水利工程数字孪生建模与仿真应用指南

水利工程数字孪生建模与仿真应用指南范围本文件规定了水利工程数字孪生建模与仿真应用的总体要求、建模对象与边界确定、仿真计算与联算控制、应用场景实现与业务闭环、平台架构与安全合规、运行维护与持续改进等要求。本文件适用于水库大坝、闸泵枢纽、引调水工程、河湖与堤防工程、灌区与供水工程、水电站及其相关附属建筑物与机电设备等水利工程的数字孪生系统建设与应用，也适用于为水利工程提供数字孪生咨询、设计、开发、集成与运维服务的单位开展项目实施与质量控制。对采用新型结构形式、特殊材料或处于特殊环境条件的工程，可在满足有关专门规定基础上参照本文件执行。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1.1—2020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则GB/T22239—2019信息安全技术网络安全等级保护基本要求GB/T35273—2020信息安全技术个人信息安全规范术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

数字孪生digitaltwin以工程实体为对象，构建与其结构形态、物理机理、运行状态和环境边界相映射的虚拟模型，并通过数据驱动实现虚实同步、状态估计、预测推演与闭环优化的技术体系。

工程实体physicalentity水利工程的真实对象及其所处环境，包括建筑物、机电设备、监测设施、运行工况与外部边界条件等。

虚拟模型virtualmodel用于表征工程实体结构特征、物理机理与运行规律的模型集合，可包括几何模型、机理模型、数据模型与规则模型等。

孪生数据twindata用于支撑虚实映射与仿真推演的数据集合，包括静态资产数据、设计施工数据、监测数据、运行调度数据、环境边界数据与事件处置数据等。

虚实映射virtual-physicalmapping虚拟模型与工程实体在空间、时间与属性维度的对应关系，包括对象标识映射、坐标映射、参数映射与状态映射。

状态同步statesynchronization通过数据采集、融合与校准，使虚拟模型状态与工程实体状态在规定的时间尺度内保持一致的过程。

状态估计stateestimation在观测数据不完整或存在噪声条件下，利用模型与数据融合方法推断工程实体关键状态量的过程。

数据同化dataassimilation将观测数据与模型预测进行融合以修正模型状态或参数、降低不确定性的技术方法。

场景仿真scenariosimulation在给定边界条件与控制策略下，对水利工程系统响应进行计算推演的活动，用于预测、评估与方案比选。

场景库scenariolibrary按业务目标组织的仿真场景集合，包含场景定义、输入数据、模型配置、计算流程、输出指标与评估准则等。

模型校准modelcalibration利用观测或试验数据对模型参数进行识别与调整，使模型输出与实际响应在规定误差范围内一致的过程。

模型验证modelvalidation采用独立数据或工程事实对模型可信度进行检验，确认模型在既定适用边界内可用于决策支撑的过程。

不确定性uncertainty由于模型结构简化、参数误差、边界条件不确定与观测噪声等因素引起的仿真结果偏差与波动。

