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、OpenVDB4、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。