李文正

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部計(jì)算機(jī)學(xué)院，100124，北京）

隨著全球發(fā)展進(jìn)入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化新階段，“數(shù)字孿生”理念應(yīng)運(yùn)而生。 2002 年，密歇根大學(xué)Grieves 教授在PLM 課程中提出“數(shù)字孿生”概念模型； 2010 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在航空航天領(lǐng)域正式提出“數(shù)字孿生”概念，并將其定義為“集成了多物理量、多尺度、 多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。 此后，領(lǐng)軍制造企業(yè)將發(fā)展數(shù)字孿生解決方案作為推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要舉措， 數(shù)字孿生各領(lǐng)域也加快延伸拓展， 虛實(shí)互動(dòng)的數(shù)字孿生成為復(fù)雜系統(tǒng)的求解之路。 數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化方式建立物理實(shí)體多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬孿生體來模擬仿真物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的行為、規(guī)律及特性。

一、數(shù)字孿生流域及系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生流域是通過綜合運(yùn)用全局流域特征感知、聯(lián)結(jié)計(jì)算（通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算）、云邊協(xié)同技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能建模與仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平行于物理流域空間的未來數(shù)字虛擬流域?qū)\生體。 通過流域數(shù)字孿生體對(duì)物理流域空間進(jìn)行描述、監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理流域空間與數(shù)字虛擬流域空間交互映射、 深度協(xié)同和融合（如圖1 所示）。

圖1 數(shù)字孿生流域及動(dòng)態(tài)映射和交互特征

數(shù)字孿生流域是一系列技術(shù)的集成融合創(chuàng)新應(yīng)用，是新一代人工智能技術(shù)和水利行業(yè)的深度融合，是智慧流域的靈魂。 根據(jù)流域數(shù)字化和流域數(shù)字孿生構(gòu)建兩方面需求，數(shù)字孿生流域技術(shù)架構(gòu)在整體上可劃分為感知層、邊緣計(jì)算層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)字流域平臺(tái)、數(shù)字孿生應(yīng)用以及貫穿全流域的系統(tǒng)安全六個(gè)層次 （如圖2所示）。

圖2 數(shù)字孿生流域系統(tǒng)架構(gòu)

1.感知層/ 數(shù)據(jù)獲取

感知層/數(shù)據(jù)獲取主要用于流域斷面監(jiān)測(cè)、流域生態(tài)監(jiān)測(cè)和流域環(huán)境監(jiān)測(cè)，是將物理過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的流域“神經(jīng)末梢”。 通過部署在流域端的水文、水質(zhì)及水環(huán)境等各種傳感器實(shí)時(shí)獲取多源/多維度數(shù)據(jù)，表征觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。

2.邊緣計(jì)算層

邊緣計(jì)算層主要為流域斷面數(shù)據(jù)、 流域生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和流域環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供針對(duì)性的應(yīng)用數(shù)據(jù)匯聚、輕量級(jí)局部存儲(chǔ)和處理以及智能應(yīng)用，構(gòu)成數(shù)字流域的“低位神經(jīng)中樞”。

3.數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是數(shù)字孿生流域中實(shí)現(xiàn)流域邊緣計(jì)算和數(shù)字化流域平臺(tái)的通信橋梁，是支撐流域多源數(shù)據(jù)在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與數(shù)字流域平臺(tái)之間雙向流動(dòng)的必要保障。

4.數(shù)字流域平臺(tái)

數(shù)字流域平臺(tái)包括流域數(shù)據(jù)智能（大數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理）、機(jī)理模型（機(jī)理推演和模型算法）、算力網(wǎng)絡(luò)（存儲(chǔ)、計(jì)算和云邊協(xié)同）以及集中式復(fù)雜數(shù)據(jù)/模型處理。

5.數(shù)字孿生應(yīng)用

數(shù)字孿生應(yīng)用是構(gòu)建面向水利專業(yè)應(yīng)用的服務(wù)平臺(tái)，主要包括流域防洪、水利工程安全管理、應(yīng)急管理、資源管理、 生態(tài)管理和虛擬孿生，具備預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能。

6.系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全貫穿數(shù)字孿生系統(tǒng)，保障流域各種傳感器接入、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、流域數(shù)字平臺(tái)和流域智能應(yīng)用全過程網(wǎng)絡(luò)信息安全及流域關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全。

