數字孿生技術在疏勒河流域的應用和探討

張建新

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，735211，玉門）

近年，隨著疏勒河流域經濟社會快速發(fā)展，流域內農業(yè)生產、工業(yè)發(fā)展、生態(tài)建設等供用水矛盾十分突出，原有的水資源監(jiān)測和調度管理信息平臺已無法滿足現(xiàn)代化灌區(qū)的建設需求，存在流域來水預見度低、預見性不強、現(xiàn)有業(yè)務應用智能化程度低、信息化建設與智慧水利要求還存在較大差距等問題。開展疏勒河流域數字孿生流域建設，不僅有助于流域信息化水平提升，而且可以充分利用數字孿生技術的優(yōu)勢實現(xiàn)疏勒河干流水資源科學配置和優(yōu)化調度，從而有效保障和服務疏勒河流域及灌區(qū)經濟社會高質量發(fā)展。

一、疏勒河流域概況

疏勒河流域位于河西走廊西部，流域面積17萬km2，疏勒河干流多年平均水資源總量10.86億m3。疏勒河流域內有三大灌區(qū)，分別為昌馬灌區(qū)、花海灌區(qū)和雙塔灌區(qū)，總灌溉面積8.96萬hm2。灌區(qū)水利工程設施齊全，主要包括3座大中型水庫、3個引水樞紐工程、217 km重點骨干渠道和灌區(qū)田間工程。疏勒河干流地表水資源通過3座水庫聯(lián)合調度，實現(xiàn)了流域水資源從疏勒河源頭到灌區(qū)田間地頭的全過程科學管控，“一龍管水”的水資源管理模式統(tǒng)籌了農業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水的配置和平衡，保證流域內用水安全。經過多年信息化建設，目前流域內已建成3座水庫的水情實時監(jiān)測和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、關鍵閘門遠程測控系統(tǒng)、重點骨干輸水渠道安全巡查系統(tǒng)、斗口水量實時監(jiān)測系統(tǒng)、地下水水位監(jiān)測系統(tǒng)等，灌區(qū)關鍵節(jié)點基本實現(xiàn)信息化，為疏勒河數字孿生系統(tǒng)建設奠定了基礎。

二、數字孿生疏勒河建設現(xiàn)狀

數字孿生疏勒河主要是構建不同區(qū)域、不同精度和類型的三級數據底板，補齊流域原有信息化基礎設施短板并進行完善，其重點是建設信息采集和監(jiān)測站點，確保數字孿生流域建設所需的各類數據得到有效采集；充分利用水利部提供的模型平臺，對流域內原有的模型進行整合并開發(fā)新的模型，做好知識平臺的建設和知識引擎的開發(fā)工作，從而構建起具有疏勒河特色的數字孿生平臺；基于疏勒河數字孿生基座和流域管理應用實際，構建“2+N”水利業(yè)務應用，最終形成具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的數字孿生疏勒河。

1.總體架構

2022 年4 月，疏勒河流域入選水利部數字孿生流域先行先試試點，啟動了數字孿生疏勒河建設工作。按照《數字孿生疏勒河建設先行先試實施方案》，疏勒河數字孿生系統(tǒng)建設以物理流域為對象，充分利用原有的信息化基礎設施，新建了數字孿生平臺及支撐智慧水利業(yè)務的各種應用，并同步構建了網絡安全體系和保障體系等（見圖1）。

圖1 疏勒河數字孿生系統(tǒng)總體架構

2.信息化基礎設施建設

（1）升級改造水利感知網

疏勒河數字孿生系統(tǒng)信息化基礎設施建設以充分利用流域現(xiàn)有水文、氣象、水質、水生態(tài)、工程安全、取水等監(jiān)測站點為基礎，升級改造重要水利工程、取水口等位置的已建監(jiān)測系統(tǒng)，綜合運用北斗、物聯(lián)網、視頻監(jiān)控等技術，升級完善覆蓋水庫、樞紐工程、灌溉渠道等重要設施的視頻監(jiān)控設備和工程運行狀況在線監(jiān)測系統(tǒng)；完善疏勒河干流重要斷面、重要水利工程、重要灌區(qū)取水口等位置視頻監(jiān)控點，利用智能識別技術實現(xiàn)對流量、水位等要素智能感知，以及對水利管理活動中重要事件、行為和現(xiàn)象的感知；通過提高遙感影像、數字地形等本底數據的采集精度和頻率，提升對地下水、土壤墑情及流域水系相關地形信息等要素的監(jiān)測能力。

