基于數(shù)字孿生的陳蔡水庫管控一體數(shù)字化平臺建設(shè)研究

張奇?zhèn)?，王雪峰，李玉?/p>

（杭州華辰電力控制工程有限公司，311100，杭州）

陳蔡水庫是浙江省紹興市諸暨市7座大中型水庫之一，也是浦陽江流域防洪體系中重要的控制性防洪骨干工程之一，為下游防洪安全和經(jīng)濟社會發(fā)展作出了巨大貢獻。

近年，諸暨智慧水利平臺為諸暨水旱災(zāi)害防御能力的提升提供了有力支撐。陳蔡水庫是諸暨智慧水利管控的重要節(jié)點，通過建設(shè)陳蔡水庫數(shù)字孿生平臺，充分運用大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新型技術(shù)，建設(shè)“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）協(xié)同的多跨場景應(yīng)用系統(tǒng)，進一步提升水利決策與管理水平。

一、總體設(shè)計

1.總體框架

陳蔡水庫管控一體數(shù)字化平臺的總體框架可概括為“四橫、四縱”（圖1）?！八臋M”自上而下為業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、應(yīng)用支撐體系、數(shù)據(jù)資源體系、基礎(chǔ)設(shè)施體系，是數(shù)字孿生陳蔡水庫建設(shè)的主體框架?！八目v”為政策制度、組織保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全保障，是項目的保障措施。

圖1 平臺總體框架

圍繞陳蔡水庫業(yè)務(wù)領(lǐng)域，共享集成各相關(guān)業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)，建設(shè)物聯(lián)感知網(wǎng)、數(shù)字孿生平臺、智治業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。通過全力推進新技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字孿生場景化應(yīng)用、運行調(diào)度一體化模擬、工程管理智能化決策。

2.建設(shè)亮點

體系化構(gòu)建防洪、水資源模型，包括陳蔡水庫上下游水文水動力模型、中長期預(yù)報模型、供需分析模型等，并在水災(zāi)害防御、水資源管理應(yīng)用設(shè)計中將“四預(yù)”融入業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯，在防洪、水資源兩方面實現(xiàn)預(yù)報分析、預(yù)警研判、方案預(yù)演、災(zāi)情預(yù)估、預(yù)案執(zhí)行全過程的業(yè)務(wù)融合。

實現(xiàn)陳蔡水庫全域范圍的深度數(shù)字孿生，在感知層面，充分結(jié)合現(xiàn)狀布局全要素感知控制體系，實現(xiàn)孿生感知體系建設(shè)；在孿生數(shù)據(jù)層面，考慮到水庫工程及周邊重要水域全覆蓋，打造多維度、多手段、差異化精度全域數(shù)字底板；在業(yè)務(wù)層面，實現(xiàn)水庫業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生全覆蓋。

二、“天空地水一體化”物聯(lián)感知網(wǎng)體系建設(shè)

通過應(yīng)用物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)的自動化監(jiān)測、智能化監(jiān)控，是信息化系統(tǒng)感知外界的重要接口，同時也是為后續(xù)數(shù)據(jù)分析、智慧決策提供基礎(chǔ)支撐的必要前提。在工程信息化現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，補充完善工程安全監(jiān)測、安防系統(tǒng)、水雨情監(jiān)測、閘門自動化控制等功能，實現(xiàn)工程運行過程的全面感知。同時，利用衛(wèi)星遙感、無人機、無人船、視頻AI等新型監(jiān)測手段，提升對水庫工程及周邊的動態(tài)感知能力，滿足水庫各類業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)和信息在不同時空尺度的需求。

三、數(shù)字孿生平臺建設(shè)

1.數(shù)據(jù)底板

對于陳蔡水庫上下游影響范圍內(nèi)的重點水域，在共享L1和L2級數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，利用傾斜攝影技術(shù)對重點區(qū)域進行空中三角測量加密，匯集重點水域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、直管對象監(jiān)測數(shù)據(jù)和跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，融合構(gòu)建精細(xì)化三維底板。利用BIM 模型、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)對陳蔡水庫進行三維場景打造，對工程土建、綜合管網(wǎng)等構(gòu)建功能級模型單元（LOD2.0），對閘門、發(fā)電機、水輪機等主要機電設(shè)備構(gòu)建構(gòu)件級模型單元（LOD3.0），融合銜接打造一體化水工程三維實景，并集成基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、監(jiān)測及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，完整體現(xiàn)工程重點部位實時運行工況與狀態(tài)，支撐工程全貌三維可視化展示、重點部分高保真模擬。

