流域演化路徑研究,深刻認識并合理安排實施計劃,循序推進數(shù)字孿生流域建設(shè)工作。③數(shù)字孿生流域建設(shè)已經(jīng)開展,但目前還缺乏科學(xué)的評價手段,在實施數(shù)字孿生流域過程中容易被貼上“數(shù)字孿生”標簽,相比以往的研究處于無實質(zhì)性進展的窘境。因此,建立一套科學(xué)評判準則,以成熟度評估促進有序建設(shè)、有力整改和有效管理,從而實現(xiàn)建設(shè)經(jīng)驗共享和推廣,創(chuàng)建利用數(shù)字孿生創(chuàng)新水利信息化發(fā)展新業(yè)態(tài)。④數(shù)字孿生流域建設(shè)內(nèi)容多,涉及水文學(xué)及水資源、水力學(xué)及河流動力學(xué)、農(nóng)業(yè)水利、結(jié)構(gòu)力學(xué)、信息通信、“3S”(遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng))、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等多個學(xué)科和領(lǐng)域。實踐中,必須結(jié)合具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域和發(fā)展階段的特色要求,明確建設(shè)關(guān)鍵要點,推動數(shù)字孿生流域良性發(fā)展。通過對上述問題的回答,以期為我國數(shù)字孿生流域建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型

數(shù)字孿生是一種通過虛擬和現(xiàn)實之間的交互來獲得物理實體精準虛擬映射的技術(shù),為決策、控制和調(diào)度等提供理論支持[29]。數(shù)字孿生發(fā)展過程中的里程碑事件如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生發(fā)展過程中的里程碑事件

盡管學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對數(shù)字孿生的理解相似,但到目前為止仍沒有統(tǒng)一的定義。表1和表2分別是近年來學(xué)者和著名企業(yè)給出的一些數(shù)字孿生概念。由表1可知,大多數(shù)概念都是圍繞一個關(guān)鍵詞“模型”給出的。該模型是數(shù)字孿生中最重要和最核心的部分,它應(yīng)準確反映物理實體的情況,并實時跟蹤物理實體的變化。此外,表2中的一些概念體現(xiàn)了數(shù)字孿生在工業(yè)中的應(yīng)用?？梢园l(fā)現(xiàn),數(shù)字孿生能夠改善行業(yè)中的許多問題,包括預(yù)測[30]、優(yōu)化[31]、控制[32]、決策[33]等問題。

表1 學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生的定義

表2 著名企業(yè)對數(shù)字孿生的定義

上述定義是根據(jù)各公司的業(yè)務(wù)需要給出的。復(fù)雜的定義難以準確把握數(shù)字孿生的實質(zhì),簡單的定義又難以體現(xiàn)數(shù)字孿生的內(nèi)涵特征和范疇,而模型在傳達概念方面更形象、更豐富[41]。GRIEVES M提出的由物理實體、虛擬實體及兩者連接組成的三維概念模型已被公認[42]。陶飛等[43]在數(shù)字孿生三維概念模型的基礎(chǔ)上增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個維度,建立了五維概念模型。雖然五維概念模型比三維概念模型具有更加豐富的內(nèi)容和更為清晰的分類,但是五維概念模型中各維度均沒有突出數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)能力,不能直觀反映數(shù)字孿生迭代優(yōu)化的本質(zhì)特征。因此,數(shù)字孿生概念模型的完備程度有待提升[44]。

冶運濤等[9]把知識作為提升學(xué)習(xí)能力的要素,并將其增加為數(shù)字孿生的一個維度,提出了數(shù)字孿生六維概念模型,結(jié)合流域科學(xué)發(fā)展需要和綜合管理實踐需求,建立了由物理流域、虛擬流域、實時連接交互、數(shù)字賦能服務(wù)、孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識組成的數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型(圖2)。在數(shù)字孿生流域6個組成要素中,“實時連接交互”要考慮各要素之間數(shù)據(jù)流和信息流的安全性,利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)共享與交換的傳輸機制,以防止數(shù)據(jù)丟失和篡改。此外,SHARMA A等[45]通過總結(jié)文獻認為,數(shù)字孿生性能評價是數(shù)字孿生流域的必要組成部分,其主要包括評價標準(精度、彈性、魯棒性等)、評價方法和測試。

圖2 數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型

基于上述基礎(chǔ)模型建設(shè)數(shù)字孿生流域,首先針對應(yīng)用對象及需求分析物理流域的時空變化特征,以此建立虛擬模型,構(gòu)建實現(xiàn)虛實信息數(shù)據(jù)連接的交互關(guān)系,并借助孿生數(shù)據(jù)和知識的融合與分析,最終為使用者提供各種服務(wù)應(yīng)用。為推動數(shù)字孿生流域的落地應(yīng)用,構(gòu)建數(shù)字孿生流域時可遵循以下準則[46]:

1)流域信息物理融合為基石。物理流域各種涉水要素的智能感知與互聯(lián)、流域虛擬模型的構(gòu)建、孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識的融合、實時連接交互的實現(xiàn)、數(shù)字賦能服務(wù)的生成等的前提是通過信息物理融合建立物理流域的精準映射和反饋。同時,流域信息物理融合貫穿于流域治理管理的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行階段,是防洪、水資源管理與調(diào)配等應(yīng)用實現(xiàn)的根本。