二、數(shù)字孿生流域關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生流域是新一代信息通信技術(shù)與傳統(tǒng)流域管理技術(shù)深度融合的一系列技術(shù)的集成融合創(chuàng)新及應(yīng)用，涵蓋從全局流域特征感知到邊緣計(jì)算集成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取與處理，從邊緣計(jì)算動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流域數(shù)字孿生體與物理流域深度交互、協(xié)同到流域數(shù)字孿生體的數(shù)字主線，從大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流域人工智能算法模型到多孿生體模型的反向推演及仿真等關(guān)鍵技術(shù)。

1.面向復(fù)雜環(huán)境的低功耗新型傳感技術(shù)及綜合陣列傳感技術(shù)

流域運(yùn)行狀態(tài)的全面、準(zhǔn)確數(shù)字化表征是構(gòu)建數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)。為此，以重點(diǎn)流域水環(huán)境陣列傳感技術(shù)傳感器為數(shù)據(jù)來源，以多源數(shù)據(jù)融合為技術(shù)手段，是打造數(shù)字孿生流域的首要關(guān)鍵。 數(shù)字孿生流域低功耗重點(diǎn)流域水環(huán)境陣列傳感技術(shù)如圖3所示，具體包括以下內(nèi)容：

圖3 面向復(fù)雜環(huán)境的低功耗新型傳感技術(shù)及綜合陣列傳感技術(shù)

（1）水文測(cè)報(bào)傳感器

隨著以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)飛速發(fā)展，我國(guó)水文測(cè)報(bào)傳感器研究得到迅速發(fā)展。 水文測(cè)報(bào)關(guān)鍵要素是水位、流量、雨量。

水位傳感器：接觸式水位傳感器從傳統(tǒng)的機(jī)械式浮子水位計(jì)發(fā)展到機(jī)械電子式和機(jī)械光電式浮子水位計(jì)及壓力式、氣泡式水位計(jì)等，傳輸方法從模擬量傳輸發(fā)展到數(shù)字傳輸、總線傳輸?shù)?，同時(shí)出現(xiàn)非接觸式測(cè)量傳感器，如雷達(dá)水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、激光水位計(jì)等。

流量傳感器：目前進(jìn)行流量自動(dòng)測(cè)量的方式有纜道測(cè)流、多普勒流量計(jì)測(cè)流、超聲波時(shí)差法測(cè)流、水工建筑物（涵閘）推算流量、水位比降法推算流量、 雷達(dá)水表面波流速測(cè)量等，河道測(cè)流手段有聲學(xué)多普勒超聲波流量計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)以及聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。 多普勒超聲波流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上分為變送器和傳感器兩部分，能夠測(cè)量河道流速、流量、液位、溫度等數(shù)據(jù)，可以通過RTU 無線終端將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。 雷達(dá)流量計(jì)采用先進(jìn)的平面微波雷達(dá)技術(shù)，通過非接觸方式測(cè)量水體的流速和水位，根據(jù)內(nèi)置的軟件算法，計(jì)算并輸出實(shí)時(shí)斷面流量及累計(jì)流量，這種測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，不受溫度、濕度及風(fēng)力影響，通過RS485、MODBUS 協(xié)議接口傳輸?shù)骄徒吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)。

（2）水質(zhì)傳感器

我國(guó)現(xiàn)有的水質(zhì)檢測(cè)方法有利用便攜式水質(zhì)檢測(cè)儀人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析，水環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，利用遙感技術(shù)進(jìn)行水資源監(jiān)測(cè)，利用水生物監(jiān)測(cè)水質(zhì)等技術(shù)，無法對(duì)復(fù)雜多變的水環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模準(zhǔn)確有效的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（3）水環(huán)境傳感器

現(xiàn)有水環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法操作步驟繁瑣、檢測(cè)周期長(zhǎng)，分析儀器體積大、價(jià)格高，水環(huán)境監(jiān)測(cè)方法手段難以滿足廣域水環(huán)境流域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)及分布式組網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)的需求，水環(huán)境綜合陣列傳感器成為研究熱點(diǎn)。 因此，亟須開發(fā)面向復(fù)雜環(huán)境的低功耗重點(diǎn)流域水環(huán)境綜合陣列傳感器滿足這一需求。

