水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺(tái)技術(shù)與應(yīng)用

周超　唐海華　李琪　羅斌　馮快樂(lè)

摘要：利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬虛擬水場(chǎng)景是智慧水利建設(shè)的新要求之一。目前水利行業(yè)主要通過(guò)數(shù)據(jù)模擬展示虛擬的水體場(chǎng)景，但該方法難以有效解決實(shí)際水利業(yè)務(wù)發(fā)生動(dòng)態(tài)演化、應(yīng)用需求存在差異化的決策問(wèn)題。因此，基于數(shù)字孿生理念研究水利業(yè)務(wù)的建模技術(shù)具有十分重要的意義。構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)問(wèn)題與決策流程的孿生建模平臺(tái)，通過(guò)對(duì)水利對(duì)象、模型、方案、應(yīng)用的可視化建模，動(dòng)態(tài)建立映射真實(shí)業(yè)務(wù)的孿生應(yīng)用。通過(guò)該平臺(tái)構(gòu)建了長(zhǎng)江流域的水工程預(yù)報(bào)調(diào)度業(yè)務(wù)體系，有效支撐了長(zhǎng)江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)在數(shù)字孿生流域中高效管理水利業(yè)務(wù)起到一定推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生; 水利業(yè)務(wù); 決策流程; 組件技術(shù); 動(dòng)態(tài)建模; 長(zhǎng)江流域

中圖法分類號(hào)： TP399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.034

0引 言

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和建設(shè)，中國(guó)各流域已建成由水庫(kù)、堤防、蓄滯洪區(qū)、涵閘泵站等組成的復(fù)雜工程體系，流域管理已逐步從建設(shè)專項(xiàng)運(yùn)行管理進(jìn)入后工程管理時(shí)期[1]。為響應(yīng)水利部加強(qiáng)智慧水利建設(shè)工作的號(hào)召，水利行業(yè)引入其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)提升傳統(tǒng)水利的管理手段[2]，加強(qiáng)數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)的應(yīng)用[3]?！皵?shù)字孿生”是真實(shí)世界的復(fù)制，是對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行深度數(shù)字化的分析和模擬[4]，目前在城市建設(shè)與工業(yè)領(lǐng)域使用廣泛[5]。水利行業(yè)與數(shù)字孿生的結(jié)合尚處于初級(jí)階段，目前應(yīng)用主要集中于通過(guò)地理信息、感知測(cè)量等實(shí)現(xiàn)水流狀態(tài)的映射以及對(duì)工程構(gòu)造的虛擬模型建設(shè)[6-7]，實(shí)現(xiàn)水場(chǎng)景的可視化展現(xiàn)。但在流域預(yù)報(bào)、工程調(diào)度等涉及演算與決策過(guò)程的業(yè)務(wù)工作領(lǐng)域未見(jiàn)深入應(yīng)用，主要體現(xiàn)在缺少基于數(shù)字孿生思維的水利業(yè)務(wù)建模概念，缺乏相關(guān)問(wèn)題建模及模擬運(yùn)行的支撐技術(shù)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)水利業(yè)務(wù)孿生概念展開探討，提出研究水利業(yè)務(wù)孿生建模平臺(tái)總體框架以及相應(yīng)的數(shù)字孿生建模技術(shù)，最后通過(guò)長(zhǎng)江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)際案例，展示了該平臺(tái)的應(yīng)用效果。

1水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生及其建模

水利業(yè)務(wù)如防洪調(diào)度、水資源調(diào)度等，是指通過(guò)人工手段干涉，基于水利專業(yè)理論、有效計(jì)算分析與合理決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的科學(xué)精細(xì)化管理。數(shù)字孿生技術(shù)是對(duì)真實(shí)世界的復(fù)制，本文基于此概念，以客觀水流、水信息流以及水利業(yè)務(wù)流構(gòu)成水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生場(chǎng)景，如圖1所示。

1.1客觀水流

真實(shí)世界中客觀的、流動(dòng)的水流，是整個(gè)體系的基底，隨著時(shí)間的發(fā)展，客觀水流不斷地演化發(fā)展，對(duì)自然及人類社會(huì)產(chǎn)生影響。