2)多維多尺度流域虛擬模型為引擎。多維多尺度虛擬模型是實現(xiàn)流域防洪、水資源管理與調(diào)配等“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能最核心的組件,在機理驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動下多維多尺度虛擬模型將應(yīng)用功能從理論變?yōu)楝F(xiàn)實,是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“心臟”。

3)孿生流域數(shù)據(jù)和知識為驅(qū)動。孿生流域數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生流域最核心的要素,它源于物理流域、虛擬流域、數(shù)字賦能服務(wù)系統(tǒng)、孿生流域知識,同時在融合處理后融入到各部分中,推動了各部分的運轉(zhuǎn),是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“血液”。孿生流域知識是實現(xiàn)流域智能管理的核心,只有孿生流域知識的不斷積累,推動人工智能的業(yè)務(wù)應(yīng)用,智慧流域的實現(xiàn)才能成為可能。

4)實時連接交互為動脈。實時連接交互將物理流域、虛擬流域、數(shù)字賦能服務(wù)系統(tǒng)連接為一個有機的整體,使信息與數(shù)據(jù)、知識得以在各部分間交換傳遞,是數(shù)字孿生流域應(yīng)用的“血管”和“神經(jīng)系統(tǒng)”。

5)數(shù)字賦能服務(wù)為目的。數(shù)字賦能服務(wù)將數(shù)字孿生流域應(yīng)用生成的智能應(yīng)用、精準管理、可靠運行與維護、遠程控制等功能以最為便捷的形式提供給用戶,同時給予用戶最直觀的交互。

6)全要素物理流域?qū)ο髮嶓w為載體。全要素物理流域資源的交互融合、多維多尺度虛擬模型的仿真計算、數(shù)據(jù)分析處理、知識融合推理,都是建立在全要素物理流域?qū)ο髮嶓w之上的,同時物理流域?qū)ο髮嶓w帶動各個部分的運轉(zhuǎn),令數(shù)字孿生流域得以實現(xiàn)。

數(shù)字孿生流域研究和實踐中,除了遵循數(shù)字孿生基礎(chǔ)模型外,還需要掌握數(shù)字孿生的虛實和實時的雙向連接、自進化、連續(xù)模擬與分析(取決于同步頻率)、時序數(shù)據(jù)的可用性等必要特性和自治性、同步性等動態(tài)特性。自治性要考慮流域不同層次對象的特點,同步性可根據(jù)業(yè)務(wù)管控需要確定。

在技術(shù)的表現(xiàn)上,數(shù)字孿生特性決定了該技術(shù)與其他技術(shù)有所區(qū)別,見表3[45]。通過了解這些區(qū)別,有助于明確數(shù)字孿生流域建設(shè)的技術(shù)方向和技術(shù)難點。

表3 數(shù)字孿生與已有技術(shù)的區(qū)別

2 數(shù)字孿生流域的演化路徑

KRITZINGER W等[47]按照虛實融合程度將數(shù)字孿生細分為數(shù)字模型(digital model)、數(shù)字投影(digital shadow)及嚴格意義上的數(shù)字孿生(digital twin)。江海凡等[48-49]、張帆等[50]借鑒文獻[36]的方法分別研究了車間、礦山的數(shù)字演化過程。江海凡等[49]提出了由可視化模型、數(shù)字模型、數(shù)字投影以及數(shù)字孿生組成的數(shù)字孿生演進模型,并探索了該模型在智能制造中的應(yīng)用方法、關(guān)鍵技術(shù)與工具平臺。

為了指導(dǎo)數(shù)字孿生流域工程實踐,結(jié)合已有研究成果,將數(shù)字孿生流域構(gòu)建和應(yīng)用過程分為流域數(shù)字感知、流域數(shù)字映射、流域數(shù)字認知、流域數(shù)字模型、流域數(shù)字投影和流域數(shù)字孿生6個階段,如圖3所示。需要指出的是,6個階段不是嚴格孤立的,而是存在循環(huán)迭代的關(guān)系。

圖3 數(shù)字孿生流域演化過程

2.1 流域數(shù)字感知

基于流域水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害的科學(xué)研究和業(yè)務(wù)管控需求,將全面掌握以流域為單元自然-社會二元水循環(huán)的“降水-坡面-河道-水庫”和“取水-供水-用水-排水”的全空間、全鏈條、全環(huán)節(jié)的時空要素信息作為目標,遵循流域“水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”耦合組成復(fù)雜系統(tǒng)的演變特征和規(guī)律,兼顧流域機理研究、科學(xué)計算與精準決策的要求,基于空天地一體化的思路,構(gòu)建具有全域、立體、精準、異構(gòu)、多元內(nèi)涵以及泛在、共享、互操作、動態(tài)實時、自治、可擴展、靈活、智能等特征的綜合感知網(wǎng)[51-52]。該綜合感知網(wǎng)是萬維網(wǎng)應(yīng)用于流域科學(xué)的新型網(wǎng)絡(luò)物理時空信息基礎(chǔ)設(shè)施,能夠?qū)崿F(xiàn)對各種傳感資源的集成和共享管理、獲得實時或近實時的時空連續(xù)數(shù)據(jù)、進行互操作和在線流域科學(xué)數(shù)據(jù)處理和分析以及提供基于網(wǎng)絡(luò)的流域科學(xué)信息和知識的聚焦服務(wù)[53],實現(xiàn)“以虛感實”。

