Разработка архитектуры цифрового двойника экосистемы водного объекта для сохранения экологической устойчивости
Ключевые слова:
цифровой двойник, водные ресурсы, экосистема водного объекта, управление природными ресурсами, экспертная системаАннотация
Целью работы является разработка архитектуры цифрового двойника экосистемы водного объекта для обеспечения экологической устойчивости, включая мониторинг, прогнозирование и управление водными ресурсами в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений. В работе предложена модульная архитектура цифрового двойника, включающая модуль сбора и слияния мультимодальных данных, цифровые модели экосистемы, экспертную систему, модуль регулирования нормативно-правовой базы, геоинформационную систему, модуль графического представления данных. Архитектура основана на интеграции данных с сенсоров, спутников, метеостанций и систем дистанционного зондирования, с применением моделей машинного обучения и больших языковых моделей для анализа нормативной документации. Разработана архитектура цифрового двойника водного объекта, позволяющая в реальном времени отслеживать параметры экосистемы, оценивать соответствие нормативам, формировать отчёты и рекомендации для субъектов природопользования и органов управления. Проведено тестирование эффективности различных моделей обработки правовых текстов, выявлены оптимальные подходы к их семантическому анализу. Обоснована возможность интеграции цифрового двойника в систему государственного регулирования природных ресурсов. Предложенная авторами архитектура цифрового двойника представляет собой комплексный инструмент устойчивого управления водными ресурсами, обеспечивающий прогнозирование состояния водных объектов, своевременное выявление рисков и формирование научно обоснованных управленческих решений, способствуя снижению экологических угроз и сохранению водных ресурсов.
Литература
1. Jones K.R., Venter O., Fuller R.A., Allan J.R., Maxwell S.L., Negret P.J., Watson J.E. One-third of global protected land is under intense human pressure // Science. 2018. vol. 360. no. 6390. pp. 788–791. DOI: 10.1126/science.aap9565.
2. Liu M., Nie Z., Cao L., Wang L., Lu H. Nature-Based Solutions for the Restoration of Groundwater Level and Groundwater-Dependent Ecosystems in a Typical Inland Region in China // Water. 2024. vol. 16. no. 1. DOI: 10.3390/w16010033.
3. Bao N., Song W., Ma J., Chu Y. Multi-Source Remote Sensing Analysis of Yilong Lake’s Surface Water Dynamics (1965–2022): A Temporal and Spatial Investigation // Water. 2024. vol. 16. no. 14. DOI: 10.3390/w16142058.
4. Chen M., Zhang R., Jia M., Cheng L., Zhao C., Li H., Wang Z. Accurate and rapid extraction of aquatic vegetation in the China side of the Amur River Basin based on Landsat imagery // Remote Sensing. 2024. vol. 16. no. 4. DOI: 10.3390/rs16040654.
5. Chao F., Jiang X., Wang X., Lu B., Liu J., Xia P. Water level fluctuation rather than eutrophication induced the extinction of submerged plants in Guizhou’s Caohai Lake: Implications for lake management // Water. 2024. vol. 16. no. 5. DOI: 10.3390/w16050772.
6. Li Y., Tong J., Wang L. Full implementation of the river chief system in China: Outcome and weakness // Sustainability. 2020. vol. 12. no. 9. DOI: 10.3390/su12093754.
7. Li H., Jin L., Si Y., Mu J., Liu Z., Liu C., Zhang Y. Lake Restoration Improved Ecosystem Maturity Through Regime Shifts – A Case Study of Lake Baiyangdian, China // Sustainability. 2024. vol. 16. no. 21. DOI: 10.3390/su16219372.
8. Aksoy B. Flood Analysis in Lower Filyos Basin Using HEC-RAS and HEC-HMS Software // Sustainability. 2025. vol. 17. no. 11. DOI: 10.3390/su17115220.
9. Grochowska J.K., Gozdziejewska A.M., Augustyniak-Tunowska R. Changes in the Buffer Properties of the Restored Lake Complex // Sustainability. 2024. vol. 16. no. 18. DOI: 10.3390/su16187990.
10. Skwierawski A. Contemporary Evolution and Water Quality of Lakes Rewetted After 19th Century Drainage in the Olsztyn Lake District (Poland) // Water. 2024. vol. 16. no. 24. DOI: 10.3390/w16243661.
