數(shù)字孿生棘洪灘水庫關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

徐洪慶，姜守祿，宋厚清

（1.山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心青島分中心，山東 青島 266100；2.山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

1 前言

為踐行習(xí)近平總書記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強國的重要思想和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，2021 年11 月，水利部印發(fā)系列文件謀劃推進(jìn)智慧水利建設(shè)。山東省印發(fā)《山東省“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》《山東省“十四五”數(shù)字強省建設(shè)規(guī)劃》《山東省數(shù)字水利建設(shè)“十四五”規(guī)劃》系列文件，明確提出強化數(shù)字水利應(yīng)用支撐能力，構(gòu)建水利模型庫。采用BIM、GIS等技術(shù)，加快推進(jìn)全省大中型水庫、引調(diào)水工程、灌溉工程、重點河湖流域工程數(shù)字化。

棘洪灘水庫作為亞洲最大的平原水庫，目前雖然具有一定的信息化基礎(chǔ)，但仍不滿足智慧水利建設(shè)要求，需進(jìn)一步完善水庫信息化體系建設(shè)，構(gòu)建數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)工程運行的自動化、數(shù)字化、智慧化，日常辦公的流程化、定量化，調(diào)度決策的科學(xué)化、智能化，水庫管理的信息化、現(xiàn)代化，全面提高水庫工程管理水平，助力智慧水庫建設(shè)。

2 工程概況

棘洪灘水庫是山東省引黃濟(jì)青工程的調(diào)蓄水庫，也是亞洲最大的人造堤壩平原水庫，被譽為“亞洲明珠”。水庫工程于1986 年4 月15 日正式開工，至1989 年11 月25 日全線一次試通水成功。

棘洪灘水庫入庫泵站設(shè)計流量23.0 m3/s，設(shè)計最高蓄水位14.2 m，總庫容1.58 億m3，水面面積14.529 km2，設(shè)計死水位6.5 m，死庫容4 780 萬 m3，最大調(diào)節(jié)庫容1.104 億m3，向青島市日供水規(guī)模為33.23 萬t。棘洪灘水庫工程管理范圍主要有引水渠道、桃源河倒虹吸、入庫泵站、水庫、進(jìn)水閘、出水閘、泄水閘等。

棘洪灘水庫作為青島市重要的水資源設(shè)施之一，建成運行30 年來發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

3 現(xiàn)狀與存在問題

3.1 信息化現(xiàn)狀

山東省膠東調(diào)水自動化調(diào)度系統(tǒng)工程棘洪灘水庫項目建設(shè)完成水庫圍壩照明系統(tǒng)，覆蓋水庫管理周界的脈沖式電子圍欄入侵報警系統(tǒng)，水庫管理重要區(qū)域和關(guān)鍵部位的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，水文（水位、流量）、雨水情、氣象、水質(zhì)等各類信息采集系統(tǒng)，覆蓋整個水庫管理區(qū)的計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，水庫關(guān)鍵部位計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，水質(zhì)自動監(jiān)測站等。

3.2 存在問題分析

已建各業(yè)務(wù)系統(tǒng)大部分是各自獨立運行的，數(shù)據(jù)之間并不互通，造成了“信息孤島”，未能發(fā)揮應(yīng)有的作用，同時監(jiān)測信息不夠完善，具體表現(xiàn)為：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施有待完善

現(xiàn)有的視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測等系統(tǒng)未形成全面覆蓋的信息化體系且無智能分析、智能識別等功能，給日常工程監(jiān)管造成諸多不便，亟需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善建設(shè)。

（2）缺乏統(tǒng)一的信息管理平臺

因建設(shè)時間等不同，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間未能互通，尚無統(tǒng)一的信息管理平臺。

（3）信息資源整合共享困難

由于各種信息采集基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備信息共享機(jī)制并未完全建立，數(shù)據(jù)存儲格式紛雜，影響了水庫管理部門與各級水行政主管部門間的信息交流和數(shù)據(jù)共享。