2.模型庫

模型是實現(xiàn)系統(tǒng)平臺分析最基本的模塊，是水旱災(zāi)害防御、水資源調(diào)度以及水庫運行監(jiān)管等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。支持決策的信息化建設(shè)需要重點研發(fā)水工程智能調(diào)度模型，在預(yù)報預(yù)警基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)水工程智能調(diào)度、水災(zāi)害動態(tài)評估和風(fēng)險調(diào)控、人群避險轉(zhuǎn)移等不同決策階段信息流全過程、水管理全要素之間的互饋響應(yīng)關(guān)系。

本次構(gòu)建的模型包括水文產(chǎn)匯流模型、河道一二維水動力模型、防洪調(diào)度模型、洪水淹沒分析模型等水旱災(zāi)害防御模型，中長期水文統(tǒng)計預(yù)報模型、水資源需水預(yù)測模型、水資源調(diào)配模型、調(diào)度優(yōu)化模型等水資源調(diào)度模型，以及大壩安全監(jiān)測分析模型、視頻AI分析模型等。

3.知識庫

建設(shè)知識庫的目的是將水利各項業(yè)務(wù)涉及的基礎(chǔ)依據(jù)全面結(jié)構(gòu)化、知識化，實現(xiàn)管理依據(jù)快速調(diào)取、管理流程快速調(diào)度、管理執(zhí)行要求快速調(diào)取、管理聯(lián)動操作自動關(guān)聯(lián)，同時實現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警事件關(guān)聯(lián)、監(jiān)測異常與事件處置關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)限制條件及限制因素快速識別等。本次通過匯集多源數(shù)據(jù)，研究應(yīng)用深度挖掘、機器學(xué)習(xí)、知識圖譜等技術(shù)，構(gòu)建歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)庫、調(diào)度知識庫、專家?guī)?、圖像識別等知識庫。

4.孿生引擎

數(shù)字孿生引擎以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，依托二維GIS引擎、三維GIS引擎、BIM引擎和虛幻高渲染引擎等圖形引擎實現(xiàn)數(shù)字孿生工程與物理工程同步仿真運行。

平臺采用基于云架構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的圖形引擎，支持多源異構(gòu)BIM 模型發(fā)布與整合；支持模型服務(wù)輸出；具有完善的圖形繪制、瀏覽、渲染及分析工具組件；滿足數(shù)據(jù)可視化需要，同時滿足BIM+GIS+IoT可視化統(tǒng)籌要求；具有多端（B/S、C/S、App）交互工具；具有Restful API、前端開發(fā)組件，可快速集成，定制項目需求。

四、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

1.水庫運行全景

基于陳蔡水庫三維傾斜攝影模型，疊加展示水庫基礎(chǔ)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測信息（包括水位雨量、大壩安全、視頻、閘門開度等）、預(yù)警信息、隱患點等信息。根據(jù)水文、視頻、大壩安全等各類實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及大壩安全分析模型計算成果，結(jié)合水庫控運管理指標(biāo)進行融合分析，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和計算指標(biāo)數(shù)據(jù)基于三維傾斜攝影模型的綜合展示。

通過三維傾斜攝影模型進行設(shè)施設(shè)備管理，對重要設(shè)備設(shè)置單體化操作，使設(shè)備三維可視化，從而能夠顯示設(shè)備完好性情況，并可查看設(shè)備具體信息。

2.水旱災(zāi)害防御

針對多目標(biāo)綜合調(diào)度的復(fù)雜性，在自動感知水雨情信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合滾動預(yù)報等成果及時進行預(yù)警，并利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)分析工具開展模擬、仿真、分析、預(yù)測，為水庫防洪業(yè)務(wù)決策提供支撐，促進“四預(yù)”過程與數(shù)字孿生融合。