2.2 流域數(shù)字映射

目前,實踐應(yīng)用中偏重于數(shù)字孿生的可視化特點研究且將其作為首要的研究目標,在追求視覺美感的同時忽略了數(shù)字孿生的真實性特點,這就類似于追求人的外貌而忽略了個體本身所附帶的教育、文化、技能等內(nèi)涵。數(shù)字映射首先要保持流域自然背景、流場動態(tài)、水利工程及設(shè)施設(shè)備的真實性,參考河流實體模型試驗的研究和實踐經(jīng)驗,通過在虛擬空間上構(gòu)建物理流域?qū)ο笞訂卧膸缀?、結(jié)構(gòu)、屬性、關(guān)系等相適應(yīng)的數(shù)字映射鏡像,利用數(shù)據(jù)組織模型對各種物理對象子單元進行聚合構(gòu)造,形成真實性的流域數(shù)字對象[54],進而將數(shù)字感知的實時信息賦予物理對象,從而使數(shù)字對象“鮮活”起來,實現(xiàn)“以虛映實”。

2.3 流域數(shù)字認知

基于試驗、理論演繹、仿真模擬以及數(shù)據(jù)分析方法,對流域系統(tǒng)演變規(guī)律及系統(tǒng)間相互作用機理進行系統(tǒng)、準確地認知[55],實現(xiàn)“以虛知實”。例如:研究變化環(huán)境下的“四水”(大氣水、地表水、土壤水、地下水)演變規(guī)律及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系;研究水土資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)相互作用的機理、社會經(jīng)濟發(fā)展的需水規(guī)律;研究降雨-產(chǎn)流-匯流-演進全過程洪水形成演變規(guī)律、氣候系統(tǒng)異常特征與干旱之間關(guān)系及旱澇急轉(zhuǎn)的形成機制;研究坡面土壤侵蝕機理、河湖環(huán)境變異機制及與生態(tài)效應(yīng)、水庫型飲用水源地富營養(yǎng)化演變機理、水庫群及引調(diào)水工程泥沙沖淤規(guī)律;研究水利工程全生命周期性能演化機理[56]。

2.4 流域數(shù)字模型

目前研究流域自然-社會二元水循環(huán)及其伴生過程采用的模型仍以機理模型為主,采用的建模方式是離線方式。模型常用于規(guī)劃設(shè)計階段的工作,如流域綜合規(guī)劃、洪旱災(zāi)害風(fēng)險圖制作、水資源配置規(guī)劃等。隨著數(shù)據(jù)量的日益龐大,尤其是數(shù)據(jù)密集型科學(xué)的發(fā)展,以機器學(xué)習(xí)(尤其是深度學(xué)習(xí))為核心的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型受到青睞[57]。盡管如此,由于流域系統(tǒng)過程具有復(fù)雜性、交互性、多尺度、異質(zhì)性等特點[58],同時來源多樣的數(shù)據(jù)可能存在不確定性,以及具有可用價值數(shù)據(jù)的稀疏性,數(shù)據(jù)驅(qū)動模型還不能完全替代機理模型[59-61]。因此,應(yīng)在數(shù)字認知的基礎(chǔ)上,將兩者優(yōu)勢互補,以機理-數(shù)據(jù)耦合驅(qū)動的方式構(gòu)建新型數(shù)字模型[62-64],實現(xiàn)“以虛仿實”。

2.5 流域數(shù)字投影

實時性是數(shù)字孿生的重要特征,也是數(shù)字孿生保證時效性的基礎(chǔ)。數(shù)字投影是通過數(shù)據(jù)和模型融合,建立數(shù)字感知和數(shù)字模型的實時連接通道,將感知的降水、蒸散發(fā)、徑流、土壤含水量、水位等信息和取供用排信息,以及更新的自然地理、社會經(jīng)濟信息,動態(tài)融合到數(shù)字模型運行過程中。數(shù)字模型系統(tǒng)能夠根據(jù)流域的動態(tài)“脾性”,“察言觀色”地實時(可以根據(jù)時間業(yè)務(wù)需求選擇合適的頻次)更新數(shù)字模型的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)變量和參數(shù),使數(shù)字模型結(jié)構(gòu)能夠真實反映物理流域的物理過程及其時空關(guān)系。狀態(tài)變量和參數(shù)能夠真實反映物理流域的運行態(tài)勢,最終使數(shù)字模型輸出的決策變量的預(yù)測結(jié)果無限逼近真值,實現(xiàn)“以虛預(yù)實”。

