基于引漢濟(jì)渭工程探討數(shù)字水利的應(yīng)用

王競(jìng)敏，王沛芝，羅 暢，宋文進(jìn)，白 鈺

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

基于數(shù)字戰(zhàn)略背景下，數(shù)字區(qū)域、數(shù)字行業(yè)逐漸發(fā)展起來，其中，數(shù)字區(qū)域包括：數(shù)字中國、數(shù)字城市等；數(shù)字行業(yè)，包括數(shù)字水利、數(shù)字交通、數(shù)字國土等。2019 年全國水利工作會(huì)議分析了當(dāng)前治水形勢(shì)，將水利信息化列為四大短板之一，全面推動(dòng)水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為行業(yè)內(nèi)發(fā)展的熱點(diǎn)問題。引漢濟(jì)渭公司在成立之初就將信息化工作擺在重要位置，堅(jiān)持需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，以信息化手段實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，數(shù)字水利建設(shè)取得一定的成績，也存在一些問題還需進(jìn)一步完善，切實(shí)推動(dòng)數(shù)字水利事業(yè)發(fā)展。

1 我國數(shù)字水利發(fā)展背景

“數(shù)字水利”就是利用數(shù)字地球思想、技術(shù)建設(shè)和改造傳統(tǒng)水利行業(yè)，實(shí)現(xiàn)水利工程規(guī)劃、建設(shè)、管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及可視化發(fā)展。簡而言之，數(shù)字水利就是將水利“裝進(jìn)”計(jì)算機(jī)中，以便于模擬、分析、研究水利自然現(xiàn)象，探索內(nèi)在規(guī)律，目前常用的現(xiàn)代技術(shù)見表1。

表1 數(shù)字水利發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)歷了多年的發(fā)展，數(shù)字水利已經(jīng)取得了以下成就：

(1)實(shí)現(xiàn)各種水利信息數(shù)字化、集成化。傳統(tǒng)水利行業(yè)信息與資料，主要圖表、文檔、文件以及音視頻等形式分別存儲(chǔ)在紙質(zhì)與其他載體上，數(shù)據(jù)使用與分析程序較為繁瑣?；跀?shù)字水利背景下，各種數(shù)據(jù)資料朝著數(shù)字化方向發(fā)展，利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與管理，基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、專題水利數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無縫整合與集成，水利專業(yè)信息處理、建模以及綜合分析、應(yīng)用十分便利、快捷。

(2)構(gòu)建水利規(guī)劃、建設(shè)管理與應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)。數(shù)字水利關(guān)鍵技術(shù)見表1，其中，3S技術(shù)是核心支撐技術(shù)，總體機(jī)構(gòu)如圖1所示。由圖分析可得，此為一個(gè)數(shù)據(jù)獲取與更新、數(shù)據(jù)分析與管理、信息提取與分析平臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)集成的有機(jī)統(tǒng)一技術(shù)平臺(tái)，為水利開發(fā)管理提供可靠的技術(shù)環(huán)境。

(3)推動(dòng)水利事業(yè)全面發(fā)展。數(shù)字水利是信息時(shí)代的產(chǎn)物，以強(qiáng)大的動(dòng)力推動(dòng)著當(dāng)代水利科學(xué)理念、技術(shù)的發(fā)展。以3S技術(shù)為例，GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))可為數(shù)字水利提供基本地理空間參考框架，也是遙感系統(tǒng)，衛(wèi)星信號(hào)攜帶大氣層溫濕度、粒度以及密度等信息；RS(遙感)可提供全息遙感影像，提供大到全球、小到某個(gè)小流域地物地貌、水資源分布等各種自然環(huán)境信息，同時(shí)借助GIS構(gòu)建可視化的三維虛擬水空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文過程、水利工程的構(gòu)建、模擬與推演，優(yōu)化水利建設(shè)方案，推廣水利科普知識(shí)，為水利工程者提供無紙辦公環(huán)境。

(4)促進(jìn)水利信息資源互通與共享。信息共享是數(shù)字水利建設(shè)的基本目的，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①構(gòu)建大型水利信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)一個(gè)部門橫向信息共享；②Internet+Web GIS技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)國家水利縱向信息共享，如：國家級(jí)至市縣級(jí)水利部門信息共享；③科研與項(xiàng)目協(xié)作實(shí)現(xiàn)水利與其他部門橫向信息共享，包括地質(zhì)、氣象、國土等，有利于大型水利工程信息協(xié)調(diào)與共享。

(5)營造數(shù)字水文化環(huán)境?；跀?shù)字水利系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)與相關(guān)政策體系、精神文化、技術(shù)更新以及數(shù)字生活、工作等要素結(jié)合構(gòu)成數(shù)字水利文化環(huán)境，實(shí)質(zhì)是從業(yè)人員、水利信息系統(tǒng)與水利業(yè)務(wù)的和諧共處。

圖1 數(shù)字水利系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 引漢濟(jì)渭工程數(shù)字水利建設(shè)背景與難點(diǎn)