一是防洪動態(tài)監(jiān)測。圍繞數(shù)字孿生支撐水庫智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，充分利用氣象信息以及水雨情監(jiān)測、工情監(jiān)測、視頻監(jiān)視等手段，形成陳蔡水庫的天空地一體化水利感知網(wǎng)，實現(xiàn)對防洪全要素的動態(tài)實時監(jiān)測，為洪澇預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等應(yīng)用的數(shù)據(jù)底板建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

二是洪水預(yù)報。以氣象降雨預(yù)報結(jié)果、實測水位、降雨量、水庫水位-庫容曲線為依據(jù)，分析水庫水文數(shù)據(jù)，采用產(chǎn)匯流模型進行蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流計算、水源劃分計算，結(jié)合河道洪水演進，計算獲得水庫斷面的流量數(shù)據(jù)，提供入庫流量、壩前水位、最大入庫流量和最大壩前水位等預(yù)報結(jié)果。

三是監(jiān)視預(yù)警。整合集成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及未來一個時期形勢預(yù)測，為實施調(diào)度管理、制定調(diào)度方案提供全方位信息支撐。建立洪水預(yù)警機制，結(jié)合實時數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報成果分等級預(yù)警，實現(xiàn)不同尺度、不同階段、不同層面漸進式預(yù)警。

四是洪水預(yù)演?；陉惒趟畮斓匦?、土地利用、河網(wǎng)分布等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，疊加流域水文、水動力模型預(yù)報成果，實現(xiàn)水庫洪水的可視化預(yù)演。系統(tǒng)化集成水庫實景三維模型和水動力洪水演進模型，將洪水演進過程通過實景三維模型進行三維化、可視化、智能化、動態(tài)化實時展示，展現(xiàn)特定量級或?qū)崪y洪水的演進情況，實時反映不同場次洪水條件下河道沿線重要保護對象的動態(tài)淹沒情況（包括淹沒范圍、深度、持續(xù)時間等），從而為預(yù)警預(yù)報、輔助決策和防災(zāi)減災(zāi)提供精準(zhǔn)的決策依據(jù)。

五是防洪預(yù)案。將防汛預(yù)案、度汛預(yù)案、應(yīng)急預(yù)案等進行樹形結(jié)構(gòu)分解，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)塊進行存儲和組合，建立水庫防洪應(yīng)用數(shù)字預(yù)案場景庫。自動匹配多要素組合需求，提取相應(yīng)預(yù)案內(nèi)容，推動不同場景下的預(yù)案優(yōu)選，推送應(yīng)急響應(yīng)級別、組織方式、責(zé)任主體等信息，實現(xiàn)場景化預(yù)案處置，支撐指揮調(diào)度決策。

3.水資源調(diào)配

統(tǒng)籌灌溉、供水等調(diào)度目標(biāo)，基于水雨情、工情等預(yù)報和監(jiān)測信息，調(diào)用來水預(yù)報、需水預(yù)測等水利專業(yè)模型及調(diào)度規(guī)程、調(diào)度預(yù)案等相關(guān)知識，結(jié)合陳蔡水庫數(shù)據(jù)底板及數(shù)字流場信息，構(gòu)建水資源調(diào)配“四預(yù)”應(yīng)用支撐體系，為水庫水資源調(diào)配提供科學(xué)決策支持。

一是供水實時監(jiān)測與信息展示?；陉惒趟畮旃┧O(jiān)測和預(yù)報信息，結(jié)合二三維數(shù)據(jù)底板，綜合展示供水情況實時監(jiān)測信息（時間、庫水位、供水水量等），用戶可查詢和導(dǎo)出供水監(jiān)測表單。依托可視化水資源監(jiān)控體系，結(jié)合水資源預(yù)測成果，以水資源分配總量和有關(guān)考核指標(biāo)為基礎(chǔ)，建立水資源監(jiān)督考核系統(tǒng)，實現(xiàn)對水資源承載力的“紅線預(yù)警”和管控。