互联互通interoperability不同系统或平台之间通过统一接口、数据标准与身份认证机制实现数据交换、模型调用与业务协同的能力。总体要求总体原则水利工程数字孪生建模与仿真应用应遵循业务牵引、分层构建、数据治理先行、机理与数据融合、可信可用、安全合规与持续迭代的原则。数字孪生建设应服务于明确的业务目标与应用场景，不应以“模型堆砌”替代“可用能力”；模型构建应优先覆盖关键风险点与关键控制对象，并与工程运行管理流程形成闭环。建设范围与边界确定实施单位应明确数字孪生覆盖的工程对象范围、系统边界与时空尺度，至少包括：工程构成范围、水文水资源与调度边界、地形地貌与河湖边界、工况边界、数据边界以及安全边界。边界确定后应形成文件化信息，并在工程改扩建、运行规则变更或监测体系调整时进行更新。数据体系与治理要求数字孪生应建立统一的数据体系，明确数据分类分级、数据口径、数据质量规则、元数据管理、主数据管理与版本管理要求。多源数据应满足可追溯、可校验与可审计要求，水位、流量、闸门开度、渗压、位移、温度、应力、振动、设备状态等关键数据应建立采集校验、异常识别、补测补录与数据修订留痕机制。数据接口与共享应满足最小必要与授权管理原则，涉及敏感数据与个人信息的，应执行分级保护与安全审计。模型体系总体要求模型体系应与业务目标和工程特性相适配，宜采用“几何—属性—机理—行为—规则”多层耦合的方式构建。模型应具备可配置、可复用、可扩展与可维护特性，并形成模型目录与适用边界说明。模型之间的耦合关系、数据输入输出、参数含义与单位口径应统一管理，避免跨专业模型“同名异义”或“异名同义”导致的耦合错误。可信与安全要求数字孪生的仿真结果用于决策支撑时，应具备可解释性与可验证性。实施单位应建立模型可信度管理机制，至少包括校准验证、误差评估、不确定性表述、适用边界声明与复核机制。数字孪生系统应满足网络安全与数据安全要求，落实身份鉴别、访问控制、日志审计、传输与存储加密、备份恢复与应急处置等措施，确保系统稳定运行与数据不被未授权访问、篡改或泄露。建模对象与边界确定数字孪生总体架构与分层建模总体架构数字孪生建模宜采用“对象层—数据层—模型层—仿真层—应用层—展示交互层”的分层架构，并建立统一的对象标识体系与虚实映射规则，实现工程实体、监测数据与模型对象的可追溯关联。分层要素要求分层建模应明确每一层的核心要素、输入输出与质量控制要求。分层要素及说明见表1。数字孪生分层模型要素与建设要点分层核心要素建设要点对象层工程构筑物、机电设备、监测设施、运行单元、管理单元建立统一编码与台账；明确对象粒度与生命周期状态数据层静态资产数据、设计施工数据、监测数据、运行数据、环境边界数据统一口径与单位；建立数据质量规则、元数据与版本管理模型层几何模型、属性模型、机理模型、规则模型、数据驱动模型明确适用边界；参数可配置；模型目录与接口标准化仿真层状态同步、数据同化、计算调度、联算耦合、结果评估支持实时/准实时/离线多模式；形成可复现计算流程应用层调度推演、安全诊断、运维优化、风险预警、应急演练以场景库驱动；输出指标可量化；与业务流程闭环展示交互层三维可视化、态势图、报表、告警与工单、人机交互权限分级展示；关键过程留痕；支持多终端访问建模对象、粒度与时空尺度确定建模对象范围建模对象应覆盖数字孪生范围内的关键工程实体与关键运行要素，至少包括：主要建筑物、关键设备、关键监测系统以及与其耦合的水文、水动力、河床演变或环境边界。粒度确定原则模型粒度应与应用场景相匹配。面向宏观调度推演，可采用系统级或断面级粒度；面向结构安全诊断，可采用坝段级、单元体级或关键构件级粒度；面向设备运维，可采用设备—部件—状态量粒度。粒度确定应在计算时效、数据可得性与精度需求之间平衡，并形成可执行的建模分级方案。时空尺度应明确不同模型与数据的时间步长与空间分辨率，保证耦合一致性。对实时态势与预警应用，宜设置秒级至分钟级的状态同步与告警刷新；对洪水演进与调度推演，宜设置分钟级至小时级时间步长；对长期演化分析，宜设置日级至月级时间尺度，并明确跨尺度转换规则。工程对象编码、属性建模与虚实映射对象编码应建立覆盖工程实体、构件、设备、监测点位与业务单元的统一编码规则，编码应满足唯一性、可扩展性与可维护性要求。编码应与设计图纸、资产台账、运维系统与监测系统保持一致或建立映射关系。属性建模属性模型应至少包含几何属性、材料属性、结构参数、设备参数、工况参数与管理属性。