1.2水利信息流

通過(guò)高效、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，采集客觀水流中的天然河湖、水利工程的狀態(tài)信息，通過(guò)信息手段將這些對(duì)象的狀態(tài)在數(shù)字虛擬空間中建模并同步，即為水利信息流。目前水利數(shù)字孿生的應(yīng)用多屬于本部分，管理者可以通過(guò)虛擬化的水場(chǎng)景，迅速掌握廣泛流域下的水信息。

1.3水利業(yè)務(wù)流

以水利信息流為承載，管理者通過(guò)預(yù)報(bào)、調(diào)度等水利業(yè)務(wù)手段，形成對(duì)水工程的調(diào)控運(yùn)行方案，對(duì)客觀水流的自然發(fā)展施加干涉，減少水災(zāi)害影響、提升水資源利用能力。從實(shí)際工作的角度，通過(guò)虛擬場(chǎng)景中疊加數(shù)據(jù)再現(xiàn)水利場(chǎng)景，提供了決策數(shù)據(jù)和場(chǎng)景的運(yùn)行基礎(chǔ)，后續(xù)執(zhí)行的水利業(yè)務(wù)分析演算決策過(guò)程，是影響運(yùn)行及管理的關(guān)鍵，亦是水利業(yè)務(wù)數(shù)字化場(chǎng)景運(yùn)轉(zhuǎn)的核心內(nèi)容。

1.4水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模

本文所討論的水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模如圖2所示。其中包含：各類水利對(duì)象相互銜接組成的復(fù)雜流域水利網(wǎng)絡(luò)，以及工程調(diào)控計(jì)算、徑流演進(jìn)模擬等影響水流過(guò)程的計(jì)算過(guò)程。基于此建模，可進(jìn)一步構(gòu)造水利決策支持系統(tǒng)中的決策應(yīng)用。相比水利信息流是對(duì)實(shí)體水場(chǎng)景進(jìn)行建模映射，水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模主要面向水利調(diào)控決策等業(yè)務(wù)流程的抽象過(guò)程，是水利專業(yè)結(jié)合數(shù)字孿生的深化拓展。

目前，對(duì)水利決策業(yè)務(wù)的數(shù)字化支撐，主要有國(guó)內(nèi)各地建設(shè)的防汛抗旱一期、二期指揮系統(tǒng)等，通過(guò)調(diào)度管理模型和調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，發(fā)揮專業(yè)調(diào)度技術(shù)的支撐作用[8]。但是這些系統(tǒng)均只能作為單一水利業(yè)務(wù)的應(yīng)用實(shí)例，且不同流域地方主要通過(guò)定制化開發(fā)完成，不能為流域產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)、水工程聯(lián)合調(diào)控等業(yè)務(wù)提供通用的運(yùn)行底座，尚不能滿足水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生支撐的需求。

2水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生，利用組件化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)手段，研究建立水利業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生建模平臺(tái)。

2.1平臺(tái)構(gòu)建思路

平臺(tái)總體技術(shù)路線如圖3所示。面向流域運(yùn)行管理業(yè)務(wù)應(yīng)用，將可視化配置與增量式開發(fā)相結(jié)合，支持各類專業(yè)應(yīng)用功能、關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速搭建。

用戶可利用本平臺(tái)的服務(wù)，進(jìn)行水利管理業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生建模，內(nèi)容包括：工程項(xiàng)目、水利計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)象、水利計(jì)算模型及參數(shù)、水利功能流程及展示交互等。由平臺(tái)智能解析服務(wù)配置信息，自動(dòng)生成專業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，整個(gè)過(guò)程基本無(wú)需代碼編程等傳統(tǒng)軟件開發(fā)手段。

2.2平臺(tái)邏輯及功能架構(gòu)

平臺(tái)將水利專業(yè)模型、計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)流技術(shù)、可視化搭建技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，動(dòng)態(tài)映射與搭建實(shí)際決策問(wèn)題，建立可維護(hù)的水利業(yè)務(wù)作業(yè)過(guò)程。

