基于數(shù)字孿生技術(shù)的水資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 甜 魏雨鈞 何銀俊

（1.長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；3.湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著信息技術(shù)在水資源管理的進(jìn)一步融合和滲透，當(dāng)下水資源管理系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化、智慧化方向發(fā)展，該水資源管理系統(tǒng)綜合運(yùn)行數(shù)字孿生技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遙感及通信等多種信息技術(shù)，有效解決目前水資源管理中存在的諸多問(wèn)題，提高了水資源信息化管理和科學(xué)化決策水平。

2 數(shù)字孿生技術(shù)與水利融合

2.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一種融合模型和數(shù)據(jù)的數(shù)字化技術(shù)，即在計(jì)算機(jī)虛擬空間映射出物理對(duì)象的等價(jià)數(shù)字化模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、5G通信、云計(jì)算、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等多種信息技術(shù)，聯(lián)合傳感器運(yùn)行更新數(shù)據(jù)、物理模型實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的多尺度、多學(xué)科、多物理量、多概率的仿真與優(yōu)化，從而模擬、控制、預(yù)測(cè)并驗(yàn)證物理對(duì)象發(fā)展，最終完成物理對(duì)象的全生命周期過(guò)程管理并做到智能決策優(yōu)化閉環(huán)[1]。

2.2 融合理論基礎(chǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)的組成部分包含虛體、映射和實(shí)體，虛體表現(xiàn)手法有仿真三維可視化模型、沙盤(pán)、動(dòng)畫(huà)及圖片等；實(shí)體包括流域、江河、湖泊、河口及水庫(kù)等；映射是在虛體和實(shí)體之間建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系，是最重要的部分，分為軟件和硬件映射兩種[2]。其中，硬件映射包括無(wú)人船、遙感、檢測(cè)站點(diǎn)、無(wú)人機(jī)以及機(jī)器人等感知設(shè)備；軟件映射包括生態(tài)模型、數(shù)值模型、水質(zhì)模型、數(shù)理統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)模型、泥沙運(yùn)輸模型、二維三維水動(dòng)力模型及氣象數(shù)值模型等。數(shù)字孿生可在虛擬空間中構(gòu)建與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，該孿生體和物理實(shí)體對(duì)象存在規(guī)則、物理、行為及幾何等多方面的精確映射關(guān)系且兩者之間保持實(shí)時(shí)交互從而模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)估、決策和優(yōu)化水利工程運(yùn)行過(guò)程。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)在水利的應(yīng)用方案

數(shù)字化水資源管理以BIM應(yīng)用支撐模塊為基礎(chǔ)，使用SOA架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字化、個(gè)性化、智慧化的應(yīng)用展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)聯(lián)合使用BIM技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源監(jiān)控類、水資源概要類、水資源防洪類、水資源維護(hù)類、水資源模型類、視頻類、空間類、水情類及預(yù)警類等信息服務(wù)功能，以此對(duì)多源信息進(jìn)行重構(gòu)、深度處理及分析統(tǒng)計(jì)，為水資源日常管理提供多樣化的數(shù)據(jù)查詢與多維展示服務(wù)[3]。在BIM三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化處理，結(jié)合信息化管理以實(shí)現(xiàn)三維模型在瀏覽器中快速清晰顯示，輕量化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)唯一性表達(dá)幾何對(duì)象，剔除部分面和點(diǎn)進(jìn)行圖元合并，同時(shí)根據(jù)級(jí)別與距離加載復(fù)雜程度構(gòu)建模型流，在HTML5頁(yè)面上邊下載邊顯示三維模型。輕量化處理完成后，使用HTML5構(gòu)建數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)在瀏覽器上漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)三維模型，與此同時(shí)還可以查看相對(duì)應(yīng)的屬性信息。