2.6 流域數(shù)字孿生

基于對流域單元級、系統(tǒng)級及系統(tǒng)之系統(tǒng)級各層次對象運行狀態(tài)的實時在線跟蹤、及時診斷預(yù)警和高精度模擬預(yù)測,以及設(shè)定的預(yù)期目標,建立多目標決策模型優(yōu)化流域管控可行方案集,利用綜合集成方法確定最優(yōu)方案,以控制指令或管理命令的方式發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備、執(zhí)行人員或執(zhí)行機構(gòu)進行方案執(zhí)行,可稱為“硬控制”和“軟控制”,從而使流域系統(tǒng)按照預(yù)期軌跡運行,使其效益達到最優(yōu),實現(xiàn)“以虛優(yōu)實”和“以虛控實”。由于不同層級系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同,執(zhí)行命令的方式亦有所不同。對于邊界條件較簡單的水庫,調(diào)度規(guī)則明確,可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果按既定規(guī)則自動調(diào)整閘門開度;對于邊界條件復(fù)雜且由多個水利工程耦合的系統(tǒng),需要結(jié)合多庫優(yōu)化規(guī)則和單庫規(guī)則,經(jīng)多個利益主體協(xié)商確定工程調(diào)度執(zhí)行指令;對于更復(fù)雜的系統(tǒng),如“四水四定”涉及水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用,制定的決策方案需要反復(fù)調(diào)整才能執(zhí)行。

3 數(shù)字孿生流域的評判準則

數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型及演進路徑作為基礎(chǔ)理論回答了如何理解和建設(shè)數(shù)字孿生流域的問題,正如SHARMA A論證了“評價”是數(shù)字孿生必不可少的要素[45]。因此,如何評判建設(shè)效果是數(shù)字孿生流域?qū)嵤┎豢苫乇艿膯栴}。CHEN L等[65]基于Gemini原則建立了一種衡量資產(chǎn)管理的數(shù)字孿生成熟度模型,該成熟度模型由3個主要維度、9個子維度、27個準則組成,形成了數(shù)字孿生開發(fā)和實施的系統(tǒng)視圖。UHLENKAMP J F等[66]利用IT管理開發(fā)成熟度模型,根據(jù)PRISMA(Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses)指南,通過系統(tǒng)的文獻綜述確定了相關(guān)功能和特點,建立了由7個類別(環(huán)境、數(shù)據(jù)、計算能力、模型、集成、控制、人機界面)組成的成熟度模型。MEDINA F G等建立了商業(yè)航天OEM(Original Equipment Manufacturer)行業(yè)數(shù)字孿生實施的成熟度模型,該模型包含10個維度[67]。陶飛等[68]以制造領(lǐng)域為例,提出了由5個維度、19項因子組成的成熟度模型。

上述研究成果表明,由于作者專業(yè)背景不同,建立的數(shù)字孿生成熟度模型具有明顯差別。數(shù)字孿生流域建設(shè)是個龐大的系統(tǒng),在數(shù)字孿生流域概念定義、內(nèi)涵特征及核心能力基礎(chǔ)上[15],結(jié)合數(shù)字孿生流域基礎(chǔ)模型、演化路徑,提出數(shù)字孿生流域?qū)嵤┑脑u判準則(圖4),包括要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準預(yù)測、推演能模擬現(xiàn)實假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實能動態(tài)交互。利用該評判準則從多維度評價數(shù)字孿生流域項目的成熟度,確定其建設(shè)成效與數(shù)字孿生理想目標的差距,為實現(xiàn)升級迭代明確工作方向。

圖4 數(shù)字孿生流域評判準則

3.1 要素能透徹感知

要素能透徹感知是數(shù)字孿生流域建設(shè)的基礎(chǔ)特性,是物理流域與虛擬流域融合的前提。通過對流域不同層級對象布設(shè)監(jiān)測計量設(shè)施,獲取相應(yīng)的基礎(chǔ)信息和實時動態(tài)信息。這些監(jiān)測計量設(shè)施的布設(shè)位置應(yīng)具有代表性,不僅能夠?qū)α饔蜃匀坏乩?、干支流、水利工程及水利治理對象的基礎(chǔ)特性進行全面描述,進而為構(gòu)建流域不同層次對象的幾何模型提供真實、可靠的數(shù)據(jù),精準反映幾何模型的骨架,而且還能夠準確反映流域不同層級對象的狀態(tài)變化和屬性變化,從而實現(xiàn)對自然地理、干支流、水利工程、水利治理管理對象“精準畫像”,能夠動態(tài)跟蹤不同層級對象全生命周期的變化。此外,需要考慮數(shù)據(jù)更新機制,包括重要站點的雨情、水情、泥沙、水質(zhì)、工情、險情、災(zāi)情等信息及關(guān)鍵河段和工程部位的視頻監(jiān)控信息的更新頻次,不同季節(jié)的流域地表覆被、土壤含水量等下墊面信息的更新頻次,較大場次洪水事前、事中和事后的水下地形信息以及洪水影響區(qū)和供水覆蓋區(qū)的城鎮(zhèn)化、灌區(qū)等經(jīng)濟社會信息的更新頻次。要素能透徹感知準則從感知覆蓋度、感知自動化程度、感知要素的完整程度、感知數(shù)據(jù)的更新頻次等多個方面評價。

