长期以来，我国一直面临着严重的生态环境问题，水资源严重流失，洪涝灾害频发。为了解决这些问题，我们迫切需要加速国家水网建设。将数字孪生技术应用于水利工程的水利数字孪生建设，能够有效应对这些生态环境问题。通过全区域统一的数字孪生水网，可以对水利业务进行一体化、一图化的整合管理，打破各分区的信息壁垒，实现综合统筹规划。此外，利用数字孪生模型进行推演、感知、预警，能有效减少旱涝灾害所带来的损害。
一、数字孪生技术
1.数字孪生原理
数字孪生是近年来飞速发展的一种前沿技术，通过数字化手段将物理世界的对象映射到虚拟数字世界中，构建出一个与之完全对应的数字模型。这个数字模型可以实时接收物理对象的各项数据，并对其进行处理和分析，从而实现对物理对象的全面监控和预测。数字孪生技术集成了传感器和大数据处理等多种技术，通过传感器采集物理对象的实时数据，再经过数据处理和分析，构建出数字模型的动态演化过程，最终实现对物理对象全生命周期的精准模拟和预测。
2.数字孪生水利
数字孪生水利即利用数字孪生技术进行水利工程的相关建设，是集约、统一、开放、共享的水利智能中枢平台，为上层应用提供统一、规范、标准、智能和可视化的服务支撑。
数字孪生水利通过数字化手段对水利工程进行设计和建造，实现水利工程的数字化、智能化和精细化。数字孪生水利的原理是将水利工程与信息技术相结合，利用数字孪生技术构建出一个与实际水利工程完全对应的数字模型，实现数据实时交互、融合，对水利工程进行全面监控和预测。数字孪生水利的应用可以大幅提升水利工程的智能化运行管理水平，增强水利工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科学决策能力和精准执行能力，为解决水资源短缺、水生态保护、水灾害防范等挑战提供有力支持。
二、数字孪生水网建设
数字孪生水网建设包括数字底板、模型库、知识引擎和人际互动四个板块，各板块有机结合实现统筹管理。
1.数据底板
对河湖流域和水利设施进行细致的数据采集进而建立数据底板。在沿线交界断面、引水枢纽、重要控制性工程等位置建立水位、流量、水质、工情等自动采集系统，实时监测并收集相关场所和设备设施的工作状态。
数据底板汇聚数字孪生水网传输的各类数据，为水利系统的运算、推演和决策提供必要的数据支持。通过统一的物联网平台系统解决水网各部的信息孤岛问题，实现各河湖流域和水利系统之间的信息共享和流通，建立统一的归一、标准化的物联数据模型。
2.模型库
数字孪生模型在数字孪生水网中发挥着关键作用，是实现全面感知和可视化管控的核心。通过数据在模型上的可视化呈现，数字孪生水网能够实现对水况、水利、水灾的预测、预报、预警和预演。通过建立河湖流域、水坝泵站等区域和设施的数字化模型，能够实现对水网的全面的、可视化的观测和评估。此外，通过模型呈现，可以从多尺度分析物理流域要素变化、活动规律和相互关系，进一步提升水利感知能力。
3.知识引擎
数字孪生水网建设结合了大数据等多种技术，通过内置计算模型和优化算法，为日常引水调度形势研判和数据治理提供智慧支持。通过各部分采集的数据，结合人工智能学习集成知识引擎，构建知识库体系，形成区域防洪、水资源调配、工程安全智能预警和综合决策支持系统。这有助于实现监测感知、报警保护、决策优化全智能支持，提高水利系统的智能化水平。
同时，行业知识库的建立还有助于打破各部分之间的信息壁垒，提升行业从业人员的水平，对水利行业的整体发展起到积极的推动作用。
4.人机交互
人机交互是数字孪生技术的核心特点之一。通过基于模型的可视化呈现，管理人员能够获得三维立体的沉浸式体验，并实时与孪生体数据进行交互。这使得管理人员能够直接从模型出发，对物理流域进行高效的调度和优化。
基于智能知识引擎，数字孪生水网具备强大的智能决策和分析能力。人机交互功能为决策者提供了直观而深入的数据展示和分析，帮助他们更好地理解水网的运行规律和潜在问题。在此基础上，决策者可以做出更加科学和合理的决策，进一步提高水利系统的运行效率。此外，通过模拟推演，这些决策和优化结果可以再次呈现到数字化模型上，进一步验证和优化方案的可行性。
数字孪生水网以数字孪生技术为核心，结合多种技术手段，通过可视化模型和人工智能引擎的强大功能，实现对物理流域和设备设施的精准管控。数字孪生水利建设在推动水利高质量发展方面发挥着至关重要的作用，是新阶段水利高质量发展的坚实基础和有力支撑。随着数字孪生技术的不断发展和完善，我们有理由相信数字孪生水网将在未来发挥更加重要的作用，为水利行业的可持续发展提供强大的技术保障。
