數(shù)字孿生技術(shù)助力蘭江流域防洪精細(xì)化管控

黃曉 姜恒

1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司 浙江 杭州 310000；

2. 蘭溪市水務(wù)局 浙江 金華 321102

引言

數(shù)字孿生技術(shù)是信息化背景下的智慧科技產(chǎn)物，充分運(yùn)用物理模型與傳感器的結(jié)合，在充分挖掘運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工況進(jìn)行全面仿真，在虛擬環(huán)境下完成映射，由此實現(xiàn)對實際工況的全過程描述與分析。在實際中，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在防洪精細(xì)化管控中，需要以分析實際需求為前提，明確防洪管控過程中的重點(diǎn)、痛點(diǎn)，明確管控方向，并基于數(shù)字孿生技術(shù)提出數(shù)字孿生防洪對應(yīng)的總體功能要求，包括：降水動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、水位動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控、洪量動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控，隨后通過云端將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)指揮中心與移動客戶端的共享。通過建模對流域周邊情況進(jìn)行模擬分析，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，生成符合蘭江流域?qū)嶋H情況的場景并生成相應(yīng)的解決方案，進(jìn)一步構(gòu)建防洪工程智慧體系，強(qiáng)化提升蘭江流域整體防洪決策水平。

1 蘭江流域防洪與數(shù)字孿生結(jié)合的意義

蘭溪地處錢塘江中下游地區(qū)，由于特殊的地理位置使蘭溪地區(qū)高度重視防洪工作。富春江水庫的庫區(qū)位于衢江、金華江、蘭江“三江”交匯處，使其受到上游降雨和下游富春江庫區(qū)回水頂托的影響顯著，特別是在汛期極易形成流域性洪水。據(jù)歷史數(shù)據(jù)記載，自1950-2021年的72年時間里，其中有57年蘭江都發(fā)生了超警戒水位洪水，超警戒水位洪水平均2.2次、超保證水位洪水平均0.7次。頻繁高發(fā)的洪水使得蘭溪成為浙江省防洪重點(diǎn)縣市。

做好蘭溪的防洪工作需要重點(diǎn)開展蘭江流域的針對性防洪措施，蘭溪?dú)v屆市委市政府高度重視蘭江治理工作。黨的十九大以來，全市嚴(yán)格按照“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，統(tǒng)籌推進(jìn)蘭江流域水災(zāi)害防治、水資源節(jié)約、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境治理，為蘭溪市經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展筑牢了水安全屏障。

數(shù)字變革時代下，蘭溪需要積極順應(yīng)水利數(shù)字化的改革趨勢。蘭溪水利部門堅持將數(shù)字化改革作為新發(fā)展階段全面深化改革的總抓手，圍繞“1612”體系架構(gòu)，進(jìn)一步深化水利數(shù)字化改革總體布局，集成全域涉水事務(wù)，高質(zhì)量謀劃數(shù)字孿生流域，以水旱災(zāi)害防御作為突破口，積極探索建設(shè)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等應(yīng)用場景，全力提升蘭江流域防洪減災(zāi)能力。

2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生防洪技術(shù)以蘭江水文流域作為基本單元，以時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心，配合專業(yè)的水利知識進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)對蘭江流域全要素的數(shù)字化映射治理管理與智能化模擬，由此真正實現(xiàn)保持與物理流域的同步仿真、迭代、虛實交互，構(gòu)建蘭江流域數(shù)字孿生應(yīng)用。

2.1 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板的主要功能為數(shù)字孿生防洪技術(shù)提供搭建數(shù)字化場景、整合數(shù)據(jù)資源、數(shù)字孿生引擎提供技術(shù)基礎(chǔ)：