11. Tammeorg O., Chorus I., Spears B., Noges P., Nurnberg G.K., Tammeorg P., Sondergaard M., Jeppesen E., Paerl H., Huser B., Horppila J., et al. Sustainable lake restoration: From challenges to solutions // Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 2024. vol. 11. no. 2. pp. DOI: 10.1002/wat2.1689.
12. Epe T.S., Finsterle K., Yasseri S. Nine years of phosphorus management with lanthanum modified bentonite (Phoslock) in a eutrophic, shallow swimming lake in Germany // Lake and Reservoir Management. 2017. vol. 33. no. 2. pp. 119–129. DOI: 10.1080/10402381.2016.1263693.
13. Kasprzak P., Gonsiorczyk T., Grossart H.P., Hupfer M., Koschel R., Petzoldt T., Wauer G. Restoration of a eutrophic hard-water lake by applying an optimised dosage of poly-aluminium chloride (PAC) // Limnologica. 2018. vol. 70. pp. 33–48. DOI: 10.1016/j.limno.2018.04.002.
14. Шайтура С.В., Митрофанов Е.М., Жаров В.Г., Феоктистова В.М. Инфраструктура пространственных данных для цифрового двойника лесной экосистемы // Дизайн и технологии. 2022. № 91-92(133-134). С. 160–168.
15. Lee S., Kalmus P., Ferraz A., Goodman A., Pearson K., Doran G., Platt F., Hu B., Ekanayaka A., Chakraborty S. Ecopro: Ecological Projection Digital Twin // IGARSS 2024 – IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2024. pp. 2311–1214.
16. Hu D., Zhou C., Xie F. Application of Digital Twin Technology in Assessing the Level of Water Ecological Civilization Construction in Yangtze River Basin // Hydraulic Structure and Hydrodynamics. 2024. pp. 343–352. DOI: 10.1007/978-981-97-7251-3_30.
17. Потапов В.П., Кузьмин Д.Г., Сероус Т.О. Научно-практические основы проекта «Цифровой Ускат» и особенности его реализации // Уголь. 2022. № 11(1161). С. 40–47. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-11-40-47.
18. Global Runoff Data Centre. URL: https://portal.grdc.bafg.de/applications/public.html?publicuser=PublicUser#dataDownload/Home (дата обращения: 25.09.2025).
19. HydroSHEDS. URL: https://www.hydrosheds.org/ (дата обращения: 25.09.2025).
20. USGS National Water Dashboard. URL: https://dashboard.waterdata.usgs.gov/app/nwd/en/?aoi=default (дата обращения: 25.09.2025).
21. ФГИС «Экомониторинг». URL: https://rfi.mnr.gov.ru/projects/247/ (дата обращения: 25.09.2025).
22. Frolov A.V., Asmus V.V., Borshch S.V., Vil’fand R.M., Zhabina I.I., Zatyagalova V.V., Krovotyntsev V.A., Kudryavtseva O.I., Leont’eva E.A., Simonov Y.A., Stepanov Y.A. GIS-Amur system of flood monitoring, forecasting, and early warning // Russian Meteorology and Hydrology. 2016. vol. 41. pp. 157–169. DOI: 10.3103/S1068373916030018.
23. GIS «Meteo DV» URL: https://meteo-dv.ru/ (дата обращения: 25.09.2025).
24. Дерюгина В.В., Василенко Е.В., Кровотынцев В.А., Кухарский А.В. Технологические решения при создании спутникового сегмента информационной системы мониторинга наводнений в бассейне р. Волга // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2022. Т. 4. С. 40–47. DOI: 10.33764/2618-981X-2022-4-40-47.
25. Дерюгина В.В., Борщ С.В., Кровотынцев В.А., Симонов Ю.А. ВЕБ ГИС системы мониторинга и прогнозирования гидрологической обстановки в бассейнах крупных рек России с использованием наземных и спутниковых данных // Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 11–15 ноября 2019). М.: ИКИ РАН, 2019. С. 84.
26. Фролова Н.Л., Самсонов Т.Е., Киреева М.Б., Семин В.Н., Эн-тин А.Л. Веб-приложение «Водный режим рек Европейской территории России»: структура и функциональные возможности // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2024. № 2. С. 6–22. DOI: 10.35567/19994508-2024-2-6-22.
