《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則（試行）》解析

詹全忠，陳真玄，張 潮，鄒 希

（水利部信息中心，北京 100053）

水利部高度重視智慧水利建設，將推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發(fā)展的六條實施路徑之一，并將智慧水利作為新階段水利高質量發(fā)展的顯著標志[1]。2021 年，水利部先后出臺了《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規(guī)劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》等系列文件。2021 年 12 月 23 日，水利部召開推進數(shù)字孿生流域建設工作會議，要求大力推進數(shù)字孿生流域建設，水利行業(yè)掀起了建設數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程的高潮。

數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程等技術性強，創(chuàng)新性高，水利行業(yè)各單位一方面對一些概念的認識和理解存在差異，另一方面對如何切實建設數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程存在困難，迫切需要指導和規(guī)范。為此，水利部編制并印發(fā)了《數(shù)字孿生流域建設技術大綱（試行）》和《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則（試行）》（以下簡稱《導則》）等系列技術規(guī)范文件，其中《導則》主要是細化數(shù)字孿生水利工程的建設內(nèi)容、方法，重點回答數(shù)字孿生水利工程建什么、怎么建。

1 數(shù)字孿生水利工程建設的重要性

水的自然屬性決定了流域內(nèi)山水林田湖草沙等各生態(tài)要素和上下游、左右岸、干支流等各類單元緊密聯(lián)系，相互影響，相互依存，構成了流域生命共同體[2]。流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性，這種特性決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎單元，堅持流域系統(tǒng)觀念，堅持全流域“一盤棋”。因此，智慧水利建設以數(shù)字孿生流域建設為核心與關鍵，以數(shù)字孿生流域建設帶動智慧水利建設，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的思維，戰(zhàn)略，資源，方法，提升水利決策與管理的科學化、精準化、高效化能力和水平[3]。

數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生流域建設的重要組成部分，也是數(shù)字孿生流域建設的切入點和突破點。首先水利工程是流域生命共同體的重要節(jié)點，在防洪安全、水資源調配、生態(tài)環(huán)境保護等方面具有不可替代的重要作用，開展數(shù)字孿生流域建設必須開展數(shù)字孿生水利工程建設；其次，水利工程相對來說范圍小、業(yè)務清晰，易于開展數(shù)字孿生。開展數(shù)字孿生水利工程建設可以為數(shù)字孿生流域建設做好示范。

2 數(shù)字孿生水利工程的內(nèi)涵

2.1 數(shù)字孿生水利工程定義

《導則》給出了數(shù)字孿生水利工程定義：以物理水利工程為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學模型為核心、水利知識為驅動，對物理水利工程全要素和建設運行全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預演，與物理水利工程同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，實現(xiàn)對物理水利工程的實時監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調度的新型基礎設施[4]。從這個定義可以看出，數(shù)字孿生水利工程是新型基礎設施，是應用新一代信息技術對水利工程進行智慧化改造后所形成的融合基礎設施。

2.2 數(shù)字孿生水利工程建設范圍

《導則》主要適用于大型和重要中型水利樞紐工程，以及大型和重要中型引水工程、河道工程中涵閘，泵站等重要節(jié)點。也就是說，在目前階段主要鼓勵大型和重要中型水利工程開展數(shù)字孿生水利工程建設，當然具備條件的中小型工程也可參照開展建設；《導則》主要規(guī)范點狀和線狀工程的重要節(jié)點數(shù)字孿生水利工程建設，后續(xù)將根據(jù)數(shù)字孿生水利工程推進情況，針對線狀水利工程出臺細則。

數(shù)字孿生水利工程建設物理范圍包括工程管理和保護范圍，這個是每個數(shù)字孿生水利工程建設必須完成項，同時可根據(jù)實際情況，特別是與所在流域管理機構或省級水行政主管部門協(xié)商，統(tǒng)籌考慮將工程上下游、干支流一定范圍也納入。