2.1.1 多維時空數(shù)據(jù)底板。數(shù)據(jù)底板實現(xiàn)了錢塘江全流域數(shù)據(jù)共享與蘭江流域水文數(shù)據(jù)共享，配合對蘭江防洪流域高精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)（DEM）、高分辨率衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)底板效果。建設(shè)蘭江數(shù)據(jù)底板，進(jìn)一步整合水文水資源、水利工程、水生態(tài)等信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對蘭江流域氣象、生態(tài)環(huán)境等信息數(shù)據(jù)的高效集成，在此基礎(chǔ)上打造防洪流域數(shù)字化場景[1]。

2.1.2 數(shù)據(jù)資源整合。蘭江流域數(shù)字孿生應(yīng)用為了實現(xiàn)資源高效整合，在構(gòu)建蘭江流域數(shù)字孿生應(yīng)用總體框架的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化對蘭江流域數(shù)據(jù)的整理工作。以現(xiàn)存數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，通過加強(qiáng)對數(shù)據(jù)資源的調(diào)查、梳理、規(guī)劃，進(jìn)一步完善防洪流域數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上搭建數(shù)據(jù)資源匯集體系，并結(jié)合蘭江流域的實際情況構(gòu)建相應(yīng)的水利數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)一步量化數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法。在實際工作中需要結(jié)合防洪業(yè)務(wù)與決策需要，實現(xiàn)對各種類型數(shù)據(jù)的充分匯集，匯集后的數(shù)據(jù)將形成多層級防洪數(shù)據(jù)庫。

以蘭江數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步強(qiáng)化對多層級數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、規(guī)范管理，并理清蘭江防洪數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系，由此提升數(shù)據(jù)的規(guī)范性、可用性，確保數(shù)據(jù)的對稱性、透明性。在明確蘭江流域防洪權(quán)責(zé)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建蘭江流域防洪數(shù)據(jù)共享機(jī)制，由此進(jìn)一步實現(xiàn)各部門之間對蘭江流域防洪數(shù)據(jù)的共享。

2.1.3 孿生數(shù)據(jù)集成共享。實現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)集成共享需要確保與水利業(yè)務(wù)間保持?jǐn)?shù)據(jù)的聯(lián)動更新，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)同步更新、數(shù)據(jù)融合功能，確保防洪信息數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)及時、持續(xù)、有效更新。以信息數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)據(jù)底板實現(xiàn)三維仿真全景展示與防洪BIM模型深度演示，為防汛工作提供更加精準(zhǔn)、全面、可靠的數(shù)據(jù)支持。在防洪數(shù)據(jù)高效整合的基礎(chǔ)上，確保防洪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完善性，并結(jié)合蘭江防洪實際需求，搭建蘭江防洪業(yè)務(wù)專題模塊，為蘭江流域治理管理工作提供支持。

2.1.4 數(shù)字孿生引擎。使用BIM技術(shù)對防洪基建結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，可以在盡量保持模型原狀態(tài)的前提下，最大限度地減少基建結(jié)構(gòu)中的三角形數(shù)量。配合使用Mesh Simplify插件，在需要輕量化模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入插件，通過設(shè)置簡化百分比即可達(dá)到使用效果。

在此基礎(chǔ)上使用GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)加載柵格數(shù)據(jù)，然后再使用GlobalMapper處理地形數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)以DEM格式導(dǎo)出。以DEM文件當(dāng)中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成3DMAX實體模型，并加載相應(yīng)的影像貼圖，相應(yīng)達(dá)到一定的優(yōu)化數(shù)據(jù)紋理色彩效果。隨后導(dǎo)出實體模型，使用Unity3D并配合Mesh Simplify插件對數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，將處理結(jié)果加載至三維場景。

2.2 分析模型

在充分考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)、硬件接口、硬件設(shè)備安裝的基礎(chǔ)上，結(jié)合蘭江流域的特點(diǎn)，充分運(yùn)用共享水利部模型庫與模擬仿真引擎，搭建相應(yīng)的蘭江防洪模型，蘭江防洪模型由水利模型庫、智能模型庫、可視化模型庫共同組成。

