基于數(shù)字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺研發(fā)與應用

盧建華 劉曉琳 張玉炳 徐琨

摘要：當前中國水庫大壩安全管理具有點多面廣、安全狀態(tài)時空多維演變、監(jiān)測數(shù)據(jù)海量且多源異構(gòu)、監(jiān)管機構(gòu)多層級等特點。為提高水庫大壩安全管理水平，研究面向以監(jiān)控和管理為主要目的的多層級安全監(jiān)管需求，在充分梳理相關(guān)業(yè)務流程體系的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字孿生技術(shù)，給水庫大壩安全運行管理提供新的展示方式和分析手段。運用以物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云計算等為核心的信息化技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、計算和綜合利用，進而提出一套基于數(shù)字孿生技術(shù)的水庫大壩安全管理云服務平臺方案，并從數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)、云服務平臺架構(gòu)、運行支撐環(huán)境建設(shè)、業(yè)務功能設(shè)計等方面進行了論證。研究成果在安徽省梅山水庫大壩成功投入實際運行，實現(xiàn)了水庫大壩安全監(jiān)控與管理的智能化、可視化、實時化、標準化。

關(guān)鍵詞：水庫大壩; 云服務平臺; 數(shù)字孿生; 安全監(jiān)控; 安全管理

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.015

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0081 - 06

0 引 言

中國重要的水庫大壩都建有大壩安全監(jiān)測信息采集及管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與安全管理，但無法形象高效地實現(xiàn)大壩安全狀態(tài)的實時分析及診斷預警，不能滿足多層級水庫大壩安全管理需求，亟需引進新理論、新技術(shù)和新模式，從工程措施和非工程措施兩方面發(fā)力，切實提高水庫大壩安全管理水平。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云計算、數(shù)字孿生等現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展并逐步成熟，為有效解決水庫大壩安全運行問題提供了新途徑。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期過程[1]。數(shù)字孿生其實就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。

數(shù)字孿生體被創(chuàng)建在信息化平臺上，相比較于設(shè)計圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點在于它是對實體對象的動態(tài)仿真。它“動”的依據(jù)來自本體的物理設(shè)計模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運行的歷史數(shù)據(jù)。本體的實時狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件都會復現(xiàn)到“孿生體”身上[2]。除了“會動”之外，數(shù)字孿生還具備“全生命周期”“實時/準實時”“雙向”等特點。

中國已經(jīng)在戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)層面提出眾多重大科技專項[3-4]，有力促進了數(shù)字孿生應用發(fā)展，該技術(shù)有效用于衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫(yī)療、制造車間、智慧城市等諸多行業(yè)領(lǐng)域，覆蓋設(shè)計、建造、運行管理、預警監(jiān)控、故障診斷以及健康管理等全過程。

數(shù)字孿生在其他行業(yè)成功運用，并展現(xiàn)出廣闊的應用場景，水庫大壩與其他工程一樣具備從設(shè)計建造到運行管護的全過程，因此迫切需要探索數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務應用相結(jié)合的數(shù)字化新模式[5]，數(shù)字孿生技術(shù)的應用必將改變水利行業(yè)傳統(tǒng)管理模式，給水庫大壩的監(jiān)管帶來更加便捷科學的技術(shù)手段[6-8]。

1 大壩安全管理的數(shù)字孿生技術(shù)

為支撐水庫大壩數(shù)字化運行安全管理，研發(fā)了1套完整的高性能、強擴展、易使用的水庫大壩安全數(shù)字孿生支撐技術(shù)。

1.1 大壩安全數(shù)字孿生應用需求體系

按國家、地方政府和業(yè)主單位的政策文件，進行總體布署和頂層設(shè)計，廣泛調(diào)研當前水庫大壩的工程現(xiàn)狀、管理現(xiàn)狀、信息化建設(shè)現(xiàn)狀，以工程基本情況、業(yè)務管理情況、應用系統(tǒng)使用情況為突破口，分析數(shù)字孿生應用建設(shè)需求及發(fā)展趨勢，理清安全監(jiān)測業(yè)務關(guān)鍵點和孿生應用技術(shù)重難點。

