本书系统阐述数字孪生水利工程的理论体系、关键技术与工程实践，分为上下册出版，构成“理论—技术—实践”的完整体系。全书以工程安全为核心，构建包含物理实体、虚拟模型、孪生数据、连接交互、应用服务的五维数字孪生水利工程体系架构，深入解析数字孪生基础理论、“天空地水工”一体化智能感知、多模型耦合仿真、孪生数据治理、虚实闭环控制及智能决策支撑技术，并以数字孪生丹江口水利工程为实例开展全链条验证，全面展现理论架构、技术路径与工程应用成效。本书理论严谨、技术翔实、实践性强，可为智慧水利、国家水网建设及“安全大坝、生态大坝、智能大坝”建设提供理论依据、技术支撑与示范参考。本书部分插图附彩图二维码，扫码可见。

更多科学出版社服务，请扫码获取。

河海大学 工程测量 学士 1992.09.01 1996.07.01 河海大学 管理工程 学士 1996.07.01 1997.08.30 长江水利委员会第十一工程勘测院 助理工程师 1997.08.10~2000.04.01 长江水利委员会长江勘测技术研究所 工程师 2000.04.01~2004.04.01 长江勘测规划设计研究院长江空间信息技术工程公司(武汉) 党委书记、董事长、总经理 2004.04.01至今 水利工程安全监测与信息化李双平，1974年3月生，正高级工程师，现任长江空间信息技术工程有限公司（武汉）董事长。中国产学研合作科技创新人物、湖北省“楚天英才”创新型企业家、湖北省“楚天英才”卓越工程师。长期扎根国家重大工程一线，深耕北斗及应用、人工智能、时空智能及数字孪生等前沿技术的水利水电工程中应用研究和成果转化，主持参与国家重点研发计划项目4项，省部级重点研发计划项目3项，国家重大水利水电工程的勘测、设计、科研及实施20余项。获2023年国家科技进二等奖1项、省部级科技奖17项、长江委科技进步特等奖1项，获授权发明专利24项，主编行业标准2部，参编国家标准3部，出版学术专著5部，发表SCI/EI论文21篇。入库国家科技专家库、中国科协智慧大坝领域评审专家。兼任中国地理信息产业协会常务理事、湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心主任、湖北省测绘地理信息学会副理事长。中国水利学会大坝安全监测专业委员会委员、湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心主任、中国地理信息产业协会常务理事、湖北省测绘地理信息学会副理事长、湖北民建北斗产业发展研究院副院长