27. Щепетова В.А. Основы математического моделирования в экологии: монография. Пенза: ПГУАС. 2015. 122 с.
28. Dihan M.S., Akash A.I., Tasneem Z., Das P., Das S.K., Islam M.R., Islam M.M., Badal F.R., Ali M.F., Ahamed M.H., et al. Digital twin: Data exploration, architecture, implementation and future // Heliyon. 2024. vol. 10. no. 5. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26503.
29. Patonai K., Fabian V.A. Comparison of three modelling frameworks for aquatic ecosystems: practical aspects and applicability // Community Ecology. 2022. vol. 23. no. 3. pp. 439–451. DOI: 10.1007/s42974-022-00117-3.
30. Bai J., Zhao J., Zhang Z., Tian Z. Assessment and a review of research on surface water quality modeling // Ecological Modelling. 2022. vol. 466. DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2022.109888.
31. Воеводина Л.А., Воеводин О.В. О необходимости внесения изменений в водный комплекс РФ // Экология и водное хозяйство. 2021. Т. 3. № 2. С. 99–112. DOI: 10.31774/2658-7890-2021-3-2-99-112.
32. Josefsson H. The Water Framework Directive and Transnational Situations: A Call to Rethink Transboundary Water Management? // Journal for European Environmental & Planning Law. 2025. vol. 22. no. 1-2. pp. 168–186. DOI: 10.1163/18760104-22010209.
33. Biswas S., Dandapat B., Alam A., Satpati L. India’s achievement towards sustainable Development Goal 6 (Ensure availability and sustainable management of water and sanitation for all) in the 2030 Agenda // BMC Public Health. 2022. vol. 22. no. 1. DOI: 10.1186/s12889-022-14316-0.
34. Матвеева А.Р., Антонов Е.В. Методика формирования базы данных характеристик сложного технологического объекта с использованием больших языковых моделей. Вестник НИЯУ МИФИ. 2024. Т. 13(5). pp. 350–357. DOI: 10.26583/vestnik.2024.5.7.
35. Бирюкова Е.Д., Миронов А.С. Методы подготовки данных для алгоритмов классификации текста // Информационные технологии XXI века: сборник научных трудов. Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2023. С. 180–185.
36. Фролова Л.Л., Мингазова Н.М. Сравнительный анализ выбора восстановительных технологий для озер Кабан г. Казани // Вестник Тамбовского университета, сер.: Естественные и технические науки. 1996. Т. 1. № 2. С. 166–168.
37. Meeting on the elimination of industrial wastewater releases into Sredniy Kaban Lake. URL: https://eco.tatarstan.ru/eng/index.htm/news/127082.htm?ysclid=mjka2htb45872 248994 (дата обращения: 10.12.2025).
2. Liu M., Nie Z., Cao L., Wang L., Lu H. Nature-Based Solutions for the Restoration of Groundwater Level and Groundwater-Dependent Ecosystems in a Typical Inland Region in China // Water. 2024. vol. 16. no. 1. DOI: 10.3390/w16010033.
3. Bao N., Song W., Ma J., Chu Y. Multi-Source Remote Sensing Analysis of Yilong Lake’s Surface Water Dynamics (1965–2022): A Temporal and Spatial Investigation // Water. 2024. vol. 16. no. 14. DOI: 10.3390/w16142058.
4. Chen M., Zhang R., Jia M., Cheng L., Zhao C., Li H., Wang Z. Accurate and rapid extraction of aquatic vegetation in the China side of the Amur River Basin based on Landsat imagery // Remote Sensing. 2024. vol. 16. no. 4. DOI: 10.3390/rs16040654.
5. Chao F., Jiang X., Wang X., Lu B., Liu J., Xia P. Water level fluctuation rather than eutrophication induced the extinction of submerged plants in Guizhou’s Caohai Lake: Implications for lake management // Water. 2024. vol. 16. no. 5. DOI: 10.3390/w16050772.
6. Li Y., Tong J., Wang L. Full implementation of the river chief system in China: Outcome and weakness // Sustainability. 2020. vol. 12. no. 9. DOI: 10.3390/su12093754.