數(shù)字孿生技術(shù)在水資源管理的具體應(yīng)用過(guò)程：第一，為水資源管理建立三維模型。使用三維軟件構(gòu)建水資源管理各場(chǎng)景的三維模型，從電氣、土建等專業(yè)角度建立與實(shí)際情況相符合的三維模型，通過(guò)數(shù)字孿生體建立虛實(shí)映射關(guān)系。三維模型可分成微觀、中觀及宏觀三個(gè)規(guī)模層次，其中宏觀級(jí)模型用來(lái)展現(xiàn)大范圍水資源流域的場(chǎng)景，在場(chǎng)景中盡數(shù)標(biāo)記所管理的全部站點(diǎn)，不注重場(chǎng)景細(xì)節(jié)展現(xiàn)，力求全面；中觀級(jí)側(cè)重于水資源外部設(shè)施環(huán)境和管理區(qū)環(huán)境的總體展現(xiàn)，展示水資源管理的總體環(huán)境；微觀級(jí)則重點(diǎn)呈現(xiàn)水資源具體的設(shè)施設(shè)備布置及內(nèi)部環(huán)境等情況。第二，疊加重點(diǎn)屬性信息，三維模型是水資源數(shù)字化管理的載體，數(shù)據(jù)信息為水資源數(shù)字化管理提供服務(wù)支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。屬性信息同模型層級(jí)也分為微觀、中觀及宏觀三個(gè)層次，宏觀級(jí)信息多是概要類信息，是一類描述宏觀場(chǎng)景的基本信息；中觀級(jí)信息主要是水資源管理的基本信息，包括水資源管理的基本數(shù)據(jù)，如設(shè)施設(shè)備運(yùn)行情況等；微觀級(jí)信息側(cè)重設(shè)施設(shè)備信息，包括設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、設(shè)備安裝信息等。第三，水資源管理系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理的應(yīng)用。對(duì)水資源管理的技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)指標(biāo)、缺陷、工程加固和改造情況等分類統(tǒng)計(jì)和管理以便于添加、修改和查詢，為用戶提供多維空間的可視化動(dòng)態(tài)展示。

3 基于數(shù)字孿生的水資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)需求與目標(biāo)

傳統(tǒng)水資源管理方式多使用紙質(zhì)文件和部分電子文檔來(lái)管理與歸檔水資源管理信息，具有信息實(shí)時(shí)性低、管理難度大、查找不方便及協(xié)同性差等弊端。因此，需要借助先進(jìn)信息技術(shù)來(lái)全方位掌控經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及自然等方面的情況，構(gòu)建多類型的底層數(shù)據(jù)庫(kù)；開(kāi)發(fā)特定功能的應(yīng)用模塊，如根據(jù)水資源管理相關(guān)制度計(jì)算對(duì)應(yīng)指標(biāo)并完成分析與評(píng)價(jià)；對(duì)于水功能區(qū)水質(zhì)條件發(fā)生變化或水資源需求立項(xiàng)，分析基本數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)診斷評(píng)估相關(guān)的影響，為科學(xué)決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐，提高水資源管理的信息化水平，滿足水資源的日常管理需要。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)現(xiàn)狀深入調(diào)查，尤其是水資源開(kāi)發(fā)利用情況、水利發(fā)展?fàn)顩r及水環(huán)境狀況，在此基礎(chǔ)上細(xì)分水資源分區(qū)并建立基本數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合使用GIS、GPS、遙感及虛擬仿真技術(shù)來(lái)完善水資源監(jiān)控系統(tǒng)，建立數(shù)字化流域平臺(tái)。以水資源某區(qū)為例，建立安全評(píng)價(jià)體系，劃分基本安全、不安全和嚴(yán)重不安全三個(gè)安全類型，評(píng)價(jià)水資源安全并預(yù)警和綜合評(píng)估水資源安全風(fēng)險(xiǎn)從而制定水資源應(yīng)急預(yù)案[5]。與此同時(shí)，根據(jù)節(jié)水型建設(shè)要求，設(shè)計(jì)入河排污許可和水權(quán)制度，優(yōu)化水資源調(diào)度系統(tǒng)以保護(hù)水資源環(huán)境和生態(tài)，具體技術(shù)線路見(jiàn)圖1。水資源管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)+電子文檔作為資料存儲(chǔ)管理模式，使用ASP.NET開(kāi)發(fā)Web系統(tǒng)，用PHP開(kāi)發(fā)相關(guān)訂閱號(hào)和企業(yè)號(hào)，同時(shí)借助百度最新地理信息資源來(lái)有效降低水資源管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。