1.2 大壩安全運行管理體系與數(shù)字孿生應用框架

在業(yè)務需求和發(fā)展趨勢的充分調(diào)研基礎(chǔ)上，梳理首頁一張圖、基本信息、水雨情、預報調(diào)度、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、閘門監(jiān)控、綜合管理、系統(tǒng)管理等業(yè)務的流程、指標、運行體系，建立面向多層級、多類別、多目標的孿生應用框架。

1.3 大壩安全數(shù)字孿生應用標準組件庫

以業(yè)務內(nèi)在邏輯為出發(fā)點，分別建立由BIM，GIS，傾斜攝影等組成的三維展示模塊化組件庫;由水工建筑物、監(jiān)測斷面、監(jiān)測點等組成的安全監(jiān)測模塊化組件庫;由雨量計、滲壓計、流量計、水溫計、GNSS、應力計等組成的儀器模塊化組件庫;由水質(zhì)模型、氣象預報模型、水文預報模型、調(diào)洪演算模型、防洪調(diào)度模型、大壩安全預報預警模型等組成的服務模型模塊化組件庫;以及由彈窗、列表、餅圖、柱狀圖等組成的結(jié)果展示模塊化組件庫。統(tǒng)一組件的開發(fā)、封裝及接口的技術(shù)標準，實現(xiàn)從組件、業(yè)務、應用到平臺的完全解耦。

1.4 大壩安全數(shù)字孿生支撐平臺

采用標準化、模塊化、可視化、智能化的開發(fā)思路，建立水庫大壩安全平臺框架，利用圖形化編輯方式，按照具體項目業(yè)務流程需要，在可視化條件下模塊化組件的快速拼裝，減少開發(fā)人員的重復勞動，提高水庫大壩安全信息化系統(tǒng)的開發(fā)效率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)低成本、少維護、高效率、大規(guī)模的應用。支撐平臺支持三維可視化數(shù)字場景構(gòu)建，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)之間無縫融合，以及與現(xiàn)實世界的動態(tài)映射。

2 云服務平臺架構(gòu)

水庫大壩安全管理云服務平臺旨在通過信息化技術(shù)手段建立一套滿足水利主管部門多層級管理需要（圖1）、保障水庫大壩安全運行的業(yè)務平臺[9]，它對水利工程運行數(shù)據(jù)進行采集、分析、處理以實現(xiàn)對運行環(huán)境、工程狀態(tài)等全方位的監(jiān)控和管理，輔以日常管理功能，達到用一套系統(tǒng)解決水利工程管理單位所有問題的目的，它是水利工程現(xiàn)代化管理的具體體現(xiàn)。

平臺通過采集水庫大壩的水情、雨情、工情、監(jiān)測、圖像等信息，構(gòu)建相應的數(shù)字孿生體，綜合分析水利工程當前運行的狀況和歷史過程，通過相關(guān)模型演算未來發(fā)展趨勢，并運用建立的水庫大壩安全診斷與預警指標方法體系，實現(xiàn)異常智能化識別和自動化預警報警。除此之外，系統(tǒng)設(shè)置管理功能，可以對轄區(qū)內(nèi)的水庫進行綜合調(diào)度和系統(tǒng)評價，并根據(jù)需要制定分析統(tǒng)計報表。

整個系統(tǒng)分為6個層級，分別是數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、應用層和表現(xiàn)層（圖2）。

（1） 數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要是獲取實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括水位、雨量、流量、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)視、閘門監(jiān)控等各種水庫信息采集點的傳感設(shè)備，數(shù)據(jù)采集層與其他層次之間的數(shù)據(jù)通信以無線為主，有線為輔。

（2） 基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層包括工程管理局和政務云兩部分，均包含服務器設(shè)備、存儲備份系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、安全基礎(chǔ)設(shè)施、視頻會議及會商系統(tǒng)以及其他用于數(shù)據(jù)傳輸、存儲和利用的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施。

（3） 數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是為了合理地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲而設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，采用標準數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，數(shù)據(jù)存儲和劃分可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型、格式和傳輸方式來進行，包括元數(shù)據(jù)庫、指標分析數(shù)據(jù)庫、公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、水庫管理業(yè)務專業(yè)數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫等。