數(shù)字孿生水利工程包括數(shù)字孿生平臺和信息化基礎設施，這是物理水利工程的孿生體，但是僅有這個孿生體不能發(fā)揮作用，還需要相應的應用系統(tǒng)，應用系統(tǒng)調用孿生體提供的算據(jù)、算法、算力等資源，支撐水利工程安全分析預警、防洪興利智能調度等業(yè)務，另外還需要網(wǎng)絡安全和保障體系提供保障，因此《導則》在規(guī)定數(shù)字孿生平臺和信息化基礎設施要求的同時，對典型應用、網(wǎng)絡安全和保障體系等也提出了要求。水利工程單位在立項建設時，除了建設數(shù)字孿生水利工程，還需建設典型應用、網(wǎng)絡安全和保障體系。

3 數(shù)字孿生水利工程框架

數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)組成包括實體工程、數(shù)字孿生水利工程（數(shù)字孿生平臺、信息化基礎設施）、典型應用，以及網(wǎng)絡安全和保障體系，系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)結構圖

整個架構與智慧水利建設頂層設計一脈相承，但是也根據(jù)水利工程特點對數(shù)字孿生平臺進行了細化。頂層設計從概念上將數(shù)據(jù)、模型、知識與對應的管理和服務一起描述，分為數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺，《導則》從建設實施的角度進行分類，分為資源類（數(shù)據(jù)、模型、知識）、功能類（數(shù)據(jù)、知識、模擬仿真引擎）。

數(shù)字孿生水利工程建設的核心是應用，《導則》提出了包括工程安全智能分析預警、防洪興利智能調度、生產(chǎn)運營管理、巡查管護、綜合決策支持等 5 類典型應用，前 2 類是核心和關鍵，是必須要建設的，后面 3 類是支撐工程管理單位數(shù)字化轉型，提升能力的，工程單位可根據(jù)實際選擇建設。

4 數(shù)字孿生水利工程重點內(nèi)容

4.1 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板包括地理空間、基礎、監(jiān)測、業(yè)務管理和外部共享數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生水利工程在共享水利部本級 L1 級、相關流域管理機構及省級水行政主管部門 L2 級數(shù)據(jù)底板基礎上，建設工程 L2 和 L3 級數(shù)據(jù)底板，工程水工建（構）筑物及重點區(qū)域應建設 L3 級，其他工程管理和保護范圍可建設 L2 級。

為了便于數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程之間互聯(lián)互通，《導則》強調地理空間數(shù)據(jù)采用全國統(tǒng)一時空基準，即：空間參考采用 2000 國家大地坐標系（CGCS2000），高程基準采用 1985 國家高程基準，時間系統(tǒng)采用公歷紀元和北京時間?！秾t》同時明確了數(shù)字高程模型（DEM）、正射影像圖（DOM）、傾斜攝影模型、水下地形、建筑信息模型（BIM）等各類地理空間數(shù)據(jù)的空間精度，更新頻率，技術手段等要求。《導則》強調外部共享數(shù)據(jù)的獲取和利用，特別是工程運行調度影響的人口、土地利用等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。

4.2 模型庫

模型包括水利專業(yè)、智能識別、可視化 3 類模型，其中水利專業(yè)模型分為以下 3 種：1）機理分析模型。是基于水循環(huán)自然規(guī)律等機理規(guī)律，用數(shù)學的語言和方法描述物理水利工程相關要素變化、活動規(guī)律和相互關系的數(shù)學模型。2）數(shù)理統(tǒng)計模型。是基于數(shù)理統(tǒng)計方法，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)物理水利工程相關要素之間的關系并進行分析預測的數(shù)學模型。3）混合模型。是將機理分析與數(shù)理統(tǒng)計進行相互嵌入、系統(tǒng)融合的數(shù)學模型。

4.3 知識庫

知識庫包括預報調度方案庫、工程安全知識庫、業(yè)務規(guī)則庫等，《導則》明確了各項知識庫的內(nèi)容、更新要求等。對數(shù)字孿生水利工程來說，知識庫的建設和應用對于工程安全極為重要，在現(xiàn)階段，工程安全相關模型還不夠成熟，還要更多依賴專家經(jīng)驗、工程風險隱患、隱患事故案例等知識進行會商研判。