2.邊緣智能與協(xié)同技術(shù)

邊緣計(jì)算是面向流域智能化需求， 構(gòu)建基于流域海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐流域泛在連接、彈性供給、高效配置的流域邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。 其本質(zhì)是通過構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集，建立面向流域輕量級(jí)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、多傳感器數(shù)據(jù)融合、特征抽取等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析與邊緣智能處理及流域云端業(yè)務(wù)的有效協(xié)同（如圖4 所示）。

圖4 邊緣智能與協(xié)同技術(shù)

3.流域通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

針對(duì)數(shù)字孿生流域的物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)傳輸問題，需要探索覆蓋重點(diǎn)流域斷面、支撐多源數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，為數(shù)字孿生流域多源數(shù)據(jù)傳輸提供安全可靠保障。

（1）面向數(shù)字孿生流域的智能傳感器安全接入

流域終端傳感設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，承擔(dān)著流域數(shù)據(jù)采集重要任務(wù)， 保證終端傳感設(shè)備安全接入、防止系統(tǒng)被非法侵入是保證數(shù)字孿生流域物聯(lián)網(wǎng)安全的重要環(huán)節(jié)。 傳統(tǒng)的智能設(shè)備接入認(rèn)證方案和身份認(rèn)證協(xié)議在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的認(rèn)證效率和安全性上存在嚴(yán)重不足。 基于區(qū)塊鏈的分布式認(rèn)證為數(shù)字孿生流域物聯(lián)網(wǎng)安全接入提供了新的解決方法和思路，然而區(qū)塊鏈融入端邊云架構(gòu)時(shí)，會(huì)面臨系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)隱私安全、參與節(jié)點(diǎn)資源和共識(shí)等多方面的挑戰(zhàn)。

（2）支撐多源數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧饔驘o線通信技術(shù)

針對(duì)建設(shè)數(shù)字孿生流域的需求，結(jié)合流域場(chǎng)景特點(diǎn)，探索面向流域無線專網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景下流域無線專網(wǎng)深度覆蓋，為數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)高效傳輸提供支撐。 目前，5G網(wǎng)絡(luò)以大帶寬、低時(shí)延、廣連接為智慧水利場(chǎng)景的立體化感知、互聯(lián)、智慧管理提供了多維度信息通信服務(wù)，然而由于流域范圍大、距離長(zhǎng)、氣候差異大，使得5G 覆蓋范圍受限。 未來隨著低軌道衛(wèi)星和6G 的發(fā)展，構(gòu)筑天空地水一體化融合組網(wǎng)技術(shù)（如圖5所示）， 將具備更廣闊的流域覆蓋范圍和泛在通信服務(wù)能力，將為數(shù)字孿生流域提供可靠的通信與數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 天空地水一體化融合組網(wǎng)技術(shù)

4.流域數(shù)字孿生體構(gòu)建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及仿真技術(shù)

流域?qū)\生體的構(gòu)建需要采集流域各要素?cái)?shù)據(jù)、 構(gòu)建各類型模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)、模型集成融合，以實(shí)現(xiàn)流域?qū)\生體與物理實(shí)體精準(zhǔn)映射鏡像。其中從流域?qū)嵕叭S建模到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生流域模型以及數(shù)字孿生模型的反向推演仿真成為數(shù)字孿生流域的核心技術(shù)。

由于流域場(chǎng)景大范圍、 長(zhǎng)距離、環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜性，流域數(shù)字孿生體構(gòu)建需要建立以流域邊緣計(jì)算匯聚數(shù)據(jù)為特征的流域特征要素狀態(tài)與行為。 因此，在數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模、流域機(jī)理建模、虛擬仿真等方面均存在很大困難。 對(duì)此，需要研究數(shù)字孿生流域的特征要素?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、 高保真孿生體構(gòu)建與仿真技術(shù)。 數(shù)字孿生平臺(tái)構(gòu)建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及仿真技術(shù)如圖6 所示。

圖6 流域數(shù)字孿生體構(gòu)建與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及仿真技術(shù)

