引黃入冀工程數(shù)字孿生體系建設(shè)初探

□褚益清

為貫徹2022 年全國水利工作會(huì)議、數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會(huì)議精神，水利部按照有關(guān)要求在全國范圍內(nèi)開展數(shù)字孿生流域試點(diǎn)工作。2022 年，相關(guān)單位先后編制完成了94 項(xiàng)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程先行先試實(shí)施方案和《“十四五”數(shù)字孿生流域建設(shè)總體方案》。

目前，全國水利系統(tǒng)均已開始積極探索數(shù)字孿生流域的建設(shè)和應(yīng)用，隨著數(shù)字孿生理論的逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 等技術(shù)的發(fā)展以及無人機(jī)等硬件的普遍應(yīng)用，利用新技術(shù)推動(dòng)引黃入冀工程的數(shù)字化、智能化發(fā)展，有望成為引黃入冀工程高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容。

1.引黃入冀工程概況

河北省現(xiàn)有引黃入冀補(bǔ)淀、位山、潘莊、李家岸4 條引黃線路，分別從河南、山東引調(diào)黃河水，省內(nèi)輸水干線總長917km，途徑邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、滄州市、保定市和雄安新區(qū)的36 個(gè)縣（市、區(qū)），引黃入冀工程擔(dān)負(fù)著向白洋淀、衡水湖、南大港等湖泊濕地和河流生態(tài)補(bǔ)水的重任，在推動(dòng)雄安新區(qū)生態(tài)建設(shè)，助力河北省地下水超采綜合治理，提供引黃沿線受水區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水源，改善省內(nèi)河湖生態(tài)環(huán)境方面意義重大。

引黃入冀補(bǔ)淀工程從河南省濮陽市的渠村閘引水，在魏縣穿衛(wèi)河倒虹吸后入河北省，省內(nèi)線路長398 km；位山引黃工程從山東省聊城市的位山閘引水，在臨西縣經(jīng)劉口穿衛(wèi)涵洞進(jìn)入河北省，省內(nèi)線路長203 km；潘莊引黃工程從山東省德州市的潘莊閘引水，經(jīng)漳衛(wèi)新河倒虹吸進(jìn)入南運(yùn)河，最后到達(dá)天津九宣閘，省內(nèi)線路長242 km；李家岸引黃工程從山東省德州市的李家岸閘引水，經(jīng)漳衛(wèi)新河倒虹吸進(jìn)入河北滄州，省內(nèi)線路長75 km。

2.引黃入冀工程信息化現(xiàn)狀

河北省引黃工程線路多，路徑長，涉及部門多，主要依靠經(jīng)驗(yàn)來執(zhí)行調(diào)度工作，調(diào)度運(yùn)行管理工作量大、難度高，信息化建設(shè)滯后，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是缺乏自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，智能化管理在引黃入冀工程中應(yīng)用不足。引黃輸水期間，水情工情、運(yùn)行情況等要現(xiàn)場(chǎng)查看后層層上報(bào)，調(diào)度命令下達(dá)后不能及時(shí)監(jiān)督執(zhí)行情況，工作效率不高。二是監(jiān)測(cè)設(shè)施體系不完善。引黃輸水期間，大部分工情、水情等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還是主要靠人工采集完成，缺乏自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施，無人機(jī)、高清視頻、衛(wèi)星遙感等新型監(jiān)測(cè)手段在引黃入冀工程中尚未得到應(yīng)用。三是信息共享不到位。各業(yè)務(wù)相關(guān)部門存在數(shù)據(jù)資源不對(duì)等、信息共享不及時(shí)等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)資源不能進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，不能及時(shí)利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析、優(yōu)化和輔助決策。

3.數(shù)字孿生技術(shù)

