江西省虎山站“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 飛，王述強(qiáng)，李 灣

（1.江西省水文監(jiān)測中心，江西 南昌 330000；2.北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100089）

1 背景

虎山水文站為樂安河江西省境內(nèi)的水文站。按照水利部“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，結(jié)合虎山水文站及所在流域防洪要求，構(gòu)建虎山水文站“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)。圍繞數(shù)字孿生水文站建設(shè)任務(wù)，充分利用現(xiàn)有建設(shè)成果，找準(zhǔn)重點(diǎn)，突出亮點(diǎn)，緊抓任務(wù)時間和目標(biāo)，力爭做出成效，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。

基于本項(xiàng)目的建設(shè)，探索貼合江西水利特點(diǎn)的數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)路線，積累寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)江西省其他流域和水利工程數(shù)字孿生建設(shè)提供可復(fù)制、可推廣的示范技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)字孿生流域的共建共享，確保與水利部、省級水利部門、工程管理單位共享數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、時效性和同步性，實(shí)現(xiàn)與水利部、流域管理機(jī)構(gòu)、省水利廳單位之間數(shù)字孿生平臺的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。

2 “四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)

虎山水文站“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字孿生底板、可視化模型、數(shù)字模擬仿真引擎等。

2.1 數(shù)字孿生底板

數(shù)字孿生底板是數(shù)字孿生及業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐[1]。在充分利用江西水利一張圖的基礎(chǔ)上，通過完善時空多尺度數(shù)據(jù)映射，擴(kuò)展三維展示、數(shù)據(jù)整合、分析計算、動態(tài)場景等功能，建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、三級貫通的數(shù)據(jù)底板。

2.2 可視化模型

依托數(shù)字孿生底板地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和水利專業(yè)模型，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需要構(gòu)建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態(tài)、水利工程、水利機(jī)電設(shè)備的預(yù)演過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

2.3 數(shù)字模擬仿真引擎

通過BIM 技術(shù)，提升服務(wù)平臺在三維空間的數(shù)據(jù)服務(wù)能力[2]。數(shù)字孿生體的模擬仿真采用高性能3 D 實(shí)時渲染技術(shù)，融合地圖、數(shù)據(jù)、場景、物聯(lián)網(wǎng)和外部系統(tǒng)，形成一體化業(yè)務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)。所有業(yè)務(wù)搭載在三維平臺圖層之上，將視頻、動畫、2 D/3 D 圖形與實(shí)時數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)一整合，最大限度滿足原生模擬輸出呈現(xiàn)。

3 “四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

以物理流域水利工程及相關(guān)水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)支撐，在已有信息基礎(chǔ)上建設(shè)數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺進(jìn)而構(gòu)建數(shù)字孿生平臺，面向水行政主管部門領(lǐng)導(dǎo)、管理人員、工作人員等提供洪水預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案業(yè)務(wù)應(yīng)用。系統(tǒng)總體框架分為物理流域?qū)印?shù)字孿生流域?qū)?、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

圖1 總體框架

3.2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

基于前端感知設(shè)備采集或共享的氣象、河流、監(jiān)測等數(shù)據(jù)，利用模型平臺構(gòu)建的可視化模型、水利專業(yè)模型等，對水文站所在流域洪水過程進(jìn)行提前預(yù)報；洪水預(yù)警是在洪水預(yù)報的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定的防洪相關(guān)數(shù)據(jù)的閾值，對監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并最終發(fā)布預(yù)警信息；洪水預(yù)演模塊是對已有的多種防洪調(diào)度方案進(jìn)行三維可視化預(yù)演，預(yù)演結(jié)果將展示在會商決策模塊，為領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持；防洪調(diào)度預(yù)案模塊是基于預(yù)演的結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合知識平臺提供的知識依據(jù)，比選出最優(yōu)的調(diào)度方案以及適宜的應(yīng)急預(yù)案。在防洪工作結(jié)束后利用防洪評估系統(tǒng)對洪水災(zāi)害損失、防洪調(diào)度執(zhí)行等方面進(jìn)行評價評估?！八念A(yù)”業(yè)務(wù)流程，如圖2所示。

