數(shù)字孿生技術(shù)在某水利樞紐工程的應(yīng)用

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（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

某水利樞紐工程包括水庫工程、供水工程和配套灌區(qū)工程。其中，水庫工程正常蓄水位4 325.00 m，總庫容3.75億m3，電站裝機容量為58 MW；供水工程多年平均灌溉供水量1 528 萬m3，灌區(qū)農(nóng)村人飲供水量86 萬m3，縣城供水量175 萬m3；配套灌區(qū)工程灌溉面積超過0.26 萬hm2。工程建設(shè)任務(wù)是以防洪、灌溉、發(fā)電為主，結(jié)合城鄉(xiāng)供水，并為改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。

數(shù)字孿生水利工程以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，運用新一代信息技術(shù)耦合歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型，開展工程精細(xì)建模和業(yè)務(wù)智能升級，全面提升工程防洪調(diào)度、水資源優(yōu)化調(diào)度、工程安全管理和運行管理水平，全面提升工程水旱災(zāi)害防御能力和水資源調(diào)配“四預(yù)”能力，為數(shù)字孿生流域建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)字孿生工程總體設(shè)計

數(shù)字孿生水利工程建設(shè)依據(jù)智慧水利總體框架，并參照《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》[1]進(jìn)行設(shè)計，包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系等。本文主要對系統(tǒng)中數(shù)字孿生平臺進(jìn)行研究分析。數(shù)字孿生工程總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生工程總體架構(gòu)

2 數(shù)字孿生平臺研究

數(shù)字孿生平臺是由數(shù)據(jù)、模型、知識等資源及管理、表達(dá)、驅(qū)動這些資源的引擎組成的服務(wù)平臺，提供在網(wǎng)絡(luò)空間虛擬再現(xiàn)真實水利工程能力，為工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。其主要研究內(nèi)容包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫和孿生引擎等。

2.1 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板由地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)等構(gòu)成數(shù)字孿生水利工程算據(jù)基礎(chǔ)。按照地理空間數(shù)據(jù)精度和建設(shè)范圍，數(shù)據(jù)底板可以劃分為L1、L2、L3 級數(shù)據(jù)底板。

2.1.1 GIS采集與數(shù)據(jù)處理

（1）總體思路。通過共享水利部L1級地理空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行航空攝影、傾斜攝影、無人船測量等，獲取覆蓋水利樞紐區(qū)以及配套灌區(qū)工程的垂直航空影像數(shù)據(jù)、傾斜航空影像數(shù)據(jù)、水下地形數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、傾斜攝影模型、水下地形等，建設(shè)完善L2、L3 級地理空間數(shù)據(jù)，為各項業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)學(xué)基準(zhǔn)?？臻g參考采用2000 國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）的投影坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

（3）建設(shè)內(nèi)容及范圍。該水利樞紐區(qū)約2 km2，生產(chǎn)格網(wǎng)間距為2 m 的DEM、地面分辨率為0.1 m的DOM、下視影像地面分辨率為3 cm 的傾斜攝影模型。

該水利樞紐庫區(qū)約10 km2，生產(chǎn)庫區(qū)和回水區(qū)測量采樣間隔優(yōu)于1 m 的水下地形，淤積嚴(yán)重、沖淤變化明顯的重點水下區(qū)域測量采樣間隔優(yōu)于0.5 m的水下地形。

配套灌區(qū)的干渠總線路長約74 km，管理范圍和保護(hù)范圍按河道以外100 m 計算，總面積約58 km2，生產(chǎn)格網(wǎng)間距為5 m的DEM、地面分辨率為0.2 m的DOM。

2.1.2 BIM模型建設(shè)

BIM 模型[2]是工程數(shù)字孿生專題范圍內(nèi)建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施等數(shù)據(jù)的模型載體，也是BIM服務(wù)的基礎(chǔ)信息模型，用于提供建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施精確的構(gòu)件尺寸、逼真的材質(zhì)紋理和詳細(xì)的屬性信息。