3.1 數(shù)字孿生定義

數(shù)字孿生就是以物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬信息空間完成對(duì)物理實(shí)體的真實(shí)映射，繼而能反映出相應(yīng)實(shí)體裝備的生命周期過程。也就是將各種傳感器安裝到工程實(shí)體上，應(yīng)用智能的感知手段構(gòu)建擬真的數(shù)字化場(chǎng)景，創(chuàng)建能夠模擬實(shí)際業(yè)務(wù)工作的虛擬模型。在這個(gè)模型中，對(duì)應(yīng)工程實(shí)體的物理屬性、幾何參數(shù)、運(yùn)行規(guī)律等都能得到真實(shí)反映，同時(shí)模型具備監(jiān)測(cè)、評(píng)估、優(yōu)化、預(yù)報(bào)等功能，以工程實(shí)體和虛擬模型的交互融合為基礎(chǔ)，可以提供智能化運(yùn)行、精準(zhǔn)化管控和可靠的運(yùn)維服務(wù)。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

隨著數(shù)字孿生黃河、數(shù)字孿生大藤峽工程、數(shù)字孿生南水北調(diào)工程等數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程先行先試建設(shè)工作的開展，數(shù)字孿生技術(shù)已逐步應(yīng)用在水旱災(zāi)害防御、水資源調(diào)度管理等水利領(lǐng)域，初見成效。

黃河水利科學(xué)研究院基于黃河數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)和數(shù)字孿生技術(shù)，研發(fā)出黃河流域智慧防汛平臺(tái)。該平臺(tái)集成了雨水情、水庫屬性和狀態(tài)信息、河道整治工程及實(shí)時(shí)出險(xiǎn)信息、水文站點(diǎn)等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及水文預(yù)報(bào)模型、水庫聯(lián)調(diào)模型和二維洪水演進(jìn)模型，不僅能實(shí)時(shí)查詢水位、流量、氣象降雨預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)流場(chǎng)和淹沒水深，還能實(shí)現(xiàn)信息預(yù)警、調(diào)度方案生成與影響過程預(yù)演、決策方案優(yōu)選、智能匹配預(yù)案等功能。黃河流域智慧防汛平臺(tái)已初步應(yīng)用在2021 年、2022 年防御大洪水演練工作中，為防汛演練提供了重要的科技支撐。

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，南水北調(diào)東線一期工程山東段搭建出二三維一體模擬仿真平臺(tái)，創(chuàng)建與實(shí)際引調(diào)水工程能夠相互映射的數(shù)字模擬體，再結(jié)合調(diào)水工程特點(diǎn)，運(yùn)用渠池蓄量平衡原理成功研發(fā)出“同步控制自適應(yīng)平衡”調(diào)度控制模型，精準(zhǔn)模擬水量調(diào)度方案運(yùn)用及實(shí)時(shí)調(diào)度過程，建成了智慧化水量調(diào)度系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、精細(xì)化水量調(diào)度管理提供了有力支撐。

4.數(shù)字孿生體系建設(shè)

4.1 數(shù)字孿生與引黃入冀工程運(yùn)行管理的融合性分析

運(yùn)用數(shù)字孿生理論，基于BIM+GIS技術(shù)，在信息空間中建立與工程實(shí)體在空間位置、狀態(tài)、物理、行為、規(guī)劃等方面相互對(duì)應(yīng)的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體在計(jì)算機(jī)中的真實(shí)映射，同時(shí)虛擬模型和工程實(shí)體通過相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行管理過程的實(shí)時(shí)全景監(jiān)視，在及時(shí)了解工程運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度管理的分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制決策。通過建立水量統(tǒng)一調(diào)度信息平臺(tái)，在完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、整合、交換及共享的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工程在物理和信息空間之間的實(shí)時(shí)交互、迭代優(yōu)化，增強(qiáng)引黃入冀工程的信息全面感知、深度分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行能力。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)引黃入冀工程數(shù)字孿生體系，可以大幅提升引黃入冀工程運(yùn)行管理的效率和質(zhì)量。