總體服務(wù)體系如圖4所示，主要包含：水利業(yè)務(wù)對(duì)象配置、水利業(yè)務(wù)模型配置、水利業(yè)務(wù)方案配置、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用配置以及驅(qū)動(dòng)配置生效的解析與智能組裝服務(wù)。各項(xiàng)配置內(nèi)容覆蓋了一項(xiàng)水利業(yè)務(wù)所需的基本要素，能夠?qū)崿F(xiàn)面向不同應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用環(huán)節(jié)與范圍的動(dòng)態(tài)決策響應(yīng)，按需快速搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（1） 水利業(yè)務(wù)對(duì)象配置與水利業(yè)務(wù)模型配置，為對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)所涉及的水利對(duì)象、計(jì)算模型等提供實(shí)例化注冊(cè)及管理服務(wù)，為搭建復(fù)雜應(yīng)用提供基礎(chǔ)元素。

（2） 水利業(yè)務(wù)方案配置，面向用戶在實(shí)際業(yè)務(wù)中所需要計(jì)算分析的問(wèn)題，通過(guò)可視化的界面，對(duì)問(wèn)題所涉及的對(duì)象、模型、水利拓?fù)洹⒂?jì)算關(guān)系等進(jìn)行設(shè)置，類似于建立水利模型計(jì)算運(yùn)行的說(shuō)明。

（3） 水利業(yè)務(wù)應(yīng)用配置，針對(duì)向用戶呈現(xiàn)的業(yè)務(wù)應(yīng)用及交互展示界面，提供以可視化、圖形化的方式，通過(guò)畫板設(shè)計(jì)并繪制出所需的界面布局及展示交互內(nèi)容。

（4） 水利業(yè)務(wù)配置解析及智能組裝服務(wù)，是根據(jù)上述配置服務(wù)，智能解析配置說(shuō)明信息并組裝基礎(chǔ)元素，自動(dòng)化發(fā)布實(shí)際應(yīng)用功能實(shí)例，最終呈現(xiàn)的服務(wù)即為提供用戶使用的應(yīng)用操作界面以及實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行流程。

3平臺(tái)建模技術(shù)

平臺(tái)建模主要包含業(yè)務(wù)對(duì)象、業(yè)務(wù)計(jì)算模型、業(yè)務(wù)方案、業(yè)務(wù)應(yīng)用等。

3.1業(yè)務(wù)對(duì)象建模

水利業(yè)務(wù)可能涉及河流、水庫(kù)、測(cè)站、河段、防洪對(duì)象等多種水利對(duì)象，各類對(duì)象亦包含基礎(chǔ)屬性、特征指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)等多維屬性數(shù)據(jù)，需要按類型分別進(jìn)行水利對(duì)象的系統(tǒng)屬性概化，實(shí)現(xiàn)靈活建模。

平臺(tái)業(yè)務(wù)對(duì)象建模技術(shù)如圖5所示。用戶根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景，設(shè)置具體對(duì)象實(shí)例、對(duì)象具有的屬性條目以及屬性的數(shù)值，平臺(tái)通過(guò)對(duì)象管理服務(wù)自動(dòng)完成虛擬場(chǎng)景中水利對(duì)象的實(shí)例構(gòu)造。對(duì)應(yīng)建模功能界面如圖6所示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有防洪調(diào)度水利對(duì)象的統(tǒng)一管理和集中維護(hù)。

3.2業(yè)務(wù)計(jì)算模型建模

水利計(jì)算分析是專業(yè)決策的關(guān)鍵，而專業(yè)模型是計(jì)算分析的核心支撐。水利專業(yè)覆蓋面廣，專業(yè)模型理論豐富，且由于模型研發(fā)手段的區(qū)別，不同應(yīng)用間模型的實(shí)現(xiàn)模式、編程手段呈現(xiàn)多樣化，因此在業(yè)務(wù)模擬過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模型的統(tǒng)一維護(hù)、高效調(diào)用。