樞紐區(qū)建模范圍包括主壩、泄洪建筑物、發(fā)電引水建筑物、電站廠房、過魚建筑物、安全監(jiān)測設(shè)備、副壩、交通工程、供水線路等，灌區(qū)建模范圍主要是灌區(qū)工程取水口。

根據(jù)《數(shù)字孿生工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》要求，運維期BIM 模型精度宜按對象劃分為不同級別，對于壩區(qū)岸坡、工程土建、綜合管網(wǎng)、機電設(shè)備等，宜構(gòu)建功能級模型單元（LOD2.0）；對于閘門、發(fā)電機、水輪機等關(guān)鍵機電設(shè)備，宜構(gòu)建構(gòu)件級模型單元（LOD3.0）。模型應(yīng)集成工程的幾何信息、屬性信息和位置姿態(tài)信息。本工程運維期工程土建、一般機電設(shè)備等，構(gòu)建功能級模型單元（LOD2.0）；閘門、發(fā)電機、水輪機等關(guān)鍵機電設(shè)備，構(gòu)建構(gòu)件級模型單元（LOD3.0）。

2.1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

本工程數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)等。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涵蓋工程的主要屬性數(shù)據(jù)，包括工程基礎(chǔ)信息、設(shè)備信息、用戶信息、權(quán)限信息、文檔資料等。

監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋工程直接采集的數(shù)據(jù)，包括工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、水溫數(shù)據(jù)、生態(tài)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、供水流量數(shù)據(jù)、灌區(qū)水位流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)資源共享規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行整合。業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)及時更新，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，文檔數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲。

地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)采用共享及新建相結(jié)合的方式，對于匯集的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，對于傾斜攝影模型數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化處理，將重要管理對象優(yōu)化處理和細(xì)化處理，同時考慮到數(shù)據(jù)安全使用開展數(shù)據(jù)脫密脫敏工作，確保數(shù)據(jù)使用安全。

外部共享數(shù)據(jù)主要包括水利部、流域管理機構(gòu)、水行政主管部門、自然資源和規(guī)劃部門、統(tǒng)計局、地方政府部門、發(fā)改委、氣象部門、水文部門、應(yīng)急管理局等部門和單位相關(guān)數(shù)據(jù)，分別采用約定服務(wù)接口或數(shù)據(jù)文件采集的方式實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)的共享交換，為工程綜合決策調(diào)度提供更全面的數(shù)據(jù)支撐。外部共享數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要同步更新。

2.2 模型庫

2.2.1 水利專業(yè)模型

按照“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、云服務(wù)”的要求，制定模型平臺開發(fā)、調(diào)用、共享和接口等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保障各類模型的通用化封裝及模型接口的標(biāo)準(zhǔn)化，以微服務(wù)方式提供統(tǒng)一調(diào)用服務(wù)，供各級單位進(jìn)行調(diào)用。其主要包括洪水預(yù)報模型、中長期來水預(yù)報模型、工程安全監(jiān)測分析模型及水庫調(diào)度模型。

（1）洪水預(yù)報模型。該模型基于天氣預(yù)報模式獲取流域中短期氣候預(yù)報數(shù)據(jù)，利用水文模擬方法進(jìn)行產(chǎn)匯流量計算，得到未來一個月的水文預(yù)報。預(yù)報模式通過求解一系列描述大氣物理過程的動量方程、連續(xù)性方程、熱力學(xué)方程來模擬天氣過程，其內(nèi)部參數(shù)化方案較其他中尺度模式豐富，各物理過程間存在相互反饋，相關(guān)作用關(guān)系如圖2所示。