7. Li H., Jin L., Si Y., Mu J., Liu Z., Liu C., Zhang Y. Lake Restoration Improved Ecosystem Maturity Through Regime Shifts – A Case Study of Lake Baiyangdian, China // Sustainability. 2024. vol. 16. no. 21. DOI: 10.3390/su16219372.
8. Aksoy B. Flood Analysis in Lower Filyos Basin Using HEC-RAS and HEC-HMS Software // Sustainability. 2025. vol. 17. no. 11. DOI: 10.3390/su17115220.
9. Grochowska J.K., Gozdziejewska A.M., Augustyniak-Tunowska R. Changes in the Buffer Properties of the Restored Lake Complex // Sustainability. 2024. vol. 16. no. 18. DOI: 10.3390/su16187990.
10. Skwierawski A. Contemporary Evolution and Water Quality of Lakes Rewetted After 19th Century Drainage in the Olsztyn Lake District (Poland) // Water. 2024. vol. 16. no. 24. DOI: 10.3390/w16243661.
11. Tammeorg O., Chorus I., Spears B., Noges P., Nurnberg G.K., Tammeorg P., Sondergaard M., Jeppesen E., Paerl H., Huser B., Horppila J., et al. Sustainable lake restoration: From challenges to solutions // Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 2024. vol. 11. no. 2. pp. DOI: 10.1002/wat2.1689.
12. Epe T.S., Finsterle K., Yasseri S. Nine years of phosphorus management with lanthanum modified bentonite (Phoslock) in a eutrophic, shallow swimming lake in Germany // Lake and Reservoir Management. 2017. vol. 33. no. 2. pp. 119–129. DOI: 10.1080/10402381.2016.1263693.
13. Kasprzak P., Gonsiorczyk T., Grossart H.P., Hupfer M., Koschel R., Petzoldt T., Wauer G. Restoration of a eutrophic hard-water lake by applying an optimised dosage of poly-aluminium chloride (PAC) // Limnologica. 2018. vol. 70. pp. 33–48. DOI: 10.1016/j.limno.2018.04.002.
14. Шайтура С.В., Митрофанов Е.М., Жаров В.Г., Феоктистова В.М. Инфраструктура пространственных данных для цифрового двойника лесной экосистемы // Дизайн и технологии. 2022. № 91-92(133-134). С. 160–168.
15. Lee S., Kalmus P., Ferraz A., Goodman A., Pearson K., Doran G., Platt F., Hu B., Ekanayaka A., Chakraborty S. Ecopro: Ecological Projection Digital Twin // IGARSS 2024 – IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2024. pp. 2311–1214.
16. Hu D., Zhou C., Xie F. Application of Digital Twin Technology in Assessing the Level of Water Ecological Civilization Construction in Yangtze River Basin // Hydraulic Structure and Hydrodynamics. 2024. pp. 343–352. DOI: 10.1007/978-981-97-7251-3_30.
17. Потапов В.П., Кузьмин Д.Г., Сероус Т.О. Научно-практические основы проекта «Цифровой Ускат» и особенности его реализации // Уголь. 2022. № 11(1161). С. 40–47. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-11-40-47.
18. Global Runoff Data Centre. URL: https://portal.grdc.bafg.de/applications/public.html?publicuser=PublicUser#dataDownload/Home (дата обращения: 25.09.2025).
19. HydroSHEDS. URL: https://www.hydrosheds.org/ (дата обращения: 25.09.2025).
20. USGS National Water Dashboard. URL: https://dashboard.waterdata.usgs.gov/app/nwd/en/?aoi=default (дата обращения: 25.09.2025).
21. ФГИС «Экомониторинг». URL: https://rfi.mnr.gov.ru/projects/247/ (дата обращения: 25.09.2025).
22. Frolov A.V., Asmus V.V., Borshch S.V., Vil’fand R.M., Zhabina I.I., Zatyagalova V.V., Krovotyntsev V.A., Kudryavtseva O.I., Leont’eva E.A., Simonov Y.A., Stepanov Y.A. GIS-Amur system of flood monitoring, forecasting, and early warning // Russian Meteorology and Hydrology. 2016. vol. 41. pp. 157–169. DOI: 10.3103/S1068373916030018.