圖1 技術(shù)路線圖

3.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)群，設(shè)有水資源考核計(jì)算模塊、分析評(píng)價(jià)模塊、人機(jī)友好交互界面等核心模塊，聯(lián)合應(yīng)用Web交互、移動(dòng)APP交互及客戶端三維仿真交互等，同時(shí)結(jié)合微軟地圖數(shù)據(jù)源及百度地圖API等，無(wú)縫構(gòu)建統(tǒng)一的包含地圖服務(wù)端數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、本地空間數(shù)據(jù)及高精度河道水系數(shù)據(jù)等多源的空間數(shù)據(jù)集，水資源管理系統(tǒng)的主要架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 水資源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

4 水資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 水資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水資源管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層及功能層構(gòu)成，數(shù)據(jù)服務(wù)層用于提供基本數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)支撐，涉及水環(huán)境保護(hù)、水資源管理及防汛抗旱等核心業(yè)務(wù)場(chǎng)景，包含水資源公報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)、水功能區(qū)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、水資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)、空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)、取水戶檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、柵格數(shù)據(jù)以及圖片、影像和文檔數(shù)據(jù)七類數(shù)據(jù)庫(kù)，其中文件數(shù)據(jù)處理過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 文檔數(shù)據(jù)處理過(guò)程

水資源公報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)水質(zhì)狀況、水資源開(kāi)發(fā)利用情況及水資源量等信息；水功能區(qū)信息數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)規(guī)定范圍內(nèi)的地表水，如水庫(kù)、湖泊、河流及大溝等，劃分功能區(qū)，同時(shí)劃分深層地表水、中層地表水及淺層地表水功能區(qū)；水資源管理數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)水資源具體考核標(biāo)準(zhǔn)，收集整理、分析并集中管理水資源數(shù)據(jù)，如建成水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以管理某一或特定區(qū)域的用水定額信息、產(chǎn)品信息及取水許可戶信息等；空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)用于收集并存儲(chǔ)湖、排污口、河、污水處理廠、水功能區(qū)等詳細(xì)空間地理數(shù)據(jù)；取水戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)大規(guī)模農(nóng)田水利、企業(yè)及重點(diǎn)監(jiān)管取水戶的取水情況等信息；圖片、影像及文檔數(shù)據(jù)主要收集并存儲(chǔ)水資源方面發(fā)展戰(zhàn)略及治理方針、水資源管理用水、取水申報(bào)資料、管理服務(wù)指南資料、項(xiàng)目審批流程圖、水功能區(qū)檢測(cè)資料、視頻影像及審批電子檔案等資料；柵格數(shù)據(jù)整合現(xiàn)有的高程數(shù)據(jù)、遙感影像、地圖多源柵格數(shù)據(jù)，以此作為水資源三維數(shù)字模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。

應(yīng)用層作為數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)的核心組成部分，為用戶以Web、移動(dòng)端、客戶端三種方式提供數(shù)據(jù)查看及業(yè)務(wù)管理服務(wù)，主要用作接收前端命令與數(shù)據(jù)，并將參數(shù)傳遞給數(shù)據(jù)服務(wù)層進(jìn)行處理。應(yīng)用層有自動(dòng)響應(yīng)和自定義事務(wù)要求兩類工作模式，前者為很多事件預(yù)先做好情景預(yù)案與功能模塊，在達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，水資源管理系統(tǒng)觸發(fā)并響應(yīng)和反饋相應(yīng)結(jié)果，如公眾號(hào)，先預(yù)設(shè)一些關(guān)鍵詞，當(dāng)用戶輸入某一關(guān)鍵詞時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)結(jié)果；后者是像數(shù)據(jù)挖掘、交互分析處理及水資源輔助決策等不同用戶根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行自定義的事務(wù)，系統(tǒng)為用戶提供水資源決策的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)[7]。