為此本文提出模型建模技術(shù)體系，如圖7所示。以“參數(shù)分離、對(duì)象解耦”為核心理念對(duì)計(jì)算模型的開發(fā)、封裝與接入做出統(tǒng)一約束與管理。針對(duì)如流域模擬、防洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、聯(lián)合調(diào)度計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)分析等業(yè)務(wù)，分別封裝核心算法，建立標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用服務(wù)，構(gòu)建水利計(jì)算模型庫(kù)。針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)計(jì)算任務(wù)，為用戶提供可設(shè)置的模型計(jì)算參數(shù)、模型輸入輸出屬性設(shè)置項(xiàng)。功能界面如圖8所示，此例為API產(chǎn)流模型的建模界面，能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的不同子流域?qū)ο蠼⑾鄳?yīng)的計(jì)算參數(shù)體系。

3.3業(yè)務(wù)方案建模

水利業(yè)務(wù)方案是實(shí)現(xiàn)流域綜合管理調(diào)控的基礎(chǔ)，從各大流域批復(fù)執(zhí)行的聯(lián)合調(diào)度方案，到各水庫(kù)、閘門泵站等單一水工程的運(yùn)行方案，均通過(guò)方案指導(dǎo)業(yè)務(wù)過(guò)程流轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)調(diào)控分析計(jì)算運(yùn)行。因此，需要在虛擬場(chǎng)景中，動(dòng)態(tài)構(gòu)造各類水利對(duì)象相互銜接的復(fù)雜水力網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中耦合產(chǎn)匯流、工程調(diào)控、徑流演進(jìn)模擬等影響水流過(guò)程的業(yè)務(wù)計(jì)算動(dòng)作。

業(yè)務(wù)方案建模技術(shù)主要包含水力拓?fù)鋵?shí)例和拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的計(jì)算實(shí)例（見(jiàn)圖9），建模所使用的基礎(chǔ)對(duì)象與模型實(shí)例，由3.1，3.2節(jié)中的管理實(shí)現(xiàn)。水力拓?fù)鋵?shí)例，使用編碼、名稱、類型、指向節(jié)點(diǎn)、下級(jí)節(jié)點(diǎn)等要素，以條目化的方式映射真實(shí)流域的干支流、上下游關(guān)系。拓?fù)涔?jié)點(diǎn)計(jì)算實(shí)例，為拓?fù)渲忻總€(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)（如預(yù)報(bào)區(qū)間、水庫(kù)、演進(jìn)河段等），分別定義計(jì)算模型，如產(chǎn)匯流計(jì)算模型、水庫(kù)調(diào)度模型、演進(jìn)模型等。

對(duì)應(yīng)的平臺(tái)功能界面，如圖10所示，圖中實(shí)例為流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案的拓?fù)渑渲?。完成各?xiàng)配置后，平臺(tái)將水力拓?fù)湫畔⒆詣?dòng)解析為計(jì)算服務(wù)中的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并自動(dòng)設(shè)置計(jì)算控制信息，建立虛擬場(chǎng)景中的業(yè)務(wù)方案的計(jì)算流程。

3.4業(yè)務(wù)應(yīng)用建模

水利業(yè)務(wù)應(yīng)用為用戶提供業(yè)務(wù)決策的交互界面。不同問(wèn)題場(chǎng)景下用戶對(duì)展示交互關(guān)注點(diǎn)有較大區(qū)分，快速應(yīng)對(duì)實(shí)際決策問(wèn)題演化過(guò)程中的展示交互需求是建模的難點(diǎn)。

水利業(yè)務(wù)應(yīng)用建模技術(shù)，如圖11所示。在對(duì)計(jì)算方案建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)決策業(yè)務(wù)的展示、交互、流程等實(shí)際需求，通過(guò)自定義繪制的方式對(duì)基礎(chǔ)界面展示交互控件進(jìn)行設(shè)置，組合復(fù)雜的、具有實(shí)際業(yè)務(wù)功能含義的應(yīng)用交互面板，如：預(yù)報(bào)預(yù)警面板、調(diào)度決策面板等。

面板圖元布局繪制，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息展示需求，利用平臺(tái)提供的基本圖元，按一定的方式組織頁(yè)面展示布局，以拖、拉、拽的形式，在空白面板上任意搭建界面布局、安放各類展示圖元，包括輸入框、按鈕等常見(jiàn)要素和各種水利專題展示控件等定制化內(nèi)容。交互事件綁定，根據(jù)圖元的交互使用需求，對(duì)界面圖元如點(diǎn)擊操作后系統(tǒng)進(jìn)行的處理或響應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置。事件數(shù)據(jù)綁定，用于設(shè)定圖元事件響應(yīng)后觸發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過(guò)程。具體功能界面如圖12所示，此例為展示布局的動(dòng)態(tài)搭建界面。