3.2 映射能高度逼真

映射能高度逼真即在三維虛擬環(huán)境中以可視化的角度對物理流域?qū)ο笕芷谶^程進行不同方位、不同尺度的觀察和分析。由于虛擬流域集合了物理流域?qū)ο蟮膸缀?、外觀等信息,以及降水、水位、流量、土壤含水量、地下水位、水質(zhì)、取水量、用水量、水利工程安全等監(jiān)測計量結(jié)果和流域來水、需水仿真計算結(jié)果,因此,能夠直觀、實時地融合物理流域?qū)ο蟮挠^測數(shù)據(jù),從而解決自然水系、水利工程及水利治理管理對象的可觀測性問題。比如,在建立水利樞紐的大壩、壩區(qū)、庫區(qū)、設(shè)備設(shè)施、泄洪影響區(qū)的三維數(shù)字模型時,將雨情、水情、工情、災(zāi)情、險情等傳感器監(jiān)測或者水利模型計算得到的水利樞紐相關(guān)的運行數(shù)據(jù)與三維全景模型相結(jié)合,在計算機生成的虛擬流域立體空間中,可以形象、生動、動態(tài)地展示水利樞紐各相關(guān)地理空間對象的運行狀態(tài)。映射能高度逼真準則可以從以下方面評價:具有滿足防洪排澇、水資源監(jiān)管、水資源配置與調(diào)度、水環(huán)境保護等業(yè)務(wù)需求的大屏端、電腦端、移動端的可視化界面;建有包含自然地形地貌、干支流、水利工程等物理流域?qū)ο蟮膭討B(tài)的三維可視化模型;能夠及時展示流域水流演進、河道沖淤形態(tài)、地下水位變化、水質(zhì)情況、大壩及設(shè)備設(shè)施等實時狀態(tài)和更新參數(shù);能夠及時展示給定降水、來水等預(yù)測信息或者不同水利工程控制工況下的自然水循環(huán)和社會水循環(huán)及其伴生過程的未來發(fā)展態(tài)勢和趨勢。

3.3 狀態(tài)能精準預(yù)測

狀態(tài)能精準預(yù)測指在研究透徹流域產(chǎn)匯流機理、洪水形成及演變規(guī)律、水庫群及引調(diào)水工程泥沙沖淤規(guī)律、河道泥沙演變趨勢、江河關(guān)系變化機理以及水利工程災(zāi)變機理等基礎(chǔ)上,構(gòu)建水利機理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和知識驅(qū)動模型相結(jié)合的高保真、高精度水利模型,從而動態(tài)融合數(shù)據(jù)和模型進行短期、中期、長期嵌套滾動預(yù)測預(yù)報未來的降水(尤其是暴雨)、汛期及非汛期徑流(尤其是汛期洪水、枯季徑流)、壓采區(qū)的地下水水位、不同作物種植結(jié)構(gòu)下的土壤墑情、非點源污染輸出量及河道水質(zhì)和水環(huán)境容量、水庫大壩安全狀態(tài)變化量等水安全要素。在水文模型、水力學(xué)模型及結(jié)構(gòu)力學(xué)模型代碼并行化改造基礎(chǔ)上,狀態(tài)能精準預(yù)測準則能夠支撐模型的快速解算,滿足不同業(yè)務(wù)特點的需要,如當流域防洪時進行洪水預(yù)報及洪水淹沒分析,當結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)時進行結(jié)構(gòu)的安全分析等。狀態(tài)可預(yù)測性評價根據(jù)以下4個指標進行綜合評價:可預(yù)測未來運行狀態(tài)的物理對象數(shù)目占全部物理對象數(shù)目的比例、物理流域?qū)ο蟮目深A(yù)測的水安全要素數(shù)占全部水安全要素數(shù)的比例、虛擬流域模型在規(guī)定的時空尺度上對水安全要素的預(yù)測精度、虛擬流域模型的計算時效。

3.4 推演能擬實假設(shè)

推演能擬實假設(shè)指利用虛擬流域不僅能夠?qū)σ呀?jīng)發(fā)生的事件進行復(fù)盤,而且能夠?qū)ΜF(xiàn)實情況尚未出現(xiàn)的情景進行仿真推演。對已發(fā)事件,如洪水事件,將已記錄的天氣系統(tǒng)和降水、徑流、下墊面等信息以及水利工程調(diào)度信息、決策者的經(jīng)驗信息以及應(yīng)急處置信息,作為邊界條件輸入虛擬模型,復(fù)盤“降水-產(chǎn)流-匯流-演進-調(diào)度-處置”全過程,深刻洞察成功經(jīng)驗,準確識別薄弱瓶頸。對未來可能發(fā)生的事件,根據(jù)洪水、水資源、水工程可能遭遇的事件設(shè)定不同的環(huán)境影響參數(shù)、水工程調(diào)度方案數(shù)據(jù)以及場景應(yīng)對目標,實時分析風(fēng)險因子及風(fēng)險演變過程,綜合分析事件可能的影響程度,提出切實可行的方案以及操作流程,尤其是對氣候變化導(dǎo)致的超標洪水、特大干旱、潰堤、潰壩等極端工況可進行推演。推演成敗的關(guān)鍵因素除了虛擬模型的精度外,對不同場景下可設(shè)置的邊界比例及邊界數(shù)據(jù)所反映的實際情況也是需要關(guān)注的指標[69]。