功能層包含Web交互、移動(dòng)APP交互及三維數(shù)字仿真等模塊，Web交互使用瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，為用戶提供水資源信息查詢和合理配置、科學(xué)管理等功能服務(wù)，綜合使用地理信息系統(tǒng)、水文水資源、通信及數(shù)字化等方面的技術(shù)，并將webGIS功能融入水資源管理和日常業(yè)務(wù)中，使用統(tǒng)一后臺(tái)為不同權(quán)限不同客戶端的客戶提供各種水資源管理服務(wù)；移動(dòng)APP交互可用于3G、4G和5G網(wǎng)絡(luò)條件下，當(dāng)水資源管理人員需要外出辦公時(shí)，僅需要訪問(wèn)手機(jī)上移動(dòng)APP就可查詢水資源管理信息及輔助決策等信息；三維數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)序DEM地形數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集中管理，可多維度動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)河道、排污口、取水口等基本信息。

4.2 核心功能

水資源管理系統(tǒng)的核心功能有電子文檔處理、圖片處理、符合查詢等，由于管理系統(tǒng)涉及的檔案資料多是Word類型文件，因此，實(shí)現(xiàn)Word文件的錄入、統(tǒng)計(jì)、修改及檢索具有重要意義[8]。具體步驟是：第一，開(kāi)發(fā)工具中啟動(dòng)Word，若內(nèi)存存在Word程序則調(diào)用，如果不存在則啟動(dòng)Word；第二，從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取文件數(shù)據(jù)到本地磁盤(pán)或?qū)⒈镜卮疟P(pán)數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖片處理用來(lái)處理紙質(zhì)文件經(jīng)掃描后生成的圖片數(shù)據(jù)，隨著大容量硬盤(pán)的出現(xiàn)，對(duì)于這類數(shù)據(jù)采用直接存儲(chǔ)的方式足以滿足系統(tǒng)圖片存儲(chǔ)的需要。另外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了檔案號(hào)、目錄號(hào)、簽發(fā)人及標(biāo)題等信息的多重復(fù)合查詢和模糊查詢。

4.3 應(yīng)用效果

本文以某清水江干流為例，應(yīng)用水資源管理系統(tǒng)，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生平臺(tái)并得到可視化示意圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 某清水江干流可視化示意圖

該數(shù)字孿生平臺(tái)融合壩體BIM模型、庫(kù)區(qū)水下地形、實(shí)時(shí)水雨工情及三維實(shí)景模型等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)集成水資源配置、水文預(yù)報(bào)等水利專業(yè)模型。其中，供需分析作為水資源管理與科學(xué)調(diào)配的關(guān)鍵與核心內(nèi)容，由此對(duì)某清水江干流2023年的供水能力進(jìn)行預(yù)測(cè)（見(jiàn)表1）。

表1 某清水江干流2023年供水能力預(yù)測(cè)（單位：萬(wàn)m3）

利用水資源管理系統(tǒng)來(lái)分析不同區(qū)域的水資源供需平衡情況，可以得到某區(qū)域的供水能力、需水量，從而判斷該區(qū)域是否缺水，什么時(shí)間缺水多少等，進(jìn)而制定并采取有針對(duì)性的供需平衡措施。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于數(shù)字孿生的水資源管理系統(tǒng)具有用戶界面簡(jiǎn)單友好、兼容性強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其有望為水資源管理部門提供一個(gè)高效、便利、快捷的水資源信息查詢與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，未來(lái)重點(diǎn)放在實(shí)現(xiàn)該水資源管理系統(tǒng)以期盡早在水資源管理領(lǐng)域投入使用，提高水資源管理效率、科學(xué)決策水平及信息管理水平。