圖2 “四預(yù)”業(yè)務(wù)流程設(shè)計

4 “四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)

4.1 數(shù)字孿生平臺

4.1.1 數(shù)據(jù)底板

虎山水文站數(shù)據(jù)底板建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)資源池、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務(wù)等。

（1）數(shù)據(jù)資源池。建立虎山水文站數(shù)據(jù)資源池，充分整合與集成實(shí)時雨水情庫、水文信息數(shù)據(jù)庫、防汛抗旱專用數(shù)據(jù)庫、水利工程庫、實(shí)時工情庫等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、成果信息、地理空間信息、多媒體信息的構(gòu)建、整合、集成和管理。

（2）數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型包括水利數(shù)據(jù)模型、水利網(wǎng)格模型和水利工程模型。其中，水利數(shù)據(jù)模型面向水利業(yè)務(wù)多目標(biāo)、多層次的復(fù)雜需求，通過描述水利對象的空間、屬性、關(guān)系、時態(tài)等信息，構(gòu)建水利數(shù)據(jù)模型，形成描述水利信息全貌的模型體系?；⑸剿恼舅帢钒埠恿饔蛩W(wǎng)格管理模型的建設(shè)，參照其他行業(yè)成功的網(wǎng)格管理模型，從行政區(qū)劃、自然流域、水資源功能區(qū)等不同角度出發(fā)，劃分不同的管理分區(qū)，對不同分區(qū)維度進(jìn)行整合，形成水利網(wǎng)格化管理模型。通過傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建虎山水文站高精度模型。

（3）數(shù)據(jù)治理。數(shù)據(jù)治理為三級數(shù)據(jù)底板構(gòu)建提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)支持。對數(shù)據(jù)資源池中二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)資源進(jìn)行預(yù)處理、清洗、加工、輕量化、關(guān)聯(lián)鏈接、融合、入庫和備份與恢復(fù)等工作。

（4）數(shù)據(jù)服務(wù)。對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，形成可融合共享和聯(lián)動更新的數(shù)據(jù)底板；對水文、水資源等專業(yè)水力模型進(jìn)行整合，通過Web服務(wù)接口提供模型調(diào)用、參數(shù)配置、預(yù)先條件定義、成果定制等數(shù)據(jù)服務(wù)，為防洪“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保障。

4.1.2 模型平臺

模型平臺重點(diǎn)建設(shè)水利專業(yè)模型、可視化模型、數(shù)字模擬仿真引擎。其中，水利專業(yè)模型的建設(shè)利用已有分布式水文模型和水文水動力模型，補(bǔ)充構(gòu)建集總式水文模型和預(yù)報調(diào)度一體化模型，對現(xiàn)有水文模型進(jìn)行集成和優(yōu)化；可視化模型的建設(shè)依托數(shù)據(jù)底板地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和水利專業(yè)模型，根據(jù)需要構(gòu)建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態(tài)、水利工程、水利機(jī)電設(shè)備的“四預(yù)”過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

4.1.3 知識平臺

根據(jù)收集的虎山水文站歷年水文實(shí)測數(shù)據(jù)和所在流域的水利工程情況，集成各類預(yù)報調(diào)度方案、調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)實(shí)情況與預(yù)演情況的對比分析迭代優(yōu)化模型算法，形成調(diào)度預(yù)案知識庫，構(gòu)建動態(tài)優(yōu)化、實(shí)時更新的水利知識庫，提升智慧化決策支撐水平。