3.5 現(xiàn)象能合理解釋

現(xiàn)象能合理解釋是指當物理流域中出現(xiàn)洪水、干旱、水污染、水工程災(zāi)變等水安全現(xiàn)象時,利用虛擬流域模型對這些現(xiàn)象進行規(guī)律解析、態(tài)勢判斷以及模擬分析,建立各種關(guān)聯(lián)因子的知識圖譜,以挖掘水安全現(xiàn)象所蘊含的機理,從而使流域管理者和決策者能夠全面理解和合理解釋流域、河流及工程運行的行為,制定合理的控制性策略。數(shù)字孿生流域的虛擬模型是基于反映流域“骨架”的幾何模型和動態(tài)更新的數(shù)字映射模型,融合了水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各子系統(tǒng)相互作用機理的揭示以及水循環(huán)演變規(guī)律的準確掌握所構(gòu)建的微分代數(shù)模型和基于水文水資源及水利工程運行等專業(yè)知識啟發(fā)所建立的統(tǒng)計相關(guān)模型(如數(shù)理統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等)。其中,微分代數(shù)模型考慮了流域現(xiàn)象的因果關(guān)系,反映了運行機理,但是對復(fù)雜情況概化帶來了很多不確定性,如分布式和集總式水文模型出現(xiàn)“異參同效”的現(xiàn)象;統(tǒng)計相關(guān)模型是通過對大量樣本進行因子挖掘,進而建立因變量和自變量之間的相關(guān)關(guān)系,但是模型精度易受樣本代表性的影響。將微分代數(shù)模型和統(tǒng)計相關(guān)模型融合能揚長避短,不僅可規(guī)避前者不完備的動態(tài)建模和不確定性信息影響的不足,而且能避免后者樣本有限和樣本有偏的缺點,既保證了模型計算精度,又能提高結(jié)果的可解釋性。現(xiàn)象的解釋性要從機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的建模、仿真模擬、決策支持等互補融合層面進行評價。

3.6 虛實能動態(tài)交互

物理流域和虛擬流域的同步運行和迭代優(yōu)化要求兩者能夠虛實交互,通過雙向?qū)崟r互動,促進兩者實現(xiàn)共智進化。虛擬流域利用實時采集的洪水漲落、干旱輕重、水資源豐枯、墑情好差、泥沙多寡、臺風(fēng)暴潮疾緩、水質(zhì)優(yōu)劣、工程安危等水安全要素數(shù)據(jù)對虛擬流域?qū)ο蟮膸缀谓Y(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)、模型參數(shù)、外觀狀態(tài)進行持續(xù)更新和自動演化,保證了虛擬流域和物理流域的同步性。虛擬流域作為自然水系、水利工程、水利治理管理對象等實體對象的運行狀態(tài)監(jiān)測、演變態(tài)勢診斷、發(fā)展形勢預(yù)測、決策方案優(yōu)化、控制策略驗證等平臺,有助于流域管理者和決策者讓自然水系、水利工程、水利治理管理對象按照期望的運行軌跡進行演化。虛實的互動性可以從流域防洪、水資源管理與調(diào)配等業(yè)務(wù)需求所決定的時間尺度方面進行評價:一是虛擬流域利用采集的洪水、枯季徑流、地下水位等數(shù)據(jù)進行模型自動化更新與升級;二是利用虛擬流域?qū)ψ匀凰?、水利工程等物理流域?qū)ο筮M行方案優(yōu)化后下達和執(zhí)行最優(yōu)的決策方案。

在要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準預(yù)測、推演能擬實假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實能動態(tài)交互6個評判準則下,不同項目建設(shè)成效的評價指標應(yīng)根據(jù)實際情況進行增減,評價指標的量化方法應(yīng)根據(jù)定性或定量的類別進行確定。對于同一評判準則有多個評價指標的情況,可以采用層次分析法、語氣算子法等主客觀相結(jié)合的方式確定權(quán)重,然后利用可變集、模糊集、模糊綜合評價等加權(quán)組合方式得出該評判準則的綜合評判結(jié)果,最后利用雷達圖的方式繪制6個評判準則的評判結(jié)果,以此結(jié)果分析項目與數(shù)字孿生流域特征相比需要改進的方向。

4 數(shù)字孿生流域建設(shè)關(guān)注的重點

數(shù)字孿生流域以其獨有的特征和能力方面的要求激發(fā)了新一代信息技術(shù)在流域治理管理中的潛在價值和發(fā)展活力[9,70],為傳統(tǒng)水利領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型和“大云物移智鏈”技術(shù)融合的潛力釋放創(chuàng)造了有利條件[71]。因此,數(shù)字孿生流域建設(shè)應(yīng)在深刻理解數(shù)字孿生涵義的基礎(chǔ)上,在流域治理管理中踐行數(shù)字孿生理念,以驅(qū)動流域治理管理模式的變革。數(shù)字孿生流域建設(shè)任務(wù)多且體系復(fù)雜,未來應(yīng)重點關(guān)注如下內(nèi)容。