23. GIS «Meteo DV» URL: https://meteo-dv.ru/ (дата обращения: 25.09.2025).
24. Дерюгина В.В., Василенко Е.В., Кровотынцев В.А., Кухарский А.В. Технологические решения при создании спутникового сегмента информационной системы мониторинга наводнений в бассейне р. Волга // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2022. Т. 4. С. 40–47. DOI: 10.33764/2618-981X-2022-4-40-47.
25. Дерюгина В.В., Борщ С.В., Кровотынцев В.А., Симонов Ю.А. ВЕБ ГИС системы мониторинга и прогнозирования гидрологической обстановки в бассейнах крупных рек России с использованием наземных и спутниковых данных // Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 11–15 ноября 2019). М.: ИКИ РАН, 2019. С. 84.
26. Фролова Н.Л., Самсонов Т.Е., Киреева М.Б., Семин В.Н., Эн-тин А.Л. Веб-приложение «Водный режим рек Европейской территории России»: структура и функциональные возможности // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2024. № 2. С. 6–22. DOI: 10.35567/19994508-2024-2-6-22.
27. Щепетова В.А. Основы математического моделирования в экологии: монография. Пенза: ПГУАС. 2015. 122 с.
28. Dihan M.S., Akash A.I., Tasneem Z., Das P., Das S.K., Islam M.R., Islam M.M., Badal F.R., Ali M.F., Ahamed M.H., et al. Digital twin: Data exploration, architecture, implementation and future // Heliyon. 2024. vol. 10. no. 5. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26503.
29. Patonai K., Fabian V.A. Comparison of three modelling frameworks for aquatic ecosystems: practical aspects and applicability // Community Ecology. 2022. vol. 23. no. 3. pp. 439–451. DOI: 10.1007/s42974-022-00117-3.
30. Bai J., Zhao J., Zhang Z., Tian Z. Assessment and a review of research on surface water quality modeling // Ecological Modelling. 2022. vol. 466. DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2022.109888.
31. Воеводина Л.А., Воеводин О.В. О необходимости внесения изменений в водный комплекс РФ // Экология и водное хозяйство. 2021. Т. 3. № 2. С. 99–112. DOI: 10.31774/2658-7890-2021-3-2-99-112.
32. Josefsson H. The Water Framework Directive and Transnational Situations: A Call to Rethink Transboundary Water Management? // Journal for European Environmental & Planning Law. 2025. vol. 22. no. 1-2. pp. 168–186. DOI: 10.1163/18760104-22010209.
33. Biswas S., Dandapat B., Alam A., Satpati L. India’s achievement towards sustainable Development Goal 6 (Ensure availability and sustainable management of water and sanitation for all) in the 2030 Agenda // BMC Public Health. 2022. vol. 22. no. 1. DOI: 10.1186/s12889-022-14316-0.
34. Матвеева А.Р., Антонов Е.В. Методика формирования базы данных характеристик сложного технологического объекта с использованием больших языковых моделей. Вестник НИЯУ МИФИ. 2024. Т. 13(5). pp. 350–357. DOI: 10.26583/vestnik.2024.5.7.
35. Бирюкова Е.Д., Миронов А.С. Методы подготовки данных для алгоритмов классификации текста // Информационные технологии XXI века: сборник научных трудов. Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет, 2023. С. 180–185.
36. Фролова Л.Л., Мингазова Н.М. Сравнительный анализ выбора восстановительных технологий для озер Кабан г. Казани // Вестник Тамбовского университета, сер.: Естественные и технические науки. 1996. Т. 1. № 2. С. 166–168.
37. Meeting on the elimination of industrial wastewater releases into Sredniy Kaban Lake. URL: https://eco.tatarstan.ru/eng/index.htm/news/127082.htm?ysclid=mjka2htb45872 248994 (дата обращения: 10.12.2025).
Опубликован
2026-04-06
Как цитировать
Миронов, А. С., Саенко, А. А., & Фомина, Е. С. (2026). Разработка архитектуры цифрового двойника экосистемы водного объекта для сохранения экологической устойчивости. Информатика и автоматизация, 25(2), 323-351. https://doi.org/10.15622/ia.25.2.3
Раздел
Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний
Copyright (c) Александр Александрович Саенко, Андрей Сергеевич Миронов, Екатерина Сергеевна Фомина
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).