在此現(xiàn)狀下，建設(shè)棘洪灘水庫數(shù)字孿生平臺，將數(shù)據(jù)采集、自動化控制、網(wǎng)絡(luò)、通信等信息化基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)體系及軟件系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，形成統(tǒng)一體系，為水庫的防洪、水量調(diào)度、環(huán)境保護(hù)以及推動水庫管理信息化、現(xiàn)代化、智能化、可持續(xù)發(fā)展提供全新的綜合管理模式。

4 總體設(shè)計

在山東省膠東調(diào)水自動化調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，完善信息基礎(chǔ)設(shè)施，充分利用已建設(shè)應(yīng)用支撐平臺、數(shù)據(jù)資源管理平臺、信息采集系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、系統(tǒng)實體運行環(huán)境軟硬件，遵循安全體系、保障體系，構(gòu)建棘洪灘水庫上層數(shù)字孿生平臺。

表1 總體架構(gòu)設(shè)計

5 完善信息基礎(chǔ)設(shè)施

5.1 無人監(jiān)測移動平臺

增加無人船、無人機(jī)等設(shè)施，增加信息采集覆蓋。根據(jù)棘洪灘水庫特點，設(shè)置無人船，搭載單波束測深儀、水質(zhì)在線檢測儀、視頻攝像頭等，實現(xiàn)水深測量、水下地貌測量、水質(zhì)在線自動監(jiān)測、視頻監(jiān)控。增加無人機(jī)，加大視頻覆蓋范圍。

5.2 補充完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)

大壩西側(cè)、北側(cè)圍欄有樹區(qū)域（樁號0+500～樁號7+500）需在岸堤下護(hù)欄處新增槍式攝像機(jī)，新增的槍式攝像機(jī)采用立桿式安裝方式；大壩東側(cè)、南側(cè)圍欄無樹區(qū)域（樁號7+700～樁號0+400）需新增球式攝像機(jī)，新增的球式攝像機(jī)安裝于現(xiàn)有路燈桿上，安裝高度為6 m。

6 數(shù)字孿生平臺

在補充完善現(xiàn)有的信息化設(shè)施基礎(chǔ)之上，運用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建水庫數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以將現(xiàn)實水庫和泵站設(shè)備的運行情況與相關(guān)數(shù)據(jù)映射到虛擬世界中，以三維圖像的形式進(jìn)行同步展現(xiàn)和管理。管理人員可以在不進(jìn)入水庫和泵站、不影響水庫、泵站運行和保障個人安全的情況下，隨時查看水庫、泵站作業(yè)情況和設(shè)備整體運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，從而有效提高水庫管理水平和效率。

6.1 三維場景建模

基于數(shù)據(jù)資源平臺的空間數(shù)據(jù)庫，利用水庫傾斜影像數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，建設(shè)水庫數(shù)字場景，構(gòu)建二、三維結(jié)合的空間地理信息應(yīng)用與展示，基于柵格圖片引擎服務(wù)，實現(xiàn)多層次、多節(jié)點的分布式地圖服務(wù)的聚合；依據(jù)三維空間數(shù)據(jù)規(guī)范，針對重點工程進(jìn)行建模，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)在Web 環(huán)境下傳輸和解析，提供基礎(chǔ)三維場景和三維數(shù)據(jù)的操作服務(wù)；基于三維實景技術(shù)，建設(shè)水庫三維場景，接入水質(zhì)水文監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)展示。

6.2 綜合場景展示

全景數(shù)字孿生管理系統(tǒng)以基礎(chǔ)地理信息底圖為背景，通過不同的層級或者圖層方式，展示可視化范圍內(nèi)的水域及水利設(shè)施的分布和水文信息監(jiān)測等信息。

展示水庫的高精度仿真模型，抽取重要數(shù)據(jù)聚合展示，多維度分析數(shù)據(jù)，綜合展示水庫整體狀況，為領(lǐng)導(dǎo)層提供決策建議。