（2）完善提升水利業(yè)務網

疏勒河數字孿生系統(tǒng)依托流域原有水利業(yè)務網，通過進一步完善業(yè)務網絡，實現(xiàn)流域中心與水利部、甘肅省水利廳及流域市縣等各級水行政主管部門的全面互聯(lián)互通。充分利用現(xiàn)有電子政務外網和水利業(yè)務網，通過租賃專線、自建光纖、衛(wèi)星通信等多種方式，擴展網絡覆蓋范圍，提高網絡帶寬，為監(jiān)測終端與數據平臺之間提供傳輸通道。基于灌區(qū)通信網絡系統(tǒng)，租用公網VPN，在光纜末端構建閉環(huán)回路，保障灌區(qū)監(jiān)測感知數據高效傳輸；對177 個斗口計量系統(tǒng)中的物聯(lián)網卡進行升級，保證數據安全和傳輸效率。

（3）補充擴展水利云

疏勒河數字孿生系統(tǒng)依托甘肅省疏勒河流域水資源利用中心深信服超融合云平臺和華為云桌面等，在系統(tǒng)建設中適當補充計算、存儲資源，完善軟硬件、AI算力基礎設施，為數字孿生疏勒河流域提供云端按需擴展服務和安全可信的基礎資源服務，為流域智慧水利建設提供算力支撐。

3.數字孿生平臺建設

（1）數據底板

在充分利用原有信息建設數據資源的基礎上，利用BIM 建模、無人機傾斜攝影等多種手段，構建了符合疏勒河流域特征的數據資源池，包括流域內各類基礎數據、不同監(jiān)測點收集的監(jiān)測數據、多維多尺度模型數據、業(yè)務管理數據等。基于疏勒河流域數據底板，開展數據匯集、數據治理、挖掘分析、數據接口管理等工作，并承接水利部L1 級數據底板和甘肅省L2 級數據底板，構建疏勒河流域數據服務系統(tǒng)，實現(xiàn)各類數據在各級水利部門之間的上報、下發(fā)與同步，以及與其他行業(yè)之間的共享。通過搭建疏勒河流域一張圖服務、數據資源目錄服務及數據管控服務，提供標準的數據服務接口等，為水利專業(yè)模型分析、智慧水利應用場景建設提供算據支撐。

（2）模型平臺

充分利用流域已有的三大水庫聯(lián)合調度、地下水三維仿真等模型成果，在分析疏勒河流域水資源配置與調度等業(yè)務現(xiàn)狀及需求的基礎上，基于疏勒河流域數字底板，構建了數字孿生流域基礎模型和數字孿生流域應用模型兩大類模型。其中，數字孿生流域基礎模型是數字孿生流域應用模型建設的基礎，共建設了5個子模塊（產匯流來水預報模塊、地下水模擬仿真模塊、水庫水量平衡模塊、河渠水力學仿真模塊、河庫泥沙動力學模塊）；數字孿生流域應用模型為流域內業(yè)務應用模型，共建設了4 類應用模型（流域防洪管理模型、流域水資源調配模型、灌區(qū)用水管理模型、水庫淤積預測模型）。同時，通過開發(fā)可視化模型、智能識別模型、模擬仿真引擎等其他模型，構建起數字孿生疏勒河流域模型平臺，為疏勒河智慧水利業(yè)務應用建設提供算法支撐。

（3）知識平臺

梳理總結流域調度方案、業(yè)務規(guī)則、歷史場景和專家經驗，充分利用疏勒河流域數據底板，形成具有結構化、自優(yōu)化、自學習功能的知識平臺。通過調用水利部水利知識引擎，依靠計算機學習和推理，搭建數據語義服務、知識圖譜服務、知識推理服務，形成具有疏勒河流域特征的水利知識引擎。

4.“2+N”業(yè)務應用情況

數字孿生疏勒河在構建符合流域水利特征的數字孿生平臺上，搭建了以流域防洪、水資源管理為主的業(yè)務平臺（見圖2），開發(fā)建設了工程智能管控、灌區(qū)管理和水利公共服務等業(yè)務，打造“2+N”業(yè)務應用模式，為“四預”功能的實現(xiàn)提供了支撐，有助于提升流域決策精準化水平。主要包括以下內容：

圖2 數字孿生疏勒河業(yè)務平臺

（1）疏勒河概覽

平臺可演示疏勒河水系歷史演變和河流生態(tài)變化過程，展現(xiàn)疏勒河流域生態(tài)治理取得的成效。

（2）流域智慧防洪

以昌馬水庫、雙塔水庫、赤金峽水庫和西干渠沿線防洪渡槽等為重點防洪保護對象，疏勒河流域數字孿生平臺可模擬極端暴雨條件下流域洪水演進過程及防洪調度過程，實現(xiàn)流域洪水預報、災害風險智能分析預警、防洪調度推演、防御預案迭代優(yōu)化等“四預”功能，提高流域防洪應用可視化、智能化、精準化水平。