三、數(shù)字孿生流域三角形設(shè)計(jì)模型

近十多年來，國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者在智慧流域方面進(jìn)行的探索與實(shí)踐取得了一些成效，在數(shù)字孿生流域方面也進(jìn)行了有益探索。 但是，由于超大范圍、超長(zhǎng)距離、氣候差異大、監(jiān)測(cè)監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜、傳感器類型多而復(fù)雜（地質(zhì)、氣象、水質(zhì)、水文等）以及供電、通信傳輸?shù)葐栴}，流域全維度、全要素監(jiān)測(cè)感知成為構(gòu)建數(shù)字孿生流域的直接短板；另外，由于通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面小，尚未實(shí)現(xiàn)全要素全業(yè)務(wù)連接流域業(yè)務(wù)網(wǎng)，因此數(shù)字孿生流域總體上還處于初級(jí)階段。

近年隨著5G 技術(shù)+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的實(shí)踐和探索，5G 已經(jīng)駛?cè)氚l(fā)展的快車道。 5G 技術(shù)通過聯(lián)結(jié)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等紐帶， 打通了從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析處理及決策的全過程，為數(shù)字孿生流域提供了新的方法和思路。

數(shù)字孿生流域是以數(shù)據(jù)、模型及服務(wù)為基礎(chǔ)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)還存在應(yīng)用場(chǎng)景少、技術(shù)瓶頸突破難等問題。 根據(jù)數(shù)字孿生流域場(chǎng)景特點(diǎn)，在數(shù)字孿生流域頂層設(shè)計(jì)中提出全流域場(chǎng)景統(tǒng)一的數(shù)字孿生流域三角形設(shè)計(jì)模型（如圖7 所示）。 云、邊、端數(shù)字孿生流域三角形設(shè)計(jì)模型體現(xiàn)了流域業(yè)務(wù)處理過程時(shí)效性、精確性、全面性等多方面的綜合統(tǒng)籌均衡。

圖7 數(shù)字孿生流域三角形設(shè)計(jì)模型

1.端——多源/ 多維流域傳感設(shè)備

針對(duì)流域監(jiān)測(cè)復(fù)雜的需求，在流域前端需部署滿足云端數(shù)字孿生流域需求的多種流域傳感器，以獲取多源/多維度數(shù)據(jù)。流域傳感器包括采用流域視頻、水位、雨量等集成一體化桿式水文監(jiān)測(cè)裝置，水質(zhì)全要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀以及水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2.邊——流域感知特征節(jié)點(diǎn)

根據(jù)數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)獲取的需求，結(jié)合流域場(chǎng)景大范圍、長(zhǎng)距離、環(huán)境復(fù)雜、全流域數(shù)據(jù)獲取困難的特點(diǎn)，在全流域中設(shè)置流域特征點(diǎn)（邊緣計(jì)算特征感知節(jié)點(diǎn)），獲取全部流域感知特征節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)， 然后把所有感知特征節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚到云端，這些數(shù)據(jù)就能間接反映出全流域的特征，也是數(shù)字孿生流域的直接映射數(shù)據(jù)。 流域感知特征節(jié)點(diǎn)的配置可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置、通信環(huán)境的差異而有所不同。

3.云——流域數(shù)字模型及孿生應(yīng)用中心

通過流域感知特征節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)建立流域數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)流域物理空間到數(shù)字空間的映射，從而實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生流域應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理流域空間與數(shù)字虛擬流域空間交互映射、深度協(xié)同和融合。

四、結(jié) 論

從新一代信息通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和演進(jìn)的角度，圍繞構(gòu)建數(shù)字孿生流域系統(tǒng)，探索了數(shù)字孿生流域的端、邊、云系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)字孿生流域關(guān)鍵技術(shù)，提出了從流域碎片化感知到流域全局特征感知的流域?qū)\生體構(gòu)建和數(shù)字孿生流域三角形設(shè)計(jì)模型。

由于大范圍、長(zhǎng)距離、氣候差異大，監(jiān)測(cè)監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜， 傳感器類型多而復(fù)雜，供電、通信傳輸復(fù)雜等特點(diǎn)，數(shù)字孿生流域建設(shè)成為高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，并呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域融合的新形態(tài)和新模式。 其關(guān)鍵問題亟待突破，包括面向復(fù)雜環(huán)境下低功耗新型傳感技術(shù)及綜合陣列傳感技術(shù)、覆蓋重點(diǎn)流域通信與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、邊緣智能與協(xié)同技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生流域模型以及數(shù)字孿生模型的反向推演及仿真技術(shù)。 ■