（4） 應用支撐層。應用支撐平臺層是為應用系統(tǒng)的運行提供輔助支撐，主要包括GIS平臺、視頻監(jiān)視平臺、應用服務中間件、報表中間件、工作流引擎、服務總線等。

（5） 應用層。應用層是指面向業(yè)務的各類應用服務，按照業(yè)務功能劃分為水庫基本信息服務、水雨情監(jiān)測服務、大壩安全監(jiān)測服務等業(yè)務，該業(yè)務應用層基于SOA架構(gòu)進行部署，可以根據(jù)業(yè)務的實際情況進行動態(tài)擴充和刪減，不僅滿足當前業(yè)務需要，而且能夠支持將來業(yè)務的擴展，而不影響整體的層次架構(gòu)。

（6） 表現(xiàn)層。表現(xiàn)層是業(yè)務系統(tǒng)在客戶端的具體表現(xiàn)，它是業(yè)務和信息的集中體現(xiàn)。展示的媒介包括PC客戶端和移動客戶端，包括Web應用系統(tǒng)和移動應用APP兩種形式，展示方式是以BIM模型和二、三維GIS為基礎(chǔ)實現(xiàn)數(shù)字孿生，展示內(nèi)容包括實時展示及分析數(shù)據(jù)、文字、表格、圖形等。

3 云服務平臺功能設(shè)計

水庫大壩安全管理云服務平臺采用面向服務的思想進行設(shè)計，由數(shù)據(jù)中心、數(shù)字孿生平臺、統(tǒng)一業(yè)務平臺及搭建在該平臺上的防汛管理相關(guān)信息化業(yè)務系統(tǒng)構(gòu)成，提供多元業(yè)務應用和多級用戶交互的防汛業(yè)務處理以及專業(yè)智能的決策支持，滿足多業(yè)務類型、組織架構(gòu)和規(guī)程規(guī)范要求。水庫大壩安全管理云服務平臺的功能模塊涵蓋縣市級水利管理部門水庫群管理的主體業(yè)務，旨在建立信息集中、業(yè)務全面、風格統(tǒng)一、交互友好的綜合性水利工程管控一體化平臺。系統(tǒng)功能所述如下：

（1） 一張圖。借助于三維數(shù)字孿生，通過“一張地圖”的形式展示水庫相關(guān)工程的監(jiān)測和統(tǒng)計信息，以可視化、形象化、立體化的方式將水庫的主要信息進行集中展示。

（2） 水雨情。及時了解水情、雨情實時信息和歷史變化過程。以表格、曲線、柱狀圖的形式呈現(xiàn)水位統(tǒng)計、多雨量站統(tǒng)計，提供環(huán)比、同比功能，實現(xiàn)中長期的水雨情分析。通過建立的洪水預報模型，做好來水預報，并智能提供調(diào)度方案。

（3） 安全監(jiān)測。全面掌握大壩安全監(jiān)測現(xiàn)狀和變化過程，繪制實時浸潤線和等值線，提供分布圖對比和輪播功能以掌握浸潤變化過程。通過建立回歸分析、有限元分析模型為數(shù)據(jù)分析提供專業(yè)性補充。提供巡視檢查在線填報、上報機制，真正實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題、報告問題和解決問題的流程化管理[10]。

此外，通過數(shù)字孿生相關(guān)模型演算未來發(fā)展趨勢，并運用建立的水庫大壩安全診斷與預警指標方法體系，實現(xiàn)異常性態(tài)智能化識別和自動化預警報警，并給出初步推薦處置方案。

（4） 防洪調(diào)度。針對水庫的防洪業(yè)務需求，主要從防汛值班管理、防汛物資管理、輔助應急事件處理以及閘門監(jiān)控等方面支撐水庫安全度汛。

（5） 灌區(qū)管理。提供可視化的灌區(qū)管理，制定灌溉計劃，跟蹤計劃執(zhí)行，按需統(tǒng)計灌溉實績，實現(xiàn)可視化設(shè)備監(jiān)控、檢修維護，建立設(shè)備請購上報流程制度，實現(xiàn)灌區(qū)有效的調(diào)度，提供來水預報、優(yōu)化配水等技術(shù)模型輔助灌區(qū)科學化管理。

