宜水河數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)方案概述

萬(wàn)國(guó)勇 袁媛 張國(guó)文

1中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 江西省南昌市 330029

2中鐵水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 前言

2021年12月23日，在水利部推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會(huì)議上，李國(guó)英部長(zhǎng)強(qiáng)調(diào)：要深入學(xué)習(xí)貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的重要思想、習(xí)近平總書(shū)記“十六字”治水思路和關(guān)于治水重要講話指示批示精神，以時(shí)不我待的緊迫感、責(zé)任感、使命感，攻堅(jiān)克難、扎實(shí)工作，大力推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，積極推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。2022年4月，水利部決定在獲得國(guó)務(wù)院督查激勵(lì)的江西等7個(gè)省份（直轄市）的河湖長(zhǎng)制工作開(kāi)展首批“幸福河湖”項(xiàng)目建設(shè)，用一年左右時(shí)間，完成相關(guān)水域的河湖系統(tǒng)治理和管護(hù)能力的提升，助力這些流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)河暢、岸綠、水清、景美、人和。宜水河作為首批入選國(guó)家首批“幸福河湖”建設(shè)項(xiàng)目的江西省唯一項(xiàng)目，有著重要的示范意義。

宜水河位于江西省撫州市宜黃縣，屬鄱陽(yáng)湖水系撫河流域臨水一級(jí)支流，地處武夷山脈與雩山山脈向撫河平原過(guò)渡地帶，東南鄰撫河，西北毗臨水，東北依梨溪水，發(fā)源于神崗鄉(xiāng)楊坊村西華山東麓白石崗，干流自南向北流經(jīng)神崗、