属性字段应明确数据类型、单位、取值范围与来源，并实施版本管理。虚实映射规则应建立对象映射、坐标映射与状态映射规则，确保监测数据与模型对象一一对应或可按规则聚合。对监测点迁移、设备更换、构件修补等导致映射关系变化的，应保留历史映射与生效时间，确保趋势分析不被中断。数据建模、数据融合与边界条件管理数据建模应对多源数据进行结构化建模，至少包含时间戳、空间位置、对象编码、数据值、质量标识、采集来源与处理链路信息。关键数据应设置质量标签，并可追溯至原始记录或原始报文。数据融合应建立数据融合与一致性处理机制，对多源同类数据明确优先级、融合规则与冲突处置流程。对噪声显著或缺测频繁的数据，应制定滤波、插补与可信区间估计策略，并保留处理前后数据与参数。边界条件管理仿真边界条件应纳入统一管理，明确来源、更新频率、预报时效与不确定性描述。对预报数据，应建立滚动修正与后评估机制，确保仿真输入可复现、可核查。机理模型与数据驱动模型构建要求水文水动力与调度模型应根据工程类型选用适用的水文预报、水动力演算、河网调度与库群联合调度模型，并明确参数率定方法、适用洪水类型与时效边界。模型应支持工况配置与规则约束表达，输出指标应可直接支撑调度决策与风险研判。渗流—变形—应力与安全诊断模型对大坝、闸室、地下洞室等关键结构，宜构建渗流、温度场、变形与应力响应的机理模型或简化模型，并与监测数据建立校准与趋势对比机制。模型应明确材料参数来源、边界条件取值、网格或单元划分原则、收敛与稳定性控制要求，确保计算结果可解释、可验证。设备运行与健康状态模型对闸门启闭机、泵机组、水轮发电机组、阀门等设备，宜构建运行机理模型与状态诊断模型，至少覆盖振动、温升、电流、电压、油压、行程等状态量与故障模式。模型应支持在线诊断、阈值预警与剩余寿命预测性评估，并与工单管理闭环联动。数据驱动模型在机理模型难以覆盖或需要提升预测能力的场景，可采用数据驱动模型作为补充，但应满足可解释性、可复现性与适用边界声明要求。数据驱动模型训练应明确样本来源、数据清洗规则、特征工程、训练验证划分、过拟合控制与性能指标，并建立漂移监测与定期再训练机制。模型校准、验证与可信度管理校准要求模型校准应依据代表性历史工况或试验数据开展，明确校准参数集合、目标函数、误差指标与停止准则。校准过程应形成记录，包含输入数据版本、参数初值与边界、迭代过程与最终参数集。验证要求模型验证应尽量采用独立数据或不同时间段数据，验证指标应与业务目标一致。验证不通过时，应分析原因并采取模型结构修正、参数重估或数据质量改进措施。可信度分级与适用边界应建立模型可信度分级管理，至少明确“可用于展示”“可用于辅助研判”“可用于决策支撑”等不同等级的要求与证据条件，并在模型输出中附带适用边界与不确定性说明。典型仿真应用场景与模型数据配置要求数字孪生仿真应用应以场景库驱动，场景应包含场景目标、输入数据、模型组合、计算流程、输出指标与判定准则。典型仿真应用场景与建议配置要求见表2。典型仿真应用场景与模型数据配置建议场景类别场景示例主要输入数据主要模型组合关键输出指标防洪调度推演不同来水过程下库水位与下泄策略比选预报来水、下游控制水位、闸门约束、库容曲线水文预报+水动力演算+调度规则模型峰值削减率、下泄流量过程、水位过程、风险阈值触发工程安全诊断渗压异常、位移异常的原因判别与趋势预测渗压/位移/温度监测、库水位、降雨、历史工况渗流—变形机理模型+数据同化异常区定位、趋势预测、风险等级、建议处置窗口设备运维优化启闭机或泵机组健康状态评估与检修计划振动/温升/电参、运行工况、检修记录状态诊断模型+退化预测模型故障概率、剩余寿命、检修优先级、停机影响评估应急处置演练闸门失灵、突发渗漏、极端暴雨应急推演事件设定、资源配置、调度限制、通信链路场景规则模型+调度模型+处置流程模型响应时间、处置路径、影响范围、资源需求与瓶颈仿真计算与联算控制一般规定仿真计算应面向既定应用场景输出可用结果，重点满足时效性、稳定性、可解释性与可复现性要求。