6.3 信息監(jiān)測展示

對水質(zhì)、工程安全、水情監(jiān)測相關(guān)設(shè)備（包括傳感器或監(jiān)測站等）進(jìn)行定位，將其位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)展現(xiàn)在全景數(shù)字孿生場景中的對應(yīng)位置，并可展示詳細(xì)的數(shù)據(jù)（包括設(shè)備信息和監(jiān)測信息），管理人員可以針對具體數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)分析，系統(tǒng)以熱力圖的方式直觀呈現(xiàn)水質(zhì)狀況，輕松掌握水質(zhì)的整體情況。

6.4 水庫泵站數(shù)字孿生展示

在全景數(shù)字孿生場景中構(gòu)建具體的工程模型，比如閘站、泵站等大型設(shè)施，同時對水利工程的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的盤點和展示，管理人員可以隨時點擊具體模型來查看該工程的實時運行數(shù)據(jù)，同時模型的運行動作由實時數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動，直觀展示設(shè)備的運行情況，提高水利管理效率。

7 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

7.1 可視化平臺

構(gòu)建棘洪灘水庫智慧管理可視化平臺，通過多種方式或技術(shù)相互結(jié)合，全面展示綜合運行狀態(tài)?？梢暬脚_界面主要設(shè)計板塊包括基礎(chǔ)信息板塊、調(diào)度信息板塊、告警信息板塊、水情信息板塊、工情信息板塊、視頻監(jiān)控板塊、水質(zhì)監(jiān)測板塊、水文信息板塊、二三維全景展示等功能板塊。

綜合運行動態(tài)，具體包括但不限于：水位、蓄水量、庫容、雨水情、水質(zhì)監(jiān)測、當(dāng)前調(diào)水任務(wù)、工程安全、設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)、視頻監(jiān)控、水文等多類數(shù)據(jù)的整合展示分析。

系統(tǒng)提供靈活的數(shù)據(jù)查詢方式，利用多維度、不同時間對比等方式，體現(xiàn)運行動態(tài)。指標(biāo)數(shù)據(jù)需展示近一段時間的數(shù)據(jù)曲線，例如：近一個月水位變化、近一年的蓄水量變化、不同時期的水質(zhì)細(xì)分指標(biāo)浮動等等。

7.2 水庫調(diào)度信息管理系統(tǒng)

（1）泵站水閘數(shù)據(jù)管理

對泵站水閘的狀態(tài)監(jiān)測參量以及相應(yīng)的工況參數(shù)和過程量參數(shù)進(jìn)行實時采集和監(jiān)測，并能以結(jié)構(gòu)圖、棒圖、表格和曲線等形式進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)展示實現(xiàn)信息聯(lián)動、視頻聯(lián)動等功能，靈活切換，實時在線掌控泵站水閘現(xiàn)場環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)

（2）泵站智慧管理

全面、準(zhǔn)確了解泵站設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與運行狀況，具備輔助決策各臺機(jī)組的負(fù)荷分配功能，為泵站的工作效率、能量消耗、安全調(diào)度以及優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)提供相應(yīng)依據(jù)，協(xié)助運行人員進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度控制，提高泵站級的調(diào)度運行水平，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。針對多種融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢預(yù)測，并考慮到外部干擾的影響，其預(yù)測處理的結(jié)果能有更加寬泛的可比性。

（3）水庫調(diào)度管理

以進(jìn)水、供水、年度等維度，進(jìn)行綜合統(tǒng)計分析?？砂葱枭筛黝惤y(tǒng)計圖表和分析報告。滿足調(diào)水管理的業(yè)務(wù)需要。

運行數(shù)據(jù)分析：各類參數(shù)(流量、水位、用電量、開機(jī)數(shù)量、開機(jī)時長)日、旬、月、年平均值、最大、最小值等特征數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算。根據(jù)業(yè)務(wù)需求顯示和打印各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的報表、指定時段的各類數(shù)據(jù)過程線圖等。

8 結(jié)束語

“十四五”時期是數(shù)字孿生大發(fā)展階段，數(shù)字孿生棘洪灘水庫建成使用，將大大提高工程運行效率，降低運行成本，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，同時可為同類型水庫數(shù)字孿生工程建設(shè)提供借鑒和經(jīng)驗。