（6） 電站管理。全面形象地展示電站整體運行狀況，了解機組、開關(guān)站等主要設(shè)備的工作狀態(tài)，展示運行參數(shù)和統(tǒng)計報表，實現(xiàn)交接班、操作票流程化管理，建立安全生產(chǎn)制度。

（7） 水質(zhì)監(jiān)測。集水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測、分析于一體，具備實時可視化監(jiān)測、專業(yè)模型分析、水質(zhì)污染應急處置等。

（8） 視頻監(jiān)控。集成視頻監(jiān)控相關(guān)軟件及硬件設(shè)備，實現(xiàn)水庫實時視頻監(jiān)控及歷史資料檢索查看。

（9） 綜合管理。不僅具有水庫日常運行管理中的維修養(yǎng)護、管理考核、單元化管理、安全生產(chǎn)管理，而且整合了辦公自動化系統(tǒng)、流程管理、檔案管理等模塊，更能提供數(shù)據(jù)在線可視化整編、資料分析報告自動生成功能，全面滿足水庫管理的信息化需要。

4 關(guān)鍵技術(shù)

水庫大壩安全管理云服務平臺在技術(shù)路線選擇時通盤平衡處理運行效率、開發(fā)效率、擴展靈活性和系統(tǒng)健壯性，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)。

4.1 基于混合存儲架構(gòu)的大數(shù)據(jù)存儲方案

經(jīng)過多次測試和比選，選用HDFS作為大數(shù)據(jù)文件存儲解決方案，MongoDB分布式存儲作為對象數(shù)據(jù)存儲方案，MySQL分布式部署作為關(guān)系型數(shù)據(jù)和時序數(shù)據(jù)存儲方案。設(shè)計了兩個混合數(shù)據(jù)存儲服務集群，原始數(shù)據(jù)存儲集群和成果數(shù)據(jù)存儲集群。系統(tǒng)通過ETL服務，把各水庫的原始數(shù)據(jù)，第三方機構(gòu)提供的水文氣象數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)抽取到原始數(shù)據(jù)集群進行數(shù)據(jù)存檔?；贖adoop分布式計算框架MapReduce，搭建計算模型云，搭載水情預報模型、調(diào)度演算模型、氣象預報模型、回歸分析模型、相關(guān)性分析模型、浸潤線分析模型、滲透坡降分析模型等，并提供后續(xù)模型能力擴展接口。通過集群模型計算后，將成果數(shù)據(jù)匯聚到成果數(shù)據(jù)混合存儲集群中備用。通過微服務集群調(diào)用成果數(shù)據(jù)集群中的數(shù)據(jù)，使用微服務網(wǎng)關(guān)進行心跳管理、負載均衡管理、服務使用權(quán)限管理等，使用WebAPI為水庫管理機構(gòu)、水行政管理機構(gòu)、流域管理機構(gòu)、第三方服務機構(gòu)提供數(shù)據(jù)服務。

4.2 多級緩存熱點數(shù)據(jù)交互方法

緩存是內(nèi)存中存儲數(shù)據(jù)備份。為保證程序的高性能、可用性，減少數(shù)據(jù)的重復存取或計算過程的消耗，對高頻熱點數(shù)據(jù)進行緩存處理尤為重要。

基于大數(shù)據(jù)平臺下的多級緩存熱點處理方法，通過采用Redis集群緩存能保證數(shù)據(jù)的安全寫入、一致性（非強一致性）、可用性（容忍少量節(jié)點出錯）;同時采用消息隊列機制一方面能平衡用戶的數(shù)據(jù)消費與集群訪問關(guān)系，另一方面也能發(fā)現(xiàn)高頻、異常數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)對熱點數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析等。

4.3 BIM+GIS融合技術(shù)

為應對BIM+GIS融合的技術(shù)難題，更好地實現(xiàn)三維BIM模型與三維地圖的結(jié)合，并支撐水庫大壩安全數(shù)字孿生應用，云服務平臺采用國產(chǎn)主流的GIS軟件產(chǎn)品，實現(xiàn)BIM主流數(shù)據(jù)的無損接入、BIM數(shù)據(jù)到GIS平臺的精準匹配等關(guān)鍵技術(shù)，保證BIM數(shù)據(jù)與三維實體模型無縫對接技術(shù)，借助三維實體數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)在GIS平臺中的分析及運算能力，為BIM+GIS應用提供了有力的技術(shù)和平臺支撐。