仿真计算的输入数据、模型版本、参数配置、计算流程与输出结果应具备可追溯关系，并形成可审计的证据链。仿真模式宜按业务需要划分为实时或准实时仿真、滚动预报仿真、离线分析仿真与专项论证仿真等类型。不同仿真模式应明确刷新周期、计算时限、允许误差范围、结果发布策略与异常处置机制。仿真计算应建立“输入校验—计算执行—结果校验—结果发布—事后评估”的闭环控制机制。对防洪调度推演、工程安全预警、应急推演等场景，应设置发布前校核与人工复核机制，避免未经校验的结果直接用于决策。仿真输入与边界条件控制仿真输入应包含静态配置数据、实时或准实时观测数据、预报数据与场景设定数据。输入数据应具备质量标签与来源标识，至少包含数据版本、生成时间、更新频率、有效期与置信度信息。对边界条件应实施统一管理，明确边界条件来源与更新策略，并建立冲突处置规则。当同一边界条件存在多源数据时，应明确优先级、融合策略或人工裁决流程，并保留裁决记录。预报类输入应建立后评估机制，对预测误差进行统计分析并用于参数修正与模型改进。预报不确定性应以区间、情景组或概率形式表达，并与风险研判输出衔接。联算耦合与模型编排数字孪生仿真宜采用“模型编排+耦合接口”的联算方式。联算应明确各模型输入输出字段、单位口径、时间步长与空间分辨率转换规则，保证耦合稳定性与数值一致性。联算耦合关系宜包括但不限于：水文预报与水动力演算耦合、调度规则与水动力演算耦合、渗流与变形耦合、温度场与应力响应耦合、设备状态与运行工况耦合、风险规则与告警策略耦合。联算编排应支持模块化配置与可切换策略，允许在不同场景下启用不同模型组合与不同精度等级。对实时或准实时应用，应优先采用计算稳定、时效可控的模型组合；对专项分析可采用高精度模型并允许更长计算时间。联算应设置耦合异常检测与降级策略。当出现模型发散、输入缺测、计算超时或接口故障时，应按预设策略采取自动重试、切换备用模型、采用简化模型、延用上一周期结果或进入人工接管等措施，并记录异常与处置过程。计算资源调度与性能要求实施单位应根据仿真规模、刷新周期与并发需求配置计算资源，宜采用云边协同或中心+边缘节点的计算架构。计算资源应支持弹性扩展、任务排队与优先级调度，确保关键业务场景计算任务优先完成。对实时或准实时场景，应明确最大允许计算时延与最小刷新周期，并建立性能监测指标体系，包括计算耗时、队列等待时长、资源占用率、任务成功率、接口延迟与结果发布延迟等。对涉及安全预警与应急指挥的关键仿真服务，应具备高可用能力与故障恢复能力，至少满足备用切换、数据备份、计算任务恢复与关键结果持续可获取的要求。结果校验、发布与不确定性表达仿真结果应设置合理性校验规则，至少包括物理边界校验、阈值校验、趋势一致性校验、与观测数据对比校验、与历史统计规律对比校验等。校验不通过的结果不得自动发布，应进入复核或降级流程。结果发布应按对象与权限分级。面向调度决策的输出应包含关键指标、约束条件触发情况、推荐方案与风险提示；面向运维与安全管理的输出应包含异常定位、可能原因、风险等级与处置建议；面向公众或外部单位的输出应执行信息发布审查与敏感信息控制。不确定性表达应与场景风险等级相匹配。对防洪调度与风险预警类输出，宜提供情景组结果、置信区间或概率描述，并明确主要不确定性来源以及对决策的潜在影响。应用场景实现与业务闭环一般规定数字孪生应用应以业务流程为载体，形成“监测感知—状态同步—诊断评估—预测推演—方案推荐—执行反馈—评估改进”的闭环。应用设计应明确触发条件、责任角色、审批路径、处置时限与留痕要求。应用功能应与现有调度系统、监测系统、运维系统、工程管理系统等形成协同，避免多平台重复录入与口径冲突。关键业务输出应可落地为工单、任务或调度指令，并可追踪执行结果。防洪调度与运行优化应用防洪调度应用应支持来水滚动预报、库水位演进预测、闸门/机组联合控制推演、多目标约束校核与方案比选。