4平臺(tái)應(yīng)用案例

在由水利部水旱災(zāi)害防御司與長(zhǎng)江水利委員會(huì)統(tǒng)籌組織、長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司承擔(dān)，以長(zhǎng)江流域?yàn)槭痉兜牧饔蛩こ搪?lián)合智能調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)及運(yùn)行中，該平臺(tái)提供了直接技術(shù)支撐。通過(guò)平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模服務(wù)體系，在虛擬場(chǎng)景下按長(zhǎng)江流域真實(shí)流域徑流和水工程調(diào)度的業(yè)務(wù)關(guān)系，構(gòu)造了復(fù)雜的預(yù)報(bào)調(diào)度應(yīng)用。

長(zhǎng)江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)如圖13所示。由上文平臺(tái)支撐運(yùn)行：利用對(duì)象建模建設(shè)長(zhǎng)江流域各類水利對(duì)象1 400余個(gè);通過(guò)模型建模，配套建設(shè)各類預(yù)報(bào)調(diào)度模型200余個(gè);通過(guò)方案建模，在流域模擬功能建立了長(zhǎng)江流域的預(yù)報(bào)方案計(jì)算業(yè)務(wù)場(chǎng)景，含110余個(gè)預(yù)報(bào)子流域、超80個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)間組成的長(zhǎng)江全流域水文預(yù)報(bào)體系，上邊界為溪洛渡水庫(kù)，下邊界至大通斷面，涉及嘉陵江、烏江等重要支流;另外在聯(lián)合調(diào)度功能下建立了水工程聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)場(chǎng)景，含長(zhǎng)江上游及下游兩湖區(qū)域的水庫(kù)群、46個(gè)蓄滯洪區(qū)、數(shù)百個(gè)洲灘民垸區(qū)劃、數(shù)十個(gè)演進(jìn)河段。具體如圖14，15所示。

該套系統(tǒng)支撐了長(zhǎng)江流域的實(shí)際管理工作。在1954年洪水復(fù)盤工作中，通過(guò)平臺(tái)直接更新的方式，半個(gè)月內(nèi)完成了流域歷史水文與現(xiàn)狀水工程調(diào)度業(yè)務(wù)的耦合建模，為有效開展復(fù)盤演算研究提供了良好的工作基礎(chǔ)。在2020年長(zhǎng)江流域大洪水的防御決策中，以2號(hào)洪水為例，現(xiàn)有國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)因系統(tǒng)功能與開發(fā)技術(shù)無(wú)法對(duì)洲灘民垸的聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行直接計(jì)算支撐，該套系統(tǒng)通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)更新配置，動(dòng)態(tài)增加了長(zhǎng)江中下游的洲灘民垸調(diào)度對(duì)象并拓展了聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)體系，支撐了本次洪水的調(diào)度業(yè)務(wù)場(chǎng)景，如圖16所示?？傮w上，利用該平臺(tái)可快速實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)孿生的數(shù)字化應(yīng)用與系統(tǒng)構(gòu)建，對(duì)比通過(guò)傳統(tǒng)手段建設(shè)水利信息系統(tǒng)，可更好地適應(yīng)實(shí)際流域防災(zāi)管理的不同問(wèn)題，快速調(diào)整業(yè)務(wù)應(yīng)用內(nèi)容，迅速提供決策支撐。

5結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺(tái)，提供了虛擬環(huán)境下水利對(duì)象、模型、方案、應(yīng)用等水利業(yè)務(wù)要素的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)。本平臺(tái)替代傳統(tǒng)手段耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大的定制化系統(tǒng)開發(fā)工作，通過(guò)水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模的成果可快速響應(yīng)未來(lái)決策變化、按需調(diào)整，在長(zhǎng)江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度示范系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)及運(yùn)行中提供支撐服務(wù)。

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（編輯：黃文晉）