引漢濟(jì)渭工程是有效緩解陜西省全局性水資源瓶頸制約、實(shí)現(xiàn)水資源配置空間均衡、支撐陜西新時(shí)代追趕超越、西安國家中心城市建設(shè)，乃至陜北能源化工基地發(fā)展的重大戰(zhàn)略性水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，也是國家“十三五”期間國家加快推進(jìn)的172項(xiàng)重大水利工程。積極推進(jìn)信息化工作，對(duì)于打造我國數(shù)字水利具有重要意義。

2.1 工程背景

引漢濟(jì)渭工程由調(diào)水工程和輸配水工程組成。一期工程采取“一次立項(xiàng)，分期配水”的建設(shè)方案，逐步實(shí)現(xiàn)2025年配水10億m3，2030年配水15億m3。一期工程在調(diào)水區(qū)漢江干流和支流子午河上分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐，通過穿越秦嶺山脈的輸水隧洞調(diào)水至關(guān)中周至縣境內(nèi)的黃池溝，由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞(黃三段和越嶺段)三大部分組成，目前在正處于全面建設(shè)階段。輸配水工程主要包括黃池溝配水樞紐、南干線黃池溝至華州171.7km、北干線黃池溝至富平131.6km以及相應(yīng)支線。受水區(qū)直接供水對(duì)象包括西安、咸陽、渭南、楊凌4個(gè)重點(diǎn)城市和所轄的11個(gè)縣級(jí)城市，1個(gè)工業(yè)園區(qū)以及西咸新區(qū)5座新城，渭河兩岸的周至、鄠邑、長安、臨潼、華州、武功、興平、涇陽、三原、閻良、富平等11個(gè)中小城市及渭北工業(yè)園區(qū)(高陵、臨潼、閻良3個(gè)組團(tuán))等共計(jì)21個(gè)受水對(duì)象。

2.2 建設(shè)難點(diǎn)

新興信息技術(shù)運(yùn)用與推廣為現(xiàn)代水利發(fā)展創(chuàng)造了新條件，基于引漢濟(jì)渭工程中數(shù)字水利的建設(shè)情況來看，主要存在以下重點(diǎn)難點(diǎn)問題：

(1)以往的水利工程大部分把信息化建設(shè)放在運(yùn)行管理階段，在工程施工期信息化應(yīng)用較少。引漢濟(jì)渭工程跨長江黃河兩大流域，施工地點(diǎn)涉及六個(gè)地級(jí)市，點(diǎn)多線長面廣。特別是總長98.3km的秦嶺輸水隧洞，是人類首次從底部橫穿世界十大山脈秦嶺屏障，多位專家院士評(píng)價(jià)其綜合難度世界第一。面對(duì)這樣一個(gè)由多個(gè)大型水利工程組合起來的超級(jí)系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的建設(shè)管理手段無法滿足工程建設(shè)管理需要。對(duì)此，如何將信息化建設(shè)與工程建設(shè)同步并行，是一大重點(diǎn)問題所在。

(2)新時(shí)代信息技術(shù)的運(yùn)用上，水利行業(yè)總體還是處于初級(jí)階段，數(shù)字水利發(fā)展中各項(xiàng)信息技術(shù)的運(yùn)用面臨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍局限、信息全面交互程差、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道擁堵、基層水利數(shù)據(jù)傳輸速度慢時(shí)效差等問題。同時(shí)，基于引漢濟(jì)渭工程全生命周期信息化管理需求下，要求加快與新一代信息新技術(shù)深度交叉融合，對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了更高的要求，需切實(shí)解決數(shù)據(jù)傳輸、不同工程業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息共享業(yè)務(wù)協(xié)同困難的問題。

(3)引漢濟(jì)渭工程中輸水隧洞流速大、流程長，面臨著復(fù)雜的氣象水文應(yīng)用環(huán)境，如何深化智慧應(yīng)用滿足實(shí)際運(yùn)行管理需求至關(guān)重要。此外，為滿足未來發(fā)展需求，新一代信息技術(shù)的智慧應(yīng)用對(duì)水利系統(tǒng)擴(kuò)展性、自我學(xué)習(xí)能力提出了更高的要求。

3 基于引漢濟(jì)渭工程探討數(shù)字水利的應(yīng)用策略

基于引漢濟(jì)渭工程數(shù)字水利建設(shè)情況，應(yīng)以“施工管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、診斷分析、應(yīng)急處置、優(yōu)化管理、生環(huán)保護(hù)、移民安置”等重點(diǎn)難點(diǎn)問題為導(dǎo)向，從工程建設(shè)管理實(shí)際需求出發(fā)，加快與新一代移動(dòng)通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息新技術(shù)深度交叉融合，全面推進(jìn)工程建設(shè)運(yùn)行管理現(xiàn)代化，為更好發(fā)揮工程作用，取得更佳經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，示范引領(lǐng)智慧水利工程建設(shè)而努力。