（3）智慧水資源管理調配

通過整合利用疏勒河流域水資源監(jiān)測感知、地表水資源優(yōu)化調度系統(tǒng)和地下水三維仿真系統(tǒng)建設成果，基于覆蓋全流域的水資源管理與調配模型，對流域水資源進行轉換分析，在數字孿生基座上動態(tài)演示流域內地表水、地下水交互轉換過程，全面、動態(tài)掌控流域水資源利用態(tài)勢，實現(xiàn)流域來水預報、行業(yè)需求預測、水資源優(yōu)化配置、水庫及渠首樞紐等調度過程模擬仿真、行業(yè)用水紅線預警和動態(tài)管控、流域水資源配置調度方案迭代優(yōu)化等功能。

（4）水利工程智能管控

通過整合3座水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測感知數據，在水庫大壩BIM 模型上模擬演示大壩水平位移、垂向位移及滲流等特征要素（應力場、浸潤面）的變化過程，基于工程安全知識庫，動態(tài)分析、智能診斷水庫大壩安全態(tài)勢，及時推送安全預警信息，主動消除水庫大壩安全隱患。智能跟蹤分水閘門等設施調度執(zhí)行過程，BIM模型上同步模擬演示水工建筑實時運行和安全狀況，實現(xiàn)虛擬工程與物理工程虛實交互，仿真運行，逐步提升工程安全高效穩(wěn)定運行水平。整合灌區(qū)安防系統(tǒng)及渠道安全巡查等系統(tǒng)視頻監(jiān)控信息，通過視頻AI 模型識別，智能提取閘控設施運行狀態(tài)、渠道水位、非法入侵等信息，實現(xiàn)渠道工況、重要建筑物、閘控設施智能遠程巡查以及語音自動警告及預警等功能，提高渠道等工程智能巡查效率。

（5）數字灌區(qū)智慧管理

通過整合原流域水資源調度管理系統(tǒng)成果，升級灌區(qū)用水管理模型，提高灌區(qū)量測水及設施運行狀態(tài)感知能力，根據水庫現(xiàn)有蓄水量及來水預報，結合灌區(qū)及各灌溉單元各時段（旬、月、季、年）需水量預測，分析灌區(qū)總體水量平衡、灌溉單元水量平衡情況，科學制定灌區(qū)年度水量配置方案，通過灌區(qū)供水調度方案預演，持續(xù)迭代、優(yōu)化水量配置方案（旬、月）。智能跟蹤水庫、渠首樞紐、分水閘門供水調度執(zhí)行過程，在數字灌區(qū)基座體上同步演示水庫、渠首樞紐、分水閘門等調度控制情況及灌溉渠系水位、流量演進過程，實現(xiàn)數字灌區(qū)與物理灌區(qū)同步仿真運行。

（6）水利公共服務

疏勒河數字孿生系統(tǒng)通過升級疏勒河流域水資源利用中心微信公眾號、手機App，拓寬水務信息公開、政策法規(guī)網上咨詢服務和水文化宣傳等政務服務渠道，打通水利為民服務“最后一公里”，提升網上用水信息查詢、水費計收等“互聯(lián)網+政務服務”業(yè)務普及率。

三、疏勒河數字孿生系統(tǒng)存在問題及相關建議

1.算據基礎需進一步夯實

疏勒河流域監(jiān)測感知體系包括流域水量監(jiān)測感知系統(tǒng)、水文監(jiān)測感知系統(tǒng)、灌區(qū)量測水系統(tǒng)、水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。其中流域水量監(jiān)測點78個，水文監(jiān)測站5處，灌區(qū)量測水系統(tǒng)有698個斗口監(jiān)測計量點和24處測控一體斗口計量閘門，3座水庫共有水庫安全監(jiān)測監(jiān)控設備139套、網絡視頻監(jiān)視設備681套。這些傳統(tǒng)的水利監(jiān)測站網為疏勒河數字孿生系統(tǒng)建設奠定了良好的信息化基礎，但與數字孿生流域建設目標中物理流域全要素數字映射的要求還存在差距。今后需對水利感知網進行改造、升級、補充和完善，同時要加強衛(wèi)星遙感、高清視頻等新型監(jiān)測手段應用，提升流域水利管理活動的動態(tài)感知能力，滿足水利業(yè)務對數據和信息在空間尺度、時間頻次等方面的需求。