二是調(diào)配方案制定和展示。模塊具備中長期方案的自動生成和展示功能，即基于來水預(yù)測和需水預(yù)測，采用相應(yīng)數(shù)學(xué)模型對陳蔡水庫的總體水量平衡進行估計和分析，從而制定中長期水量調(diào)度方案。調(diào)度方案能夠大致確定特定時間段內(nèi)（年、旬、月）水源地水資源量的配比，合理分配水庫供給的水量。模塊提供實時校正修訂中長期調(diào)度方案的接口，可根據(jù)日調(diào)度運行過程實際情況，對中長期調(diào)度方案實施人工調(diào)整。

三是水資源調(diào)度決策配置下達(dá)。水資源調(diào)度決策配置模塊包括水資源的年調(diào)度、旬調(diào)度、月調(diào)度、旱期應(yīng)急調(diào)度的決策配置下達(dá)以及基礎(chǔ)信息的增、刪、改、查功能，實現(xiàn)對不同時間尺度水資源量的動態(tài)調(diào)節(jié)與配置。年調(diào)度、旬調(diào)度、月調(diào)度模塊通過調(diào)用來水預(yù)測（預(yù)報）模型實現(xiàn)年度、旬度、月度的來水形勢分析；通過調(diào)用多水源地水量平衡分析模型，生成可供決策者參考的水資源調(diào)度意見，幫助制定年、旬、月水資源調(diào)度方案。通過調(diào)用旱期應(yīng)急調(diào)度模塊，生成旱期應(yīng)急調(diào)度意見。

四是供水調(diào)度統(tǒng)計分析。供水調(diào)度要素包括歷史及當(dāng)年日、旬、月、年累計供水量、生態(tài)流量、來水量、棄水量等。系統(tǒng)提供供水調(diào)度要素的統(tǒng)計分析功能，如平均值、最大最小值、總量等。通過對上一時段調(diào)度要素的統(tǒng)計，形成興利調(diào)度總結(jié)。同時結(jié)合需水預(yù)測和來水預(yù)測，為下一時段供水計劃和用水方案提供參考依據(jù)。

4.目標(biāo)管理

平臺以管理中心日常業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向進行應(yīng)用場景設(shè)計。圍繞日常運行監(jiān)督管理，以工程虛擬化場景應(yīng)用為主體，打通融合數(shù)字運行管理、多源監(jiān)測等組件，實時展示日常運行監(jiān)督場景的所有相關(guān)信息，在場景內(nèi)實現(xiàn)日常運行的統(tǒng)籌管理和實時追蹤，保障日常管理工作有序開展，對物業(yè)化運維內(nèi)容進行精細(xì)化線上監(jiān)管與評估，同時可依托本部分內(nèi)容構(gòu)建模板化的工程目標(biāo)管理模塊。

日常運行監(jiān)管的重點內(nèi)容包括計劃管理、考核管理、合同管理、控運調(diào)度、巡查巡檢、維修養(yǎng)護、設(shè)備管理、安全管理、工作門戶和孿生巡檢等內(nèi)容。

5.工程安全

為保證工程運行安全，以安全監(jiān)測預(yù)警、安全運行評價等模型為驅(qū)動，快速分析工程運行過程中存在的安全問題及隱患，提升工程安全監(jiān)測預(yù)警的時效性與智能化程度。同時，結(jié)合可視化需求，在二三維數(shù)據(jù)底板上對實時監(jiān)測預(yù)警結(jié)果、安全隱患點進行快速定位、可視化展現(xiàn)，提高預(yù)警處置時效性和安全隱患發(fā)現(xiàn)能力。

一是大壩安全。以陳蔡水庫二三維模型為主體，全面掛接工程安全監(jiān)測場景的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，多方面綜合統(tǒng)計分析，研判工程安全狀態(tài)。大壩安全監(jiān)測應(yīng)用模塊具有數(shù)據(jù)處理、整編分析、圖形制作、分析評估等功能，可初步分析評判建筑物的安全穩(wěn)定性，為工程安全運行提供盡可能充分的信息、方法、分析評判服務(wù)。

二是設(shè)備安全。以陳蔡水庫二三維模型為載體，實時顯示設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括機電設(shè)備的電壓、電流、溫度等，以及閘門、啟閉機等金屬結(jié)構(gòu)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的安全閾值進行不同級別的報警提示。

6.庫區(qū)安防