2.2.1 水利模型庫。以蘭江流域特點(diǎn)為基礎(chǔ)，在充分分析蘭江流域水文數(shù)據(jù)、防洪歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，搭建防洪水利模型庫，為蘭江流域未來的防洪工作構(gòu)建水文模型、水動力模型等提供基礎(chǔ)模型，由此實現(xiàn)對蘭江河道演進(jìn)、水利安全運(yùn)行的客觀、全面與智能決策。

2.2.2 算法能力模型庫。以訓(xùn)練學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)，構(gòu)建可以支持計算機(jī)智能分析的數(shù)據(jù)模型庫，從而實現(xiàn)對蘭江流域防洪數(shù)據(jù)的信息化、自動化精準(zhǔn)監(jiān)控，并從數(shù)據(jù)中提取重點(diǎn)信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，為進(jìn)一步強(qiáng)化防洪工作提供有力支持。

2.2.3 可視化模型庫?？梢暬Ｐ蛶炜梢蕴峁崟r、動態(tài)的場景渲染，通過對防洪需求的客觀分析實現(xiàn)仿真，并以“四預(yù)”理念為指導(dǎo)，實現(xiàn)模型的可視化。

2.3 知識庫

結(jié)合沉淀水利知識與相應(yīng)的防洪流域治水經(jīng)驗，搭建防洪知識庫。以共享水利部知識庫與水利知識引擎為基礎(chǔ)，結(jié)合蘭江流域特點(diǎn)擬定相應(yīng)的流域防洪預(yù)案規(guī)則庫，從而進(jìn)一步為蘭江流域數(shù)字孿生應(yīng)用提供充分的服務(wù)支撐。具體建設(shè)內(nèi)容如下。

2.3.1 預(yù)案規(guī)則庫。充分收集蘭江流域已有方案，充分分析蘭江流域防洪流域歷史數(shù)據(jù)與相應(yīng)的水利工程、水文地質(zhì)情況，擬定防洪預(yù)報方案，并運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)防洪預(yù)案信息自動化與信息數(shù)據(jù)處理。通過檢索與索引關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，包括蘭江流域水文站預(yù)報方案、蓄滯洪區(qū)洪水預(yù)報方案等。由此實現(xiàn)對業(yè)務(wù)文檔內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化處理，構(gòu)建靈活化的、可組合應(yīng)用的方案規(guī)則集，有助于全面梳理與不同防洪情況相匹配方式，使防洪工作更加邏輯化、數(shù)字化[2]。

2.3.2 歷史場景模式庫。在充分分析蘭江流域防洪歷史數(shù)據(jù)中提煉信息，在此基礎(chǔ)上明確防洪場景目標(biāo)主體。對蘭江流域的氣象水文信息、決策信息、水工程運(yùn)行過程進(jìn)行詳細(xì)記錄并分析，從中提煉與歷史數(shù)據(jù)高度相似的典型特征，將提煉后的歷史防洪經(jīng)驗匯編成防洪歷史資料納入知識庫，并進(jìn)一步明確防洪場景目標(biāo)主體。并以此為依據(jù)推演分析場景演變，為提升防洪決策的精準(zhǔn)性提供依據(jù)。

2.3.3 專家經(jīng)驗庫。專家經(jīng)驗庫由歷史場景預(yù)報、過程再現(xiàn)組成。憑借專家經(jīng)驗擬定防洪決策，針對蘭江流一系列特定工況，使用文字、公式、圖形量化專家經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上提出一系列符合蘭江流域客觀實際情況的防洪風(fēng)險應(yīng)對措施，并在專家經(jīng)驗的主導(dǎo)下形成可有效復(fù)用與持續(xù)積累的經(jīng)驗。

