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大坝地震动力响应分析系统的数据底板需要包含地震动监测信息、坝体三维模型和物理力学参数
等三方面数据。在现有的水利工程数字孪生系统数据底板构建方面，唐文坚等 ［16］ 依据 《数字孪生水利
工程建设技术导则（试行）》 ［17］ 提出利用遥感技术、无人机建模和包含地震动监测等在内的多类型传感
器技术，联合构建空天地一体化的水利工程监测体系，以建立包含三维模型和坝体监测信息的数据底
板。李智等 ［18］ 整合 GIS、BIM 和无人机倾斜摄影模型建立坝区数据底板，并基于 Unity3D 实现了的三维
可视化。孟庆庆等 ［19］ 结合水文和气象数据，融合数字高程模型和 BIM 技术，构建了小浪底水利工程的
工程级别数据底板。上述研究的地震动监测信息和三维模型构建技术虽然能够为大坝地震动力响应分
析提供基本的地震动输入和几何模型，但是仍缺乏坝体材料的物理力学参数数据。坝体材料参数受大
坝施工质量影响，呈现空间不均匀分布特征，对大坝的抗震性能产生重要影响 ［20-21］ 。然而，实际工程
通常仅进行有限的大坝材料物理力学参数实验，难以表征整个大坝的材料非均质性。因此，有必要在
大坝地震动力响应分析系统的数据底板中引入考虑施工质量监控信息 ［22-23］ ，建立大坝材料物理力学参
数非均质性量化的模型，并分析整个大坝材料参数的空间分布特征，以有效提高分析结果的准确性。
在地震分析系统的专业模型方面，现有研究主要采用有限元方法 ［24-25］ 分析结构地震过程中的应
力、应变和位移等动力响应。由于有限元方法消耗算力大、计算时间长，不利于地震系统的震时快速
分析和决策，相关学者提出了包括降阶模型 ［26-27］ 和数据驱动模型 ［28］ 在内的代理模型。其中，数据驱动
代理模型能够通过机器学习算法和深度学习算法捕捉数据的隐藏特征，将结构响应分析这一隐式过程
转换为更新参数和响应之间的函数关系，避免输入地震动条件变化时重复的结构响应建模计算。数据
驱动代理模型主要包括响应面模型 ［29-30］ 、径向基函数 ［31］ 、多项式混沌扩展 ［32］ 、多元自适应回归样条 ［33］
等，部分研究 ［34-35］ 利用集成学习构建组合代理模型以提升模型计算精度。然而，大坝地震响应分析结果
具有显著的时域和三维空间分布特征，现有代理模型随着输入、输出维度的增加，大多都会出现维度爆
炸的问题 ［36］ ，仅能对少数观测点位的地震分析结果进行建模，难以表征大坝地震响应的时空分布特征。
在地震分析系统的可视化方面，Lu 等 ［37］ 提出了基于 GPU/CPU 协同计算的城市地区建筑物地震损
伤的粗粒度并行模拟方法，并对地震损伤的模拟结果进行可视化。Zheng 等 ［38］ 基于真实信息建立虚拟
数字建筑模型，通过数据映射来构建同步的建筑倒塌过程可视化方法。熊琛等 ［39］ 提出了建筑对象识别
算法和楼面外形生成算法构建城市三维多边形模型，并通过建筑位移插值和网格重划分处理实现了建
筑群地震动力响应可视化。Xu 等 ［40］ 在无人机倾斜摄影构建的城市建筑群基础上，通过并行计算和纹
理映射等技术实现了地震动力响应仿真结果的可视化分析。但上述研究目前仅实现了通过播放预制动
画 ［41］ 来可视化地震过程，尚缺乏基于动力响应快速分析结果的数据驱动可视化研究。
为解决现有研究的不足，本文提出数字孪生框架下大坝地震动力响应时空分析系统构建方法。在
系统数据底板方面，基于无人机建模和参数化建模实现大坝三维高保真建模，通过虚拟传感器对坝区
自 由 场 地 震 动 信 息 进 行 感 知 ， 提 出 施 工 质 量 影 响 下 基 于 迁 移 学 习 和 残 差 网 络（Residual Networks，
ResNet）的大坝材料参数非均质性分析模型对全坝材料参数进行空间分布的准确分析；在专业模型方

面 ， 提 出 基 于 pix2pixHD（High Definition picture-to-picture translation with conditional generative adver‐
sarial networks）的大坝地震响应分析时空全域代理模型，快速分析整个大坝的地震动力响应时空分布
特征；在系统可视化方面，提出基于 CUDA （Compute Unified Device Architecture） 加速三维物理场计
算的大坝地震动力响应可视化方法，提高专业模型的计算效率。

2 大坝地震动力时空响应分析系统的数字孪生框架

为了实现大坝地震动力时空响应的快速准确分析和可视化，分别针对系统数据底板、专业模型和
可视化方法进行改进。基于水利部数字孪生建设理念，结合大坝地震动力响应具有复杂时域和三维空
间分布的特点，提出大坝地震动力响应分析系统的数字孪生框架，如图 1 所示。在系统数据底板构建
时，针对地震动监测信息、坝体三维模型和物理力学参数，分别通过虚拟传感器 ［42］ 对坝区自由场地震

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