5 工程應用

基于數(shù)字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺，專注于水庫大壩安全管理業(yè)務。為驗證開發(fā)的水庫大壩安全數(shù)字孿生支撐成套技術(shù)與安全管理云服務平臺的實際工程應用效果，在安徽省梅山水庫進行了試點運用。梅山水庫位于淮河中游南岸支流史河上游的金寨縣境內(nèi)，總庫容22.64億m3，水庫以防洪為主，承擔為淮河干流蓄洪的任務，是結(jié)合灌溉、發(fā)電、航運及水產(chǎn)等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程[11-12]?！笆濉币詠?，梅山水庫在加快水利信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時，重點完善了水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、防汛調(diào)度自動化系統(tǒng)、工程管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建設(shè)水庫大壩安全管理平臺。

梅山水庫大壩安全管理平臺以水庫大壩安全數(shù)字孿生支撐成套技術(shù)為基礎(chǔ)，整合二、三維GIS，建立數(shù)字孿生運行體系平臺，接入大壩滲流滲壓、變形監(jiān)測、壩體溫度等近300支自動化監(jiān)測儀器，通過WebAPI實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時接入，用戶也可以通過操作數(shù)字孿生體實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)召測，與儀器設(shè)備進行互動（圖3）。另外，梅山水庫大壩安全管理平臺還通過在數(shù)字孿生環(huán)境中建立各項監(jiān)測對象的預警指標體系，實現(xiàn)大壩安全動態(tài)預警，為運行管理提供智能化指導。梅山水庫試點運行取得了優(yōu)異的應用效果反饋，極大提高了水庫大壩安全運行管理水平，降低了相關(guān)技術(shù)人員的工作壓力。

6 結(jié) 語

傳統(tǒng)的信息展示方式已經(jīng)不能滿足新時期水庫大壩監(jiān)管需要，數(shù)字孿生技術(shù)為水利工程管理帶來了新的展示方式，它具備全生命周期、實時或準實時、數(shù)據(jù)雙向流動等特點，為水利工程管理智慧化轉(zhuǎn)型提供了新理論、新技術(shù)和新模式。數(shù)字孿生在水利工程管理方面的應用還處于初級階段，要想實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)實狀況完全孿生，還需將水利專業(yè)與GIS、BIM技術(shù)更好地融合，進一步實現(xiàn)水庫大壩安全的理論突破、技術(shù)探索、業(yè)務理解和模式創(chuàng)新。本文提出的基于數(shù)字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺可為中國大壩安全管理運行提供借鑒。

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（編輯：李 晗）

Development and application of cloud service platform for dam safety

monitoring and management based on digital twin

LU Jianhua1，2， LIU Xiaolin1，2， ZHANG Yubing1，2， XU Kun1，2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China）

Abstract： At present， the safety management of reservoir dams in China is characterized by a wide range of dam points， multi-dimensional spatio-temporal evolution of safety state， massive monitoring data with multi-source heterogeneity， and multi-level regulatory agencies. In order to improve the safety management level of reservoir dams， we carried out the research oriented to the multi-level safety supervision requirements with the main purpose of monitoring and management. On the basis of fully combing the relevant business process system， the Digital Twin technology is introduced to provide a new display mode and analysis means for the safe operation management of reservoir and dam， and the information technology with Internet of things， edge computing and cloud computing as the core is used to realize data collection， transmission， storage calculation and comprehensive utilization， and then put forward a set of cloud service platform scheme for reservoir and dam safety management based on Digital Twin， which is demonstrated in detail from the aspects of Digital Twin technology implementation， cloud service platform architecture， operation support environment construction， business function design and so on. Relevant research results have been successfully put into practical operation in Meishan reservoir dam in Anhui Province， realizing intelligent， visual， real-time and standardized monitoring and management of reservoir dam safety.

Key words： reservoir dam; cloud service platform; Digital Twin; security monitoring; security management