4.2 “四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用

按照江西省智慧水利建設(shè)技術(shù)規(guī)范和水利部數(shù)字孿生流域建設(shè)要求，采用微服務(wù)、二三維一體化等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)虎山水文站“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。充分利用已建成果，構(gòu)建虎山水文站“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合洪水預(yù)報調(diào)度的各類信息資源，全面掌握虎山水文站及所在流域防汛相關(guān)信息，在信息整合與展示的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虎山水文站預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的數(shù)字化場景，實(shí)現(xiàn)虎山水文站及所在流域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注對象的智慧化模擬，輔助管理者實(shí)施精準(zhǔn)化決策。

4.2.1 預(yù)報業(yè)務(wù)

預(yù)報業(yè)務(wù)主要是構(gòu)建綜合信息查詢與展示、多源降雨數(shù)據(jù)接入、多模式預(yù)報、洪水態(tài)勢分析等功能應(yīng)用。通過應(yīng)用功能的開發(fā)建設(shè)，為數(shù)字孿生平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢，提高降雨數(shù)據(jù)的精度（如雷達(dá)測雨數(shù)據(jù)[3]）以及延長洪水的預(yù)見期（如利用降雨數(shù)值預(yù)報）。針對不同的應(yīng)用場景和需要，采用集總式水文模型、分布式水文模型、一二維水文水動力耦合模型等多種預(yù)報模型方法進(jìn)行洪水預(yù)報，基于時間軸，分析虎山水文站所在流域洪水過去、現(xiàn)在、未來的變化過程，包括動態(tài)變化趨勢。

4.2.2 預(yù)警業(yè)務(wù)

智能化預(yù)警通過各類技術(shù)手段，包括智能分析技術(shù)，將洪澇災(zāi)害信息及時或提前傳遞給防洪工作人員和社會公眾，達(dá)到避免或減少洪水帶來的損失的目的。實(shí)時信息監(jiān)測預(yù)警通過雨情、水情、工情信息的實(shí)時監(jiān)控，掌握虎山水文站所在流域的實(shí)時汛情；河道洪水預(yù)警根據(jù)流域上游集總式水文模型、分布式水文模型的預(yù)報成果，結(jié)合河道水文站的洪水預(yù)警指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)斷面的洪水預(yù)警；鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪水及淹沒預(yù)警依據(jù)分布式水文模型、一維水動力模型的計算成果，結(jié)合各斷面的洪水預(yù)警指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)河道重要斷面的洪水預(yù)警。

4.2.3 預(yù)演業(yè)務(wù)

通過調(diào)用模型平臺中的一二維耦合水文動力學(xué)模型微服務(wù)，后臺實(shí)時滾動計算洪水演進(jìn)[4]過程，結(jié)合三維可視化模型對虎山水文站所在流域洪水的實(shí)時洪水演進(jìn)情況、淹沒情況、防洪應(yīng)急方案等進(jìn)行推演模擬、可視化仿真，并對流域范圍內(nèi)雨情、水情、淹沒形勢進(jìn)行綜合分析。

4.2.4 預(yù)案業(yè)務(wù)

依托現(xiàn)在的流域下墊面條件，對虎山水文站記錄的歷史典型洪水、設(shè)計洪水或者實(shí)時洪水進(jìn)行預(yù)演，并通過可視化手段將推薦的各種方案直觀地展示給用戶。預(yù)案主要為水文部門水位加測加報工作預(yù)案。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生流域建設(shè)是強(qiáng)化流域治理管理的迫切要求，江西省虎山水文站“四預(yù)”數(shù)字孿生系統(tǒng)具有技術(shù)攻關(guān)和示范引領(lǐng)作用，對探索水文站點(diǎn)防汛“四預(yù)”體系的建立有現(xiàn)實(shí)的重要意義，在未來項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)用較好的前提下，可以考慮將數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)范圍和涵蓋業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展，形成覆蓋整個虎山水文站所在流域以防洪調(diào)度、水資源管理為基礎(chǔ)的多尺度、多業(yè)務(wù)的應(yīng)用體系，為江西省“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系提供可以借鑒的實(shí)例。