2.算法模型需更加優(yōu)化

疏勒河流域在來水預報和聯(lián)合調度方面已建設有“三大水庫聯(lián)合調度模型”“精量流域水情預報模型”“多庫聯(lián)合防洪調度模型”等；在地下水模擬方面已建設有“地下水三維仿真系統(tǒng)”。本次數字孿生疏勒河流域建設中又根據需求，對流域昌馬水庫、雙塔水庫、赤金峽水庫、昌馬灌區(qū)、雙塔灌區(qū)、花海灌區(qū)等骨干工程以及涉洪區(qū)域整合建立數字孿生流域基礎模型和數字孿生流域應用模型兩大類模型。上述模型基本上能夠反映疏勒河流域的自然規(guī)律和業(yè)務特點，但同時也存在一些業(yè)務模型仿真度不夠的問題，例如灌區(qū)用水管理模型沒有涉及高標準農田灌溉管理業(yè)務，因此需進一步優(yōu)化現(xiàn)有模型，從而更加準確、動態(tài)地反映流域業(yè)務變化規(guī)律。

3.算力水平需持續(xù)提升

疏勒河流域已建的水利業(yè)務網、深信服超融合云平臺和華為云桌面等基礎設施基本可以保障流域原有的信息化業(yè)務需求，但隨著疏勒河數字孿生系統(tǒng)的建設，應進一步完善業(yè)務網絡，適當補充計算、存儲資源，建設與外界網絡物理隔離的工控網，保障工程調度控制安全運行，全面支持5G 和IPv6 等新一代無線和有線技術，積極利用SDN 等網絡新技術優(yōu)化網絡結構、增強資源動態(tài)調配能力。

四、疏勒河數字孿生技術應用案例討論

疏勒河灌區(qū)的昌馬、雙塔、花海3 個子灌區(qū)2022年12月被水利部列入全國首批“數字孿生灌區(qū)建設先行先試”試點單位。當前，為三大灌區(qū)農業(yè)水資源科學調配提供技術支撐是數字孿生疏勒河建設的關鍵工作，也是數字孿生技術在疏勒河流域運行效果的重要判斷指標。疏勒河數字孿生系統(tǒng)通過建立覆蓋從疏勒河源頭到田間地頭的綜合水資源管理模型，將流域來水，灌區(qū)農田需水，各級水管部門調水、配水以及閘門控制調度等要素整合到水網專業(yè)模型中，通過數字孿生平臺將計算結果和灌區(qū)測控閘門進行銜接，然后利用測控一體化閘門獨特的技術優(yōu)勢，將灌區(qū)終端用水戶的用水需求實時下達給測控閘門控制系統(tǒng)，渠系內所有閘門由系統(tǒng)自動控制并根據閘門上下游水位不斷進行調整，最終將用水戶所需的水量精準調配到指定斗口。疏勒河數字孿生系統(tǒng)建設前，測控一體化閘門在疏勒河灌區(qū)已運行10年，雖然該測控設備在國內技術水平領先，但其運行主要由灌區(qū)工作人員憑經驗進行操作控制，發(fā)揮的作用比較有限。數字孿生技術通過將測控閘門整合到灌區(qū)宏觀水資源分配體系中，實現(xiàn)了渠系配水和閘群間調度的高效聯(lián)動，最大程度發(fā)揮出測控閘門的優(yōu)勢。未來隨著灌區(qū)斗口以下的農田大量修建蓄水池并采用滴灌的方式對田間作物進行灌溉，數字孿生疏勒河系統(tǒng)將探索把田間蓄水池納入渠系和閘門控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)精準灌溉的目標。

五、結 語

數字孿生技術在疏勒河流域的應用為流域發(fā)展和灌區(qū)現(xiàn)代化建設帶來了全新機遇。疏勒河數字孿生系統(tǒng)初步形成的流域數字孿生平臺，以數據統(tǒng)一、數據匯集、數據治理、跨層級、跨業(yè)務的數據底板為基礎，以符合數字孿生流域技術標準的模型平臺和充分反映疏勒河流域特征的智能知識平臺為手段，為數字孿生流域提供數字化場景、智慧化模擬、前瞻性預演、智能化內核，支撐疏勒河流域“2+N”智慧水利業(yè)務的應用。

數字孿生疏勒河項目建成使用后，將全面提升流域內骨干渠道的輸水能力，改善田間灌水技術，使灌溉定額降低、灌溉輸水效率提高，促進水資源高效利用和灌區(qū)產業(yè)結構調整，以及節(jié)水灌溉等一系列節(jié)水技術的推廣，為項目區(qū)節(jié)水增效、農民增收創(chuàng)造基礎，也為流域生態(tài)環(huán)境用水提供有效保障。