4.2 建設(shè)目標(biāo)

圍繞引黃入冀工程的業(yè)務(wù)應(yīng)用，以輸水調(diào)度、防汛應(yīng)急、工程管理為中心工作，以采集輸水干渠沿線水量、水質(zhì)、水位、工程運(yùn)行實(shí)時(shí)信息等調(diào)水信息為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM+GIS、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等信息化技術(shù)，建立邏輯統(tǒng)一、交互共享，能為水量統(tǒng)一調(diào)度和工程運(yùn)行管理服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫。通過構(gòu)建安全實(shí)用、高效可靠的數(shù)字孿生體系，達(dá)到透徹感知、全面互聯(lián)、智能處理、高效協(xié)同、便捷應(yīng)用目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水量統(tǒng)一調(diào)度管理輔助決策、防汛應(yīng)急、工程管理維護(hù)、安全運(yùn)行等方面的智能化運(yùn)行，全面提升引黃入冀工程運(yùn)行管理和水量調(diào)度的智慧化管理水平。

4.3 體系建設(shè)

首先完善信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)工程實(shí)際，安裝水位、流量等水情信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、工程安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)用現(xiàn)代化通信技術(shù)，完成通信網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行環(huán)境、計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)系統(tǒng)等的建設(shè)，建成工程監(jiān)測(cè)感知體系。

其次搭建數(shù)字孿生平臺(tái)。以L1、L2 級(jí)數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于BIM+GIS 技術(shù)的L3 數(shù)據(jù)底板，打造虛實(shí)相應(yīng)的數(shù)字化場(chǎng)景；建立符合引黃調(diào)水實(shí)際的水量調(diào)度、安全監(jiān)測(cè)、防洪調(diào)度、工程調(diào)度模型，不同自然環(huán)境下的可視化模型，創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)庫；建立工程防汛預(yù)案、水量調(diào)度方案、突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案等業(yè)務(wù)知識(shí)庫；建成包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識(shí)庫等在內(nèi)的數(shù)字孿生平臺(tái)。

第三建立業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。以需求為牽引，充分利用信息化手段對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行不斷升級(jí)完善，建立三維工程全景可視化平臺(tái)、水量統(tǒng)一調(diào)度管理平臺(tái)、工程運(yùn)行管理和安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，借助業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、共享，實(shí)現(xiàn)水量精細(xì)化調(diào)度和工程運(yùn)行安全管理。

最終通過系統(tǒng)集成，建成全線數(shù)字場(chǎng)景，構(gòu)建覆蓋1 個(gè)引黃中心、4 條引黃干渠、6 個(gè)市（包括雄安新區(qū)）、36 個(gè)縣（市、區(qū)）的數(shù)字孿生體系，完成引黃入冀工程“一張圖”，集成自動(dòng)化調(diào)度與監(jiān)控、水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)、工程安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)與維護(hù)、綜合信息服務(wù)、系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)體環(huán)境等功能，以期實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度、防汛應(yīng)急、工程運(yùn)行管理自動(dòng)化、智慧化、可視化。引黃入冀工程數(shù)字孿生體系總體框架見圖1。

圖1 引黃入冀工程數(shù)字孿生體系建設(shè)總體框架

5.結(jié)語

引黃入冀工程在我省水資源配置方面發(fā)揮了重要作用，在數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展的今天，積極利用新技術(shù)，推動(dòng)引黃入冀工程運(yùn)行管理的數(shù)字化、智能化發(fā)展，是順應(yīng)水利高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)。而我省引黃工程信息化建設(shè)基礎(chǔ)薄弱，引黃入冀數(shù)字孿生體系建設(shè)要在充分整合、利用現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際需求，加快信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，同時(shí)積極借鑒數(shù)字孿生先行先試試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)字孿生應(yīng)用到引黃入冀工程運(yùn)行管理中打好基礎(chǔ)。