4.4 孿生引擎

孿生引擎包含數(shù)據(jù)、知識、模擬仿真等引擎，其中：數(shù)據(jù)引擎實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能，對數(shù)字孿生水利工程相關數(shù)據(jù)進行匯聚、治理，并為知識、模擬仿真引擎及業(yè)務應用提供數(shù)據(jù)服務；知識引擎實現(xiàn)知識管理功能，對相關知識進行匯聚、構建，并提供知識推理等知識服務；模擬仿真引擎實現(xiàn)模型管理和物理工程模擬仿真功能，對各類模型進行版本管理、參數(shù)配置、訓練優(yōu)化等，并提供場景管理、仿真建模、仿真計算等模擬仿真功能。水利工程可根據(jù)各自特點，選擇將數(shù)據(jù)、知識、模擬仿真等引擎建成 3 個相對獨立的模塊，也可以是 1 個模塊包括 3 個方面功能。

4.5 監(jiān)測感知

監(jiān)測感知體系主要是以數(shù)字孿生水利工程高保真模擬運行為目標，在現(xiàn)有標準基礎上，科學規(guī)劃監(jiān)測感知系統(tǒng)，擴展監(jiān)測項目，加大監(jiān)測密度，提高監(jiān)測頻次，為數(shù)據(jù)底板提供全要素實時感知數(shù)據(jù)。

對于監(jiān)測手段，除了傳統(tǒng)的監(jiān)測站網(wǎng)監(jiān)測，還鼓勵采用衛(wèi)星遙感、高清視頻、無人機、無人船、地面和水下機器人等新型監(jiān)測手段。

對于監(jiān)測設備，推薦使用一體化遠程終端單位，支持多類傳感器，融合多種功能，并能實現(xiàn)遠程統(tǒng)一管理。要求支持 IPv6 協(xié)議，功耗要低。

對于通信方式，建議采用有線和無線相結合的方式，優(yōu)先使用有線通信，特別是與監(jiān)測中心長距離通信優(yōu)先使用有線方式，在現(xiàn)地短距離通信可使用無線方式。具備條件的應建設北斗短報文、衛(wèi)星通信等應急通信措施。

對于匯集平臺，原則上應建立統(tǒng)一的匯集平臺，不能每個監(jiān)測項目建 1 個平臺，但是根據(jù)實際，特別是網(wǎng)絡隔離要求，部分監(jiān)測項目可能需要在相應的網(wǎng)絡內(nèi)收集，這時可在該網(wǎng)絡內(nèi)建設子平臺，但是最終應該匯集到一個總的匯集平臺上。

水文監(jiān)測包括雨量、水位、流量、泥沙監(jiān)測等，優(yōu)先共享流域管理機構、地方水行政主管部門相關水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)工程管理需要增設監(jiān)測站點、加密監(jiān)測頻次。

工程安全監(jiān)測應根據(jù)工程實際，特別是工程安全評價等情況，進行風險分析，有針對性地確定監(jiān)測項目、監(jiān)測點位布置、精度與監(jiān)測頻次等，更新完善監(jiān)測設施，提升在線監(jiān)測感知能力，每個工程情況不一樣，監(jiān)測項目也不一樣，主要從變形、滲流、應力應變及溫度、環(huán)境量、運行狀態(tài)、險情、工程專項監(jiān)測及巡視檢查等方面選擇監(jiān)測項目。

4.6 通信網(wǎng)絡

從安全角度出發(fā)，數(shù)字孿生水利工程網(wǎng)絡應分為業(yè)務網(wǎng)、工控網(wǎng)等相互隔離的網(wǎng)絡。工控網(wǎng)可分為實時控制區(qū)和過程監(jiān)控區(qū)（非實時控制區(qū)），業(yè)務網(wǎng)可分為信息管理區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)服務區(qū)，根據(jù)工程實際，在不影響安全的情況下，可將實時控制區(qū)和過程監(jiān)控區(qū)合并。

實時控制區(qū)用于部署控制工程設備運行的系統(tǒng)、模塊，PLC 和 SCADA 等應部署在該區(qū)域；過程監(jiān)控區(qū)用于部署工控系統(tǒng)監(jiān)測與管理系統(tǒng)、模塊，運行監(jiān)測、故障診斷、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)應部署在該區(qū)域；信息管理區(qū)用于部署數(shù)字孿生平臺、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等。互聯(lián)網(wǎng)服務區(qū)用于部署對互聯(lián)網(wǎng)提供服務的系統(tǒng)。