应用应明确调度约束与优先级规则。运行优化应用应支持供水、发电、生态与安全等多目标平衡，具备多情景推演能力与“可解释的推荐理由”。推荐方案应同时输出可行性校核结果与风险提示，并支持人工调整与二次推演。对调度执行反馈，应实现闸门开度、机组出力、库水位与下游水位等关键量的回传，形成“方案—执行—偏差分析—模型修正”的闭环机制。工程安全诊断与预警应用工程安全诊断应实现监测数据异常识别、状态估计、机理解释与风险分级，重点覆盖渗流、变形、应力应变、温度、振动、裂缝与渗漏等关键风险因素。诊断输出应包含异常位置、异常程度、趋势预测、可能原因与建议措施。预警策略应分级分场景配置，至少包括阈值预警、趋势预警、模型偏差预警与多指标耦合预警。预警应明确触发条件、升级路径、处置时限与复核要求，避免“告警风暴”或“漏报误报”。对涉及重大风险的预警，应联动应急预案、巡查任务与专家会商机制，形成从预警到处置的闭环记录，并可对处置有效性进行事后评估。设备运维与资产管理应用设备运维应用应支持设备状态监测、故障诊断、退化趋势识别与预测性维护建议，覆盖闸门启闭机、泵机组、水轮发电机组、阀门、配电与自动化系统等关键设备。预测性维护建议应给出依据说明，包括关键状态量变化、模型识别结果、同类设备对标与风险后果评估，并与检修计划、备品备件与停机窗口协同。资产管理应用应支持设备全生命周期台账、检修记录、故障事件、备件消耗与健康评分等信息汇聚，并与数字孪生对象编码体系一致，形成“对象—状态—事件—成本—效益”的关联分析能力。应急推演与指挥协同应用应急推演应支持典型事件场景构建与演练复盘，至少包括极端暴雨洪水、闸门失灵、供电中断、突发渗漏、滑坡堰塞风险、下游重大敏感目标受威胁等情形。应急指挥协同应实现多部门信息共享、任务分派、资源调度与态势展示，确保决策信息一致、可追溯。演练与事件处置结束后，应开展复盘评估，将发现的问题转化为场景库完善、模型修正、数据治理优化与流程改进任务。平台架构与安全合规平台总体架构要求数字孪生平台应支持多源数据接入、模型管理、计算调度、场景编排、结果服务、可视化展示与业务协同等能力，并满足可扩展、可维护与可运维要求。平台架构宜采用微服务或模块化架构，支持分层解耦与组件复用。关键服务应具备高可用部署能力，核心数据与模型服务应具备备份恢复与容灾能力。平台应建立统一身份认证与授权体系，支持跨系统单点登录或统一认证，并实现对用户、角色、组织与数据域的分级管理。数据接口、标准与互联互通平台应建立统一的数据标准与接口规范，至少明确对象编码、字段口径、时间与空间基准、单位体系、质量标签、元数据描述与版本管理要求。与监测系统、调度系统、运维系统、视频系统、遥感平台等对接时，应明确接口协议、鉴权方式、数据更新机制与异常重传策略，并形成接口文档与联调验收记录。平台互联互通应支持数据交换、模型调用与结果共享，并能够在跨层级、跨部门、跨平台场景下实现一致的标识体系与解析能力。信息安全与数据安全要求数字孪生平台应落实网络安全等级保护要求，实施网络分区分域、访问控制、边界防护、入侵检测、漏洞管理、补丁管理与安全审计等措施，并建立安全事件应急处置预案。数据安全应实施分级分类保护，明确敏感数据范围与管控要求。对关键基础设施相关数据、工程安全关键数据与调度控制数据，应执行更严格的访问控制、加密存储与传输加密措施。平台应具备日志审计能力，记录用户登录、数据访问、模型调用、参数修改、结果发布与导出共享等关键操作，并确保日志防篡改与保存期限满足管理要求。涉及个人信息的，应遵循最小必要原则，明确采集目的、范围、保存期限与访问权限，并对展示与共享进行脱敏处理。版本管理、配置管理与变更控制平台应建立模型版本、数据版本、场景版本与配置版本的统一管理机制，确保任一结果可追溯到对应版本组合。变更控制应覆盖模型更新、参数调整、数据口径调整、接口变更与规则策略变更。重大变更应开展影响分析与回归测试，并按规定流程审批后