Page 13 - 水利水电工程施工管理概论

第一章 水利水电工程智慧管理——以数字孪生流域建设为例

第一章 水利水电工程智慧管理——以数字

孪生流域建设为例

第一节 相关概念及研究缘起

一、数字孪生流域概念辨析

（一）数字孪生流域定义
数字孪生可追溯到美国密歇根大学 Grieves 教授于 2003 年前后在其产品全生
命周期管理课程上提出的“与物理产品等价的虚拟数字表达”概念，当时没有被

称为数字孪生，却具备了数字孪生的基本组成要素，被认为是数字孪生的雏形。
2010 年，数字孪生由 NASA 首次书面提出并给出了定义，即充分利用物理模型、

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，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
2014 年，Grieves 教授提出数字孪生概念模型包括 3 个主要部分：实体空间中的
物理产品，虚拟空间中的虚拟产品，将虚拟产品和物理产品联系在一起的数据和

信息的连接。尽管其他科研机构、企业和学者也各自提出对数字孪生的理解，但
仍是以上述概念为基础，针对不同的使用目的进行阐述。陶飞等在 Grieves 数字
孪生三维模型基础上发展出五维模型，包括物理实体、虚拟实体、服务、数据和

连接。随着大数据和人工智能的发展，知识作为核心要素将在数字孪生研究中发
挥重要作用。与数字孪生流域相关的数字孪生地球被定义为可用数据和物理规律
约束的地球系统状态和时间演进进行数字复制的信息系统，该定义的核心要素包

括虚拟地球空间（数字复制）、数据、知识（物理规律约束）以及服务（信息系统）。
综合上述研究成果，将数字孪生五维模型扩展为六维模型，包括物理实体、
虚拟实体、连接、服务、数据和知识。由此，将数字孪生六维模型和流域治理管

理相结合，提出数字孪生流域包括物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋
能服务、孪生流域数据及孪生流域知识 6 个基本要素。在 6 个要素协同下，完成

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