1)準確認知是方向。關(guān)于數(shù)字孿生的定義尚未達成共識,對數(shù)字孿生流域也有不同的理解[5,9-10,12]。流域系統(tǒng)是由自然-人工共同組成的開放式復(fù)雜巨系統(tǒng),產(chǎn)生于制造領(lǐng)域和航天領(lǐng)域的數(shù)字孿生的對象屬于純粹的人工系統(tǒng),所以數(shù)字孿生流域必然有其特點。雖然中國各地掀起了數(shù)字孿生流域建設(shè)高潮,但是對數(shù)字孿生流域理論與技術(shù)的研究滯后于水利實踐。這就導(dǎo)致建設(shè)過程中僅僅滿足建設(shè)內(nèi)容,而缺乏從系統(tǒng)的視角審視數(shù)字孿生流域建設(shè)效果,難以解決水旱災(zāi)害精準化防御、水資源精細化管理、水生態(tài)環(huán)境科學(xué)化治理等水利業(yè)務(wù)管理中存在的站點覆蓋程度不高、協(xié)同感知透徹程度不高、模型算法預(yù)測精度不高、模型計算效率低、業(yè)務(wù)鏈條難以連接等難題,造成采用傳統(tǒng)水利信息系統(tǒng)開發(fā)模式低水平重復(fù)建設(shè)、有“數(shù)字孿生”標簽卻不實用不好用的窘境。這說明流域治理管理還沒有真正達到“數(shù)字孿生”的要求。因此,在政策邏輯和學(xué)理邏輯基礎(chǔ)上,建立數(shù)字孿生流域的知識體系和技術(shù)體系,以指導(dǎo)數(shù)字孿生在業(yè)務(wù)管理中的適用性。此外,數(shù)字孿生流域建設(shè)要注意平衡投資和效益、遠期和近期、實踐和研究之間的關(guān)系,避免盲目跟風(fēng)不切本地實際、短視不著眼長遠發(fā)展和急出成績不遵循客觀規(guī)律地構(gòu)建數(shù)字孿生體。

2)全量數(shù)據(jù)是要點。數(shù)字孿生流域建設(shè)既要求虛擬流域通過“實時交互連接”獲取物理流域空間的所有基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理等水利數(shù)據(jù),又要求提升虛擬流域在物理流域空間規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行全生命周期中數(shù)據(jù)的動態(tài)反饋、決策支撐能力。經(jīng)過多年建設(shè),我國水利、氣象、環(huán)境等部門建立了類型豐富、數(shù)量眾多的水循環(huán)要素地面監(jiān)測站點,其中縣級以上水利部門建成43.4萬處各類信息采集點(含約20.9萬處水文、水資源、水土保持等采集點以及約22.5萬處大中型水庫安全監(jiān)測采集點)[72],氣象部門已建設(shè)3.2萬多個氣象站點(包括2 000多個常規(guī)站點和3萬多個自動站點)[73],生態(tài)環(huán)境部門已建設(shè)2.1萬多個水質(zhì)監(jiān)測站(包括956個地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面和20 401個地下水監(jiān)測站點)[73]。國內(nèi)地面監(jiān)測站網(wǎng)與全球地面氣象站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、全球環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)等全球地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成了覆蓋范圍廣、監(jiān)測項目互為補充的監(jiān)測站網(wǎng)體系。此外,各類國內(nèi)國際在軌遙感衛(wèi)星協(xié)同監(jiān)測數(shù)據(jù)為從大范圍獲取流域信息提供了有益補充。雖然全國甚至全球范圍的監(jiān)測站點密度日益增加,但是由于各監(jiān)測數(shù)據(jù)之間尚未達到在線共享交互,還不能形成全量數(shù)據(jù)的局面,導(dǎo)致可挖掘的信息有限。因此,需要加強跨部門、跨層級、跨國度等的數(shù)據(jù)共享,豐富數(shù)據(jù)供給源,滿足流域科學(xué)研究和水利高質(zhì)量發(fā)展實踐的需求[74]。沒有全時空數(shù)據(jù)支撐,數(shù)字孿生流域就失去高保真映射的“源泉”[75]。