圖2 WRF模式中物理過程相關(guān)作用示意

（2）中長期來水預(yù)報模型。中長期徑流預(yù)測方法多樣，各算法復(fù)雜度、運算精度不一，在實際應(yīng)用過程中可選用不同算法進(jìn)行預(yù)測，最后進(jìn)行預(yù)報方案的選擇與評價，選擇最佳預(yù)測方案，提高預(yù)測結(jié)果的可靠性。本項目可選擇定性氣象預(yù)報結(jié)合統(tǒng)計分析法、周期均值疊加法、小波周期分析法、季節(jié)性小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等進(jìn)行中長期來水預(yù)測，并將各種方法集成到系統(tǒng)軟件。該模型可以提供水庫中長期來水預(yù)報，為水量調(diào)度決策系統(tǒng)中的調(diào)度計劃制定提供計算理論支撐。

（3）工程安全監(jiān)測分析模型。工程安全監(jiān)測分析-統(tǒng)計模型是建立在數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)上的模型，它具有“后驗”的性質(zhì)。由于工程安全監(jiān)測的監(jiān)測量（如位移、滲壓、應(yīng)力等）是各種環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果，為了解決各環(huán)境量與監(jiān)測量之間的關(guān)系，可以建設(shè)數(shù)學(xué)分析模型。

工程安全監(jiān)測分析-混合模型是綜合利用統(tǒng)計分析和確定函數(shù)法建立的分析模型。這種模型主要考慮到前面2種基本方法的優(yōu)缺點，綜合了2種模型的優(yōu)點。該模型以有限元方法求得水壓分量的表達(dá)式，將溫度分量計算改用統(tǒng)計方法求得，即用常規(guī)的溫度因子和時效因素組成分析模型，用統(tǒng)計方法求得最佳回歸方程，并用實測值進(jìn)行校正和修改，從而使預(yù)測模型更加接近實際。這是介于統(tǒng)計模型和確定性模型之間的分析模型，其形式類似于確定性模型和統(tǒng)計模型。

（4）水庫調(diào)度模型?；诠こ烫匦院瓦\行目標(biāo)的分析，在保證管道安全穩(wěn)定輸水的前提下，根據(jù)水資源調(diào)度主管部門提供的當(dāng)前面臨日可供水量、當(dāng)?shù)乜晒┧亢颓捌谟盟澢闆r，考慮工程當(dāng)前運行狀態(tài)、各管道輸水能力等條件，實時滾動修正旬水量分配方案，協(xié)調(diào)水量分配，形成全線實時水量分配方案。

根據(jù)實時調(diào)度運行與控制的要求，實時調(diào)度采用“前饋＋反饋”的控制模式。前饋控制是根據(jù)初始及目標(biāo)狀態(tài)的流量、水位、渠道蓄水量等信息初步制定閘/閥門流量變化過程。反饋控制是根據(jù)渠道水力要素采用閘/閥前常水位的控制方式，需要結(jié)合閘/閥前常水位的偏離程度進(jìn)行。為此，實時調(diào)度模型開發(fā)過程中設(shè)置了渠道運行狀態(tài)判別指標(biāo)和控制策略對過閘/閥流量及閘/閥門開度進(jìn)行修正，以保證流量變化過程與前饋制定的理論過程一致。

2.2.2 智能識別模型

視頻識別功能服務(wù)應(yīng)能利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用全監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)等專業(yè)的視頻識別與分析算法，開展對采集視頻數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和修正，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的分析與認(rèn)知，可滿足對諸如水庫上下游河道的險情監(jiān)管、“四亂”治理監(jiān)管和工程運行安全監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求。

通過視頻數(shù)據(jù)對工程水位、流量狀態(tài)進(jìn)行自動識別、預(yù)警與趨勢分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合歷史水情數(shù)據(jù)、歷史險情數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對可能出險工程的預(yù)警。