2.3.4 流域主題知識圖譜：面向防洪業(yè)務(wù)場景，主要包括采集原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、水利知識建模、水利知識抽取、水利知識融合、水利知識應(yīng)用等模塊。以防洪業(yè)務(wù)主題為索引，構(gòu)建支持知識檢索精準(zhǔn)化和智能化的蘭江流域主題圖譜，包括所涉業(yè)務(wù)的自然對象、工程對象和社會對象。

2.3.5 水利知識引擎：在水利部水利知識引擎的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展更新，基于L2級數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，整合匯聚現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，建設(shè)具有蘭江水利知識表示、水利知識抽取、水利知識融合、水利知識推理、水利知識存儲功能的水利知識引擎。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的防洪“四預(yù)”應(yīng)用建設(shè)

3.1 高效科學(xué)預(yù)報預(yù)警

借用數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)生的科學(xué)預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)信息，在數(shù)字化模擬的同時還可以將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與云端實現(xiàn)同步，用戶只需要通過移動終端就可以隨時查看蘭江流域的水情、工情實況。在數(shù)字化場景中融合實時視頻，可以實現(xiàn)“虛實融合”可視化場景，由此為多維動態(tài)預(yù)演創(chuàng)造條件。洪水監(jiān)控將蘭江流域的動態(tài)實際情況映射到數(shù)字流域中，從而進(jìn)一步搭建數(shù)字化場景。由此為防洪指揮中心提供更加直觀的、真實的攔江流域動態(tài)情況，確保汛情預(yù)報預(yù)警的直觀化、準(zhǔn)確化、高效化[3]。

3.2 流域態(tài)勢的全面數(shù)字映射

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過反向映射的方式實現(xiàn)流域態(tài)勢的全面數(shù)字映射，以此有效控制現(xiàn)實中的控制對象。在蘭江流域防洪中使用數(shù)字孿生技術(shù)將一系列虛擬化的防洪操作轉(zhuǎn)換成接口標(biāo)準(zhǔn)控制指令，由網(wǎng)絡(luò)將指令傳輸至遠(yuǎn)端控制設(shè)備，控制設(shè)備負(fù)責(zé)對相應(yīng)的防洪設(shè)備進(jìn)行處理，由此實現(xiàn)對防洪的及時控制。通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)處理結(jié)果回傳到數(shù)字流域中，通過流域態(tài)勢實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的映射，由此向相關(guān)工作人員展示數(shù)字化場景，由此真正實現(xiàn)現(xiàn)實流域與數(shù)字流域的“雙向映射”。

3.3 多維動態(tài)洪水預(yù)演

多維動態(tài)洪水預(yù)演，可以為模擬推演流域洪水實況與擬定智能決策提供客觀依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)階段蘭江流域防洪的實際情況，通過數(shù)字流域?qū)Σ煌邓畻l件下、不同控制條件下對應(yīng)的洪水影響情況進(jìn)行分析，在分析對比最終防洪效果的基礎(chǔ)上，智能化決策優(yōu)化選定最優(yōu)方案，實現(xiàn)了模擬推演智能化[4]。多維動態(tài)洪水預(yù)演在蘭江流域防洪中的應(yīng)用，有效提升防洪決策的科學(xué)性。蘭江防洪數(shù)字流域充分利用預(yù)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對洪水的虛擬化推演，工作人員通過推演預(yù)測防洪各種可能性，并以此為依據(jù)采取應(yīng)對措施，從而最大限度降低防洪成本。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)為提升防洪精細(xì)化管控提供技術(shù)支持。蘭江流域防洪以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)搭建數(shù)字化場景，由此實現(xiàn)對蘭江流域一系列信息數(shù)據(jù)的高效匯集；以蘭江流域數(shù)字孿生應(yīng)用總體框架為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對步量化數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效控制。在收集大量有效數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，將“四預(yù)”通過監(jiān)控虛擬化、模擬推演智能化在防洪管控中予以落實，從根本上提升蘭江流域防洪效率，真正實現(xiàn)蘭江流域防洪精細(xì)化管控。