1、概述

        基于物理力学的水利专业模型是水利部一系列关于数字孪生流域建设技术标准和规范要求的关键技术之一，负责在数字孪生流域模拟各类防洪“四预”应用场景下的物理流域的状态及变化，构成物理流域“虚实映射”的“孪生体”。

        对于数字孪生场景中的孪生体对象有一个普遍的定义范式，如图1所示。通过物理对象本身加上物联网传感器采集的运行状态数据和物理力学方法，一起组成了物理对象孪生体。

图1 数字孪生体的定义

2、系统架构

       水利专业模型的系统整体架构图如图2所示，在服务器端通过部署的后端应用执行对特定对象的分析计算任务，如河道行洪模拟、堤坝抗滑/渗流大坝温度应力/地震动响应分析等。对分析结果的展示可从模型计算结果的原生形式进行后处理得到可同时适配低渲染平台（WebGL）和高渲染平台（OpenGL）的后处理数据，在浏览器终端2d/2d的WebGIS引擎中分别采用对应的图形API对包括水深、流速、水面高程、应力、应变、位移等在内的物理量进行片元着色和顶点着色，对抗滑安全系数、单宽渗流流量等进行图表可视化展示。

图2 水利专业模型的系统整体架构

       具体的过程为根据mqtt订阅的方式获取监测数据的异常值或者根据固定周期定期获取的物联网感知数据，对水利工程设施日常运行状态执行进行分析。分析分为两类：一类为设置定时任务，如对堤坝的渗流计算可按设定的周期自动计算，并将计算结果与设定的预警阈值进行对比，对出现的不利情况进行预警；第二类为手动推送任务，针对设施运行的历史观测数据，如不均匀沉降明显偏离正常值的情况、大坝计划开始高水位运行，或者突发强震，可将这些激励荷载作为输入，推送计算对应设施结构的响应过程。

       以这些物联网感知数据经过处理作为模型输入载荷或者边界条件提交模型计算。数值模拟的可执行文件可分布部署，将计算问题中的耗时任务并行化，如大型稀疏矩阵求解，提高计算效率。

3、产品体系&解决方案

       从本节开始介绍本公司的产品体系和解决方案，如图3所示，一共分成三大类：在线仿真计算，科学计算可视化，以及实用工具。

        其中在线仿真计算部分，包括四个子类分别是：水文水环境仿真，CFD仿真，结构有限元仿真，以及岩土体\水文地质仿真。均可以封装成后端应用和离线应用两种，后一种适用于小规模高并发计算，通过WebAssembly技术实现。

       科学计算可视化部分支持多种数据类型，如网格、点云、图像等，提供对地理信息的支持，支持地图和三维地球，并且提供了丰富的前后处理工具。

       在实用工具部分，我们提供了校验/对比工具，可实现对不同工况，不同软件计算结果的同屏查看对比，提供了前处理工具，以及仿真数据资产管理工具。

图3 水利专业模型产品体系

3.1 水文水环境仿真

       水文水环境模型，包括恒定流、非恒定流，一维、二维、三维、蓄涝区水动力模型，并考虑结构物的影响。降雨产汇水文模型，包括降雨入渗和降雨排水两种，以及管网水动力模型，并考虑各种模型之间的耦合。

       一个典型的一维-二维耦合水动力算例的计算结果如图4所示。计算流程包括输入入口流量条件，初始水深，末端出口边界条件，前端提交计算任务。实时的反馈计算过程。对一维横纵断面的多工况结果数据查看，以及二维网格的结果数据查看，分别如图5-10所示。

图4 一维-二维耦合水动力算例

图5 编辑多工况计算任务

图6 编辑时间序列入口流量条件

图7 实时反馈计算过程

图8 实时反馈后处理过程

图9 查看一维河道横断面多工况计算结果

图10 查看一维河道纵断面多工况计算结果

3.2 结构有限元仿真

       结构有限元仿真提供了丰富的材料库和单元库，从梁杆单元、三角形/四边形单元到空间体单元；提供了从几何建模、单元网格划分、模型计算到计算结果后处理的全流程功能，结构仿真模型可实现如下功能：

• 应力和变形分析

• 热分析（温度分布）

• 动态分析（振动、疲劳、冲击……）

• 跌落测试

• 非线性分析（材料非线性、几何非线性、接触非线性）

• 断裂损伤

  结构有限元仿真的两个典型算例分别如图11-12所示。

  

  图11 弧形闸门支座算例

  

  图12 参数化H型钢算例

3.3 岩土体仿真

      岩土体仿真的主要功能如下：

• 边坡抗滑安全分析（极限平衡法/强度折减法）

• 渗流分析（稳态/瞬态）

• 排水固结沉降分析

• 基坑开挖支护分析

• 降雨引起堤坡变形分析（Richards方程）

       一个典型的有限元强度折减法计算边坡抗滑安全系数的算例如下图所示。

图13 有限元强度折减法算例

3.4 CFD仿真

        CFD仿真模型可采用差分求解器求解N-S方程，可解决有粘和无粘流动、湍流和层流、可压缩流和不可压缩流、单相和多相流，并考虑可热效应和密度效应。

       下面大坝底孔和表孔泄流的CFD算例。后处理过程分别采用前端体渲染，前端几何顶点渲染，以及后端渲染。其中前端渲染考虑浏览器的承受能力已经对原始计算网格进行了降采样处理，后端渲染采用OpenVBD格式在UE引擎中实现渲染，可实现和其他数字孪生的上下游业务的无缝衔接。

图14 前端体渲染（webGPU、降采样）

图15 前端几何顶点渲染（webGPU、降采样）

图16 后端渲染（OpenGL、OpenVDB）

4、系统集成

       我们支持在国产化环境中的部署，兼容国产服务器和国产数据库。

       我们的模型代码支持跨平台，可以通过CMake工具编译成在浏览器中运行的wasm程序，桌面单机程序，以及后端服务，可实现基于线程的，基于进程的，和分布式并行。

       更加具体的，我们的前端代码有React和Vue两个版本，图形API有原生的WebGL/WebGPU版本，针对常用的ThreeJS、OpenLayers、Cesium可以做到前端组件级别的交付，针对UE引擎可以输出OpenVDB，或者其他顶点属性mesh数据，自由的进行渲染，并与上下游业务衔接。可以做到开箱即用，方便快捷。

图17 跨平台编译

图18 集成交付

5、结语

       我们的服务领域主要包括设施资产的运行评估、灾害仿真推演，以及在数字孪生场景中的应用。具体在水利数字孪生中的应用包括如下三个方面：

• 水库大坝的安全监测评价

  混凝土坝的温度应力模拟，土石坝的抗滑稳定性和渗流稳定性分析，地震动激励的影响评价等。

• 河道灌区调度运行管理

  河道调度行洪模拟，河道堤外洪泛区以及蓄涝区淹没预演，污染物扩散模拟，地下水模拟，以及灌区需水量预测以及RTC调度分配等。

• 供水调度管理

  需水预测、供水优化调度、以及水质模拟等。