3)保真模型是核心?？茖W(xué)性是流域管理與決策的最重要屬性,而模型是保證管理與決策科學(xué)性的重要工具。不確定性的氣候變化和強烈的人類活動使得自然-社會二元水循環(huán)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜,以現(xiàn)有的物理定律和數(shù)學(xué)模型全面認識流域現(xiàn)狀、預(yù)測預(yù)報流域變化趨勢的仿真范式已顯得“力不從心”、困難重重[76],數(shù)據(jù)密集型科學(xué)范式為模型構(gòu)建提供了新思路[77]。因此,需要在理論推導(dǎo)和實驗科學(xué)基礎(chǔ)上,以仿真為代表的第三范式和以數(shù)據(jù)為代表的第四范式相得益彰,形成數(shù)據(jù)模型與機理模型相結(jié)合的“雙模型引擎”。數(shù)字孿生流域的虛擬流域與物理流域通過實時交互連接進行相互增益而持續(xù)進化成長,同時智能協(xié)同地篩選“孿生數(shù)據(jù)”尋優(yōu)方案集并自主做出最佳決策。受“阿爾法狗”圍棋戰(zhàn)勝人類啟發(fā),數(shù)字孿生流域的智能協(xié)同與自主決策要以水利知識為中心,將每個物理流域?qū)ο蟠蛟斐梢灾R武裝的“數(shù)字體”或“智能體”[7],但是目前機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法還無法給出流域管理所需要的明確語義解釋,還需要借助具有邏輯演繹能力的領(lǐng)域知識圖譜融合事實性流域知識、概念性知識、過程性知識和規(guī)則性知識[9],提升流域治理管理與決策語義理解能力,增強復(fù)雜條件下的知識推理能力。

4)業(yè)務(wù)應(yīng)用是目的。與數(shù)字孿生在制造、航天、礦山等領(lǐng)域已取得的大量研究成果相比,數(shù)字孿生流域的研究顯得比較少,在基礎(chǔ)理論探索、體系架構(gòu)設(shè)計、虛擬模型設(shè)計、信息組織、知識表達和成長及進化等方面仍存在亟須攻克的難題[9,78-80],勢必制約數(shù)字孿生流域發(fā)展。因此,需要面向流域治理管理迫切需要解決的難題,聚焦數(shù)字孿生流域建設(shè)中的關(guān)鍵問題開展理論方法與技術(shù)研究,推動數(shù)字孿生流域有序健康發(fā)展;還要利用數(shù)字孿生的物理實體與虛擬實體同步、虛實互動、迭代進化等理念,重塑流域治理管理新范式,實現(xiàn)水利系統(tǒng)的安全運行和高效管控,促進新階段水利高質(zhì)量發(fā)展,更好地保障江河安瀾、供水安全、生態(tài)健康、環(huán)境友好。

5 結(jié)語

針對目前存在的數(shù)字孿生流域的底層邏輯不清晰、演化模式不明確、成熟度評估方法缺乏等基礎(chǔ)問題,開展了數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)模型、演化路徑、評判準則、建設(shè)關(guān)注重點等方面的研究,得到如下結(jié)論:

1)總結(jié)了數(shù)字孿生國際研究現(xiàn)狀,解析了數(shù)字孿生的概念和定義,并以數(shù)字孿生三維概念模型為基礎(chǔ),結(jié)合流域治理管理需要,提出了數(shù)字孿生流域的6維概念模型,包括以信息物理融合為“基石”的物理流域、以多維多尺度虛擬模型為“引擎”的虛擬流域、以高速大容量雙向通信為“動脈”的實時連接交互、以業(yè)務(wù)能力提升為目標的數(shù)字賦能服務(wù)、以全息化和決策化為“牽引”的孿生流域數(shù)據(jù)和孿生流域知識。

2)以物理流域和虛擬流域的虛實融合程度為基礎(chǔ),提出了數(shù)字孿生流域的數(shù)字感知、數(shù)字映射、數(shù)字認知、數(shù)字模型、數(shù)字投影和數(shù)字孿生的演化路徑。其中,數(shù)字感知、數(shù)字映射和數(shù)字認知是構(gòu)建數(shù)字模型、數(shù)字投影、數(shù)字孿生的基礎(chǔ),后者又是改善前者的工具,正是通過循環(huán)迭代的共同演進才能實現(xiàn)嚴格意義上的數(shù)字孿生流域的構(gòu)建。

3)建立了數(shù)字孿生流域項目成熟度評價的基本準則,即要素能透徹感知、映射能高度逼真、狀態(tài)能精準預(yù)測、推演能擬實假設(shè)、現(xiàn)象能合理解釋、虛實能動態(tài)交互。依此基本準則并根據(jù)實際情況擴充形成能夠切實反映數(shù)字孿生流域發(fā)展階段的具體指標,聚合形成用以指導(dǎo)數(shù)字孿生流域的“孿生指數(shù)”雷達圖,直觀顯示數(shù)字孿生流域建設(shè)中的“短板”,厘清制約發(fā)展的科學(xué)問題、技術(shù)難題和實踐瓶頸,提出相應(yīng)的解決方案來避免低水平重復(fù)建設(shè),提升數(shù)字孿生的實踐性的應(yīng)用價值。

4)數(shù)字孿生流域建設(shè)以破解傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理中難點和痛點問題為導(dǎo)向,構(gòu)建以學(xué)理邏輯為基礎(chǔ)和以政策邏輯為導(dǎo)向的數(shù)字孿生流域知識體系和技術(shù)體系。數(shù)字孿生流域作為傳統(tǒng)水利仿真模擬的升華,要以數(shù)字孿生新的理念重新認識水利系統(tǒng)。在數(shù)字孿生流域建設(shè)中,準確的認知是方向、全量數(shù)據(jù)是要點、保真模型是核心、業(yè)務(wù)應(yīng)用是目的。