業(yè)務網(wǎng)應接入上級單位水利業(yè)務網(wǎng)。工控網(wǎng)如需與上級單位工控網(wǎng)連接，應將實時控制區(qū)與過程監(jiān)控區(qū)分別連接，不能打破實時控制區(qū)與過程監(jiān)控區(qū)的隔離。

4.7 工程自動化控制

開展數(shù)字孿生水利工程建設，應對工程的控制系統(tǒng)進行自動化升級改造，實現(xiàn)對閘門、泵站、船閘、發(fā)電機組等工程設施進行自動化控制，提高自動化水平。工程自動化控制系統(tǒng)為核心系統(tǒng)，應具有冗余備份機制，提高可靠性；宜實現(xiàn)遠程控制，同時應具備現(xiàn)地控制功能；應具備運行監(jiān)控功能，對被控制設備運轉狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測。

4.8 工程安全智能分析預警

數(shù)字孿生水利工程核心目標是工程安全，工程自身都不安全了，防洪興利作用就不可能發(fā)揮好。根據(jù)調研了解，工程安全這方面業(yè)務，成熟度還不是很高，主要是依賴工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于工程結構、環(huán)境等情況不一樣，除非是一些極端異常情況，可從監(jiān)測數(shù)據(jù)能判斷工程安全出現(xiàn)的問題，一般情況下，單純看工程安全實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，很難判斷工程是否存在或者存在什么樣的安全問題。如同人的健康體檢，從單純的體檢指標來看，很多指標有正常范圍，體檢指標偏離這個范圍，只能說健康可能有問題，但是這個正常范圍是根據(jù)經(jīng)驗分析出來的平均值，個體不一樣，有的人偏離這個范圍也是健康的，即使不健康，也很難說清楚這個人是否一定會得什么病，更說不清楚什么時候得病。

為進一步強化工程安全，《導則》從“四預”的角度，對工程安全業(yè)務進行梳理，提出“安全性態(tài)預測、安全風險預警、安全狀態(tài)預演、安全處置預案”的業(yè)務流程和功能要求：

1）安全性態(tài)預測。工程安全首先還是需要進行安全監(jiān)測，但是不能簡單使用各監(jiān)測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要建立工程安全監(jiān)測分析模型，將監(jiān)測點上數(shù)據(jù)進行長系列趨勢分析，同時將多點、多種監(jiān)測類型數(shù)據(jù)進行綜合分析，預測工程安全性態(tài)及其演化趨勢，這是工程安全智能分析預警的前提。

2）安全風險預警。依據(jù)工程設計指標和專家經(jīng)驗等，建立工程個性化安全預警指標體系，根據(jù)安全性態(tài)預測提供的工程安全監(jiān)測和預測數(shù)據(jù)，對工程險情、安全隱患進行分級預警，這是工程安全智能分析預警的基礎。

3）安全狀態(tài)預演。一方面，針對工程險情、安全隱患預警，綜合安全性態(tài)預測數(shù)據(jù)和工程設計相關信息、工程安全評價信息、工程安全薄弱環(huán)節(jié)、工程安全知識庫等，結合專家經(jīng)驗，對工程當前安全風險狀況及發(fā)展趨勢進行會商研判（專家會診）；另一方面，也可根據(jù)工程調度方案，對工程安全狀態(tài)發(fā)展進行評估和推演，這是工程安全智能分析預警的核心。

4）安全處置預案。采用本地模型等將工程安全應急預案數(shù)字化，根據(jù)工程安全風險研判結果，依據(jù)應急預案，制定工程應急調度、人員防災避險等應對措施，同時，在預案執(zhí)行過程中，實時同步反饋預案實際執(zhí)行情況，動態(tài)評估工程安全狀況，滾動優(yōu)化工程安全應對措施，這是工程安全智能分析預警的關鍵。