針對水庫周邊亂占、亂采、亂堆和亂建問題，通過對視頻數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對種植阻礙行洪林木及高稈作物、河道采砂、污染物、漂浮物、非法建筑物等進(jìn)行時事件和完成時事實的自動偵測、預(yù)警、統(tǒng)計和趨勢分析，并結(jié)合水利巡檢系統(tǒng)對“四亂”問題做到及時響應(yīng)和處理。

通過對工程運行機房、閘室、建筑外觀、周邊河道視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)的分析，自動偵測并預(yù)警人員非法下河、閘門啟閉異常、工程運維人員違規(guī)操作、建筑物落石等影響工程運行安全的事件。

2.3 知識庫

2.3.1 預(yù)報調(diào)度方案庫

在收集已有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)樞紐工程所在區(qū)域特點、水利工程、影響區(qū)域范圍等，新建或修編所需預(yù)報調(diào)度需要的各類方案，并實現(xiàn)調(diào)度預(yù)案的信息自動化、文本化和知識化處理，結(jié)合預(yù)案關(guān)鍵信息檢索與索引，構(gòu)建預(yù)報方案調(diào)度庫。通過將業(yè)務(wù)文檔內(nèi)容結(jié)構(gòu)化處理，形成一系列可組合應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化規(guī)則集，全面梳理各類水工程的相關(guān)調(diào)度方式，提出其邏輯化、數(shù)字化表達(dá)和存儲方式，形成服務(wù)于防洪調(diào)度和水量調(diào)度的規(guī)則庫。

2.3.2 業(yè)務(wù)規(guī)則庫

針對樞紐工程監(jiān)控及管理，圍繞管理業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，主要包括水庫、泵站、水閘、河道等重點工程的監(jiān)測監(jiān)控需求，監(jiān)測數(shù)據(jù)的整編分析、風(fēng)險分析、預(yù)警分析等分析評估需求，巡視檢查、維修養(yǎng)護(hù)、管理考核等不同的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建相應(yīng)的業(yè)務(wù)規(guī)則庫，通過接入實時數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否越限，對于越限的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行分級、預(yù)警和警報，實現(xiàn)水工程安全運行監(jiān)管。

2.4 孿生引擎

2.4.1 數(shù)據(jù)引擎

數(shù)據(jù)引擎提供多維多時空尺度數(shù)據(jù)匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、共享、展示、計算、更新等服務(wù)能力，具備多類型多層次數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集清洗、標(biāo)準(zhǔn)化治理、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)。

2.4.2 模擬仿真引擎

模擬仿真引擎以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，通過驅(qū)動水利虛擬對象的系統(tǒng)化運轉(zhuǎn)，結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，通過API耦合場景和模型進(jìn)行物理驅(qū)動、實時渲染、動態(tài)視覺特效等，進(jìn)而精準(zhǔn)、快速表達(dá)水利專業(yè)模型和智能模型的結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)字孿生流域/工程與物理流域/工程的歷史數(shù)據(jù)及事件重現(xiàn)、實時同步仿真運行以及模型算法預(yù)測結(jié)果的模擬。通過實時渲染功能，實現(xiàn)天氣變換、晝夜日照、光影效果、材質(zhì)還原等功能。通過對物理流域或工程進(jìn)行實時渲染，達(dá)到真正意義上的將現(xiàn)實世界孿生仿真到虛擬世界，并且為模擬仿真和業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)提供技術(shù)通路。

3 結(jié)論

水利樞紐工程管理業(yè)務(wù)龐雜，亟需按照數(shù)字孿生技術(shù)路線，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，構(gòu)建數(shù)字孿生水利工程。通過開展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利工程[3]，提升工程各項數(shù)據(jù)的運用水平，為水利工程的調(diào)度決策提供準(zhǔn)確、高效的支撐。其中，數(shù)字孿生平臺建設(shè)是數(shù)字孿生工程的基礎(chǔ)和核心，通過本文論述內(nèi)容的建設(shè)，可以全面提高該水利工程運行、維護(hù)、管理和決策的水平，同時提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。