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水 利 学 报

2022 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 3 期

文章编号：0559-9350（2022）03-0253-17

面向流域水工程防灾联合智能调度的数字孪生长江探索

黄 艳 ，喻 杉 ，罗 斌 ，李荣波 ，李昌文 ，黄 卫 3
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（1. 水利部长江水利委员会，湖北 武汉 430010；2. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；
3. 长科科学院，湖北 武汉 430010）
摘要：数字孪生流域是在融合流域空间、气象、水文、工情、经济等多源信息的数字底板基础上，耦合基于物理
机理的气象、水文、水力、水环境等专业数学模型，结合基于数据驱动的机器学习、知识图谱等技术，构建流域
自然要素与管理业务之间的响应关系，实现流域在水流、信息流、业务流、价值流的全过程实时镜像，为流域管
理和高质量发展提供技术支持。本文以长江流域防洪应用为例，以实现流域模拟、预报预警、水工程智能调度、
防洪风险评估、系统构建等功能为目标，阐述了数字孪生长江建设的总体架构，探索了数据建设、算力建设、智
能建设、平台建设等数字孪生流域构建关键技术。研究成果在数字孪生长江建设中得到应用，实现了洪水预报、
预警、预演、预案以及工程智能调度全过程模拟，为精准应对 2020 年流域性大洪水提供了技术支持，为数字孪
生流域建设提供了技术示范和经验借鉴。
关键词：数字孪生流域；水工程联合智能调度；知识图谱；调度规则
中图分类号：TV882.2；X43 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210865

1 研究背景

1.1 数字孪生概念及发展 数字孪生技术为充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集
成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中反映物理实体的全维度、全生命
期过程 ［1-2］ ，其本质是以数字化的形式在虚拟空间中构建与物理世界一致的模型，并通过信息感知、
计算、场景构建等技术手段，实现对物理世界状态的感知评估、问题诊断以及未来趋势预测，从而
对物理世界进行调控 ［3-4］ 。作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要技术，数字孪生技术在工业
［6］
［5］
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产品研发制造 、电力系统 、智慧城市 等领域建立了相对成熟的理论技术体系，并已逐步走向实
用阶段。如何在水利等传统行业领域普及与推广，提升行业管控能力，是数字孪生技术发展建设所
［8］
需要关注的重点与难点 。在当前我国各产业领域强调技术自主和数字安全的发展阶段，数字孪生技
术具有的高效决策、深度分析等特点，将有力推动数字产业化和产业数字化进程，加快实现数字经
［9］
济的国家战略 。
1.2 数字孪生流域概念及发展 数字孪生流域是智慧水利的核心，最初始于数字流域的建设和应
用。早在 1990 年代至本世纪初，我国长江、黄河等流域已经有了较低版本的数字流域，包括，采用
水位自记仪、流速仪或走航式 ADCP 测流等监测手段，基于卫星 GPRS 等信息传输技术形成了覆盖较
为全面的信息感知网，采用自主研发的新安江、马斯京根演算等水文模型，结合各种商业模型，如
丹麦水力研究所 DHI 的 MIKE11、英国 Wallingford 的 Infoworks 和荷兰三角洲研究院的 Delft-FEWS 等，
耦合气象定量降雨预报、水质模拟等模型，构建了具备实时展现及一定预见期内预测模拟、重点服
务防汛抗旱的数字流域。然而早期数字流域建设普遍存在对社会经济、人类行为等多元数据融合应

收稿日期：2021-09-22；网络首发时间：2022-03-17
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220314.1713.002.html
基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC1508005，2018YFC1508004）；长江设计公司 2019 年度自主创新项目（CX2019Z16）
作者简介：黄艳（1971-），博士，教授级高级工程师，主要从事洪水风险管理与水利信息化研究。E-mail：yhuang@cjwsjy.com.cn
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