目录
第1章 数字孪生水利工程概论 1
1.1 核心概念与研究对象 2
1.1.1 数字孪生水利工程的科学内涵 2
1.1.2 物理实体与虚拟空间的映射关系 3
1.1.3 研究对象的边界与尺度效应 5
1.2 数字孪生技术演进与工程应用范式 7
1.2.1 数字化到数字孪生的发展历程 7
1.2.2 数字孪生水利工程应用模式变迁 9
1.2.3 现有技术瓶颈与学术争议辨析 11
1.3 核心科学命题与技术挑战 14
1.3.1 多物理场耦合与时空演化机制 14
1.3.2 虚实交互的实时性与可靠性 15
1.3.3 数据驱动的模型自适应与进化 16
1.4 本书的逻辑框架与体系构建 17
1.4.1 整体逻辑框架 17
1.4.2 全书体系构建 19
1.4.3 体系构建的核心原则 21
1.5 本书的主要内容与未来展望 21
1.5.1 全书内容脉络与核心贡献 21
1.5.2 研究的局限性与待解决的问题 23
1.5.3 未来发展趋势与展望 26
参考文献 28
第2章 数字孪生水利工程体系架构研究 31
2.1 数字孪生基本概念与特征 32
2.1.1 概念及组成 32
2.1.2 典型特征 33
2.2 数字孪生技术基础与工程安全内涵 34
2.2.1 数字孪生核心构成及其在工程安全监测中的定位 34
2.2.2 面向水利工程安全管理的数字孪生典型特征 37
2.3 数字孪生水利工程体系设计原则 38
2.3.1 工程安全优先与风险聚焦原则 39
2.3.2 实时响应与技术兼容原则 39
2.3.3 可扩展与可靠性保障原则 40
2.4 基于五维模型的数字孪生水利工程安全体系架构 41
2.4.1 五维模型定义 41
2.4.2 体系架构与工程安全功能定位 44
2.4.3 五维模型之间的逻辑关系 47
2.5 数字孪生水利工程技术体系 49
2.5.1 概述 49
2.5.2 全要素数据感知与动态采集技术 50
2.5.3 高精度三维建模与场景构建技术 53
2.5.4 多源数据融合与智能分析技术 56
2.5.5 虚实实时映射与动态交互技术 61
2.5.6 仿真推演与优化决策技术 64
2.5.7 安全与运行维护保障技术 68
2.6 面向安全监测与智能管控的闭环演进体系 73
2.6.1 以安全为核心的孪生数据流与业务闭环 73
2.6.2 系统自进化、自学习、自适应的实现框架 76
2.7 与传统水利工程安全与监测的差异分析 80
2.7.1 数据维度：从碎片化采集到全要素融合 80
2.7.2 模型维度：从单一模拟到多风险耦合 81
2.7.3 交互维度：从单向展示到虚实闭环控制 81
2.7.4 应用维度：从被动应对到主动智能决策 81
2.8 本章小结 82
参考文献 83
第3章 物理实体边界与智能监测感知技术 85
3.1 物理实体的安全内涵与“人机物法环”全要素感知协同 86
3.1.1 物理实体边界定义与工程安全新范式 86
3.1.2 “人机物法环”要素解析与安全耦合机理 87
3.1.3 基于风险的多层级协同感知需求分析 89
3.2 “天空地水工”一体化全空间智能监测感知系统 90
3.2.1 智能监测感知系统架构 91
3.2.2 天域监测 92
3.2.3 空域监测 93
3.2.4 地域监测 95
3.2.5 水域监测 97
3.2.6 工域监测 99
3.2.7 跨维度数据融合与管理 101
3.3 全要素与全空间感知协同机制 104
3.3.1 核心概念界定 104
3.3.2 逻辑关系与协同运转机制 105
3.3.3 应用案例：大坝渗流异常监测协同分析 107
3.3.4 逻辑定位与协同价值 109
3.4 智能感知关键核心技术研究 109
3.4.1 BDS/GNSS高精度变形监测技术研究 109
3.4.2 无人机载移动激光扫描渠道边坡毫米级变形监测技术研究 119
3.4.3 测量机器人智能变形监测系统关键技术研究 128
3.4.4 大坝边坡深部位移监测测斜机器人研制 143
3.4.5 基于微惯导技术的智能巡检系统研究 160
3.5 面向数字孪生的感知数据闭环与质量保障体系 168
3.5.1 智能感知与数字孪生的实时映射机制 169
3.5.2 边缘智能：实时诊断与预警闭环 170
3.5.3 全生命周期数据质量管理 172
3.5.4 多源异构数据治理与标准化 175
3.5.5 感知系统的双向驱动与效能评估 176
3.6 本章小结 179
参考文献 180
第4章 虚拟模型构建与多模型耦合技术 183
4.1 虚拟模型的构成与协同机制 184
4.2 几何模型与工程安全映射 186
4.2.1 几何模型构建技术 186
4.2.2 几何模型表达优化与安全映射 194
4.3 物理模型与多物理场仿真 201
4.3.1 物理模型建模技术 202
4.3.2 多物理场仿真与模型校准验证 206
4.4 行为模型与工程安全性态预测 223
4.4.1 行为模型建模技术 224
4.4.2 工程安全性态预测 235
4.5 规则模型与智能决策支持 243
4.5.1 规则模型建模技术 244
4.5.2 智能决策支持应用 250
4.6 多模型校验更新与一致性维护 258
4.6.1 模型安全校验方法与精度验证 258
4.6.2 模型动态更新机制 259
4.6.3 多模型时空与逻辑一致性维护 261
4.7 模型自学习与精度进化机制 262
4.7.1 基于在线监测数据的模型参数自动校准 263
4.7.2 仿真结果与真实反馈的差异驱动模型迭代 266
4.8 本章小结 270
参考文献 271
第5章 孪生数据治理与融合技术 273
5.1 孪生数据基础 274
5.1.1 孪生数据体系与分类 274
5.1.2 物理实体数据 276
5.1.3 虚拟模型数据 279
5.1.4 连接交互数据 283
5.1.5 应用服务数据 288
5.1.6 知识经验数据 291
5.1.7 融合衍生数据 294
5.2 多源异构数据标准化与治理 297
5.2.1 数据标准化规范 298
5.2.2 数据清洗修复与质量评估 301
5.2.3 敏感数据分级与访问控制 307
5.3 数字孪生时空数据库构建 310
5.3.1 数据库选型与分布式存储 310
5.3.2 时空索引与高效查询优化 317
5.3.3 数据全生命周期管理与资产化 328
5.4 多源异构数据融合技术 340
5.4.1 多源异构数据融合系统架构 340
5.4.2 数据层融合 343
5.4.3 特征层融合 346
5.4.4 决策层融合 348
5.4.5 语义层融合 350
5.4.6 应用层融合 354
5.4.7 融合效果评估与优化 356
5.5 数据安全与隐私保障技术 360
5.5.1 数据加密与权限管理 361
5.5.2 冗余备份与容灾机制 364
5.5.3 数据脱敏与隐私保护 368
5.5.4 安全审计与威胁检测 372
5.6 本章小结 376
参考文献 377