4.9 網(wǎng)絡安全體系

物理水利工程非常重要，重點工程一般有武警守衛(wèi)，數(shù)字孿生水利工程建設的孿生工程與物理水利工程同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，同等重要。在數(shù)字孿生水利工程建設中，要高度重視網(wǎng)絡安全，特別是水利工控系統(tǒng)，在原來自動化程度不高或者對自動化控制依賴程度不高的情況下，風險相對低一些，但是隨著數(shù)字孿生水利工程的推進，自動化程度將越來越高，風險將急劇增大，需要更加重視網(wǎng)絡安全保護。

《導則》多處提出網(wǎng)絡安全相關要求，除了網(wǎng)絡安全體系這一章之外，在總則部分提出“應遵照網(wǎng)絡安全法、密碼法等法律法規(guī)和標準規(guī)范要求，同步開展網(wǎng)絡安全體系設計、實施和使用，加強密碼應用，強化數(shù)據(jù)安全，采用安全可靠的技術、產(chǎn)品和服務”；在監(jiān)測感知體系總體要求部分，提出“采取措施保障數(shù)據(jù)安全”；在水利業(yè)務網(wǎng)連接部分，提出“應采用防火墻等網(wǎng)絡安全措施進行隔離，宜采取加密措施進行數(shù)據(jù)傳輸加密”；在工控網(wǎng)連接部分，提出“應將實時控制區(qū)與過程監(jiān)控區(qū)分別連接，應采用防火墻等網(wǎng)絡安全措施進行隔離，應采取加密措施進行數(shù)據(jù)傳輸加密”；在工程自動化控制部分，提出“應加強工程自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡安全保護”；在應用安全部分，提出“應加強業(yè)務應用自身安全防護”。

數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)網(wǎng)絡安全等級保護等級原則上應不低于第三級，其中重要的系統(tǒng)可列為關鍵信息基礎設施，要依據(jù) SL/T 803—2020《水利網(wǎng)絡安全保護技術規(guī)范》等標準規(guī)范，構建完善的網(wǎng)絡安全組織管理、安全技術、安全運營和監(jiān)督檢查等體系，加強數(shù)據(jù)安全保護，全面保障數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全。

4.10 運維保障

數(shù)字孿生水利工程是一個復雜系統(tǒng)，要運行好這個復雜系統(tǒng)，持續(xù)發(fā)揮作用，需要有完善的運維保障體系支撐：1）需要有運維人員隊伍、制度規(guī)范等基礎條件；2）需要有運維經(jīng)費，保障數(shù)據(jù)、模型、知識的更新，應用系統(tǒng)的迭代，安全體系的完善，設備設施的運轉；3）需要有運維系統(tǒng)，實時掌握數(shù)字孿生水利工程運行狀態(tài)，精準預警運行風險，自動處置運行故障。

4.11 建設指標

《導則》以 2025 年為基準，以附表的方式列出了數(shù)字孿生平臺、信息化基礎設施、業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全等建設內(nèi)容，建設指標和要求等，規(guī)定了數(shù)字孿生水利工程建設的基礎版和提高版要求，基礎版主要是兼顧一些基礎較差、條件有限的工程管理單位的實際情況，為這些單位開展第一階段建設提供指導，鼓勵有條件的工程單位按照提高版甚至更高標準進行建設。

5 數(shù)字孿生水利工程共建共享

在共建方面，應在所在流域數(shù)字孿生流域建設的總體框架下，由水利工程管理單位與所在流域管理機構或省級水行政主管部門協(xié)商確定具體建設范圍，確保不漏不重；應充分整合原有信息系統(tǒng)、現(xiàn)有數(shù)據(jù)等。在共享方面，要實現(xiàn)水利部、流域管理機構、省級水行政主管部門、水利工程管理單位之間數(shù)字孿生平臺的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)共享，業(yè)務協(xié)同，通過數(shù)據(jù)交換和服務調用等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫共享。

6 結語

鑒于數(shù)字孿生水利工程建設技術和實踐均處于迅速發(fā)展的階段，《導則》目前為試行版。當前，水利行業(yè)正在開展數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程先行先試，一方面，《導則》對先行先試工作進行指導規(guī)范；另一方面，也需要根據(jù)先行先試積累的經(jīng)驗對《導則》進行修訂完善，形成正式版，更好地指導推進數(shù)字孿生水利工程建設。