3.1 超前規(guī)劃，引領(lǐng)水利工程建設(shè)管理數(shù)字化

為優(yōu)化信息化設(shè)計(jì)方案，引漢濟(jì)渭公司在2016年著手規(guī)劃，委托相關(guān)單位編制《引漢濟(jì)渭工程管理調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)》，從工程建設(shè)管理需求出發(fā)，按照一次設(shè)計(jì)，分步實(shí)施，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，留足余量的思路，以調(diào)水工程為核心，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)建立包括綜合服務(wù)、智能調(diào)水、監(jiān)測(cè)預(yù)警、視頻會(huì)商及應(yīng)急、工程管理、水庫綜合管理系統(tǒng)六大應(yīng)用板塊的引漢濟(jì)渭工程信息化系統(tǒng)。先期建成調(diào)水工程骨干通訊光纜，逐步完成各個(gè)終端，使信息化從工程建設(shè)階段就充分發(fā)揮作用。

此外，信息化系統(tǒng)建設(shè)完成后，想要保持長期穩(wěn)定的健康運(yùn)行是一個(gè)難點(diǎn)。因此，引漢濟(jì)渭公司提前搭建平臺(tái)，引進(jìn)資源，成立信息化子公司，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)信息化系統(tǒng)的建設(shè)與驗(yàn)收、移交、運(yùn)行無縫銜接，做為引漢濟(jì)渭信息化系統(tǒng)的技術(shù)支撐團(tuán)隊(duì)。

3.2 融合創(chuàng)新信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字引漢濟(jì)渭

基于數(shù)字引漢濟(jì)渭建設(shè)要求，需充分融合創(chuàng)新各種信息技術(shù)，具體要點(diǎn)如下：

一是強(qiáng)化引漢濟(jì)渭業(yè)務(wù)與新一代信息技術(shù)深度融合，利用5G通訊、OTN網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為無人機(jī)、云存儲(chǔ)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、AR/VR等智能應(yīng)用提供支撐，打造以采集監(jiān)控為基礎(chǔ)、信息資源平臺(tái)為核心、智能應(yīng)用為重點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)安全體系和綜合保障體系為支撐，由一張圖和數(shù)字化模型提升展現(xiàn)和交互的智慧引漢濟(jì)渭工程。

二是以物聯(lián)網(wǎng)與智能監(jiān)控為紐帶，全面建成BIM+GIS建設(shè)管理平臺(tái)，參建各方統(tǒng)一協(xié)同，落實(shí)工程安全監(jiān)管、質(zhì)量管控、進(jìn)度管控、成本管控，廉潔管理“五大控制”，全面實(shí)現(xiàn)工程全生命周期管理。如：在黃金峽水利樞紐工程建設(shè)中，將三維BIM和GIS技術(shù)充分融合，將標(biāo)準(zhǔn)化的BIM模型有效導(dǎo)入建設(shè)管理平臺(tái)和運(yùn)行管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)、全過程的設(shè)計(jì)協(xié)同管理，在施工組織設(shè)計(jì)、專業(yè)間構(gòu)筑物相互碰撞檢查等方面取得了較好的效果。黃金峽水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計(jì)與應(yīng)用榮獲2019年第二屆中國水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用大賽二等獎(jiǎng)。

三是利用信息化手段集成和整合企業(yè)的信息流、資金流、工作流，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。目前已建成了涵蓋人員考勤、在線辦公、視頻會(huì)商、計(jì)量支付、財(cái)務(wù)共享等多個(gè)方面信息化管理板塊。

3.3 聚焦運(yùn)行需求，深化智慧應(yīng)用

一是針對(duì)復(fù)雜氣象水文應(yīng)用環(huán)境，集成實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水雨情、工情精準(zhǔn)收集、突發(fā)事件應(yīng)急照明與指揮調(diào)度。針對(duì)引水隧洞流速大、流程長等難點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)引水隧洞定期巡測(cè)與工程裂縫精準(zhǔn)修復(fù)的水下機(jī)器人，服務(wù)于引水隧洞工程管理，創(chuàng)建工程智慧應(yīng)用的空中大腦和水下衛(wèi)士。

二是結(jié)合預(yù)期需求，鑄造智能調(diào)度體系。基于大數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水資源優(yōu)化調(diào)配、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜等技術(shù)，構(gòu)建易擴(kuò)展的、智能化的調(diào)度體系，最大程度減少棄水和能耗，提升工程運(yùn)行調(diào)度效率。

三是面向未來，構(gòu)建智慧型水利工程?；诖髷?shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，通過不斷地自我強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在監(jiān)控設(shè)備、調(diào)整參數(shù)、應(yīng)急突發(fā)情況等方面形成正向?qū)W習(xí)機(jī)制，進(jìn)一步提高自我分析、處理和操控能力，創(chuàng)建智慧型水利工程標(biāo)桿。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代水利事業(yè)中，數(shù)字水利建設(shè)是一大重要發(fā)展方向，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須做到整體布局、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、先急后緩、注重實(shí)效。在水利工程建設(shè)與運(yùn)營管理中，應(yīng)注重用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)水利，以信息化帶動(dòng)水利行業(yè)，以水利信息化推動(dòng)水利現(xiàn)代化，全面促進(jìn)數(shù)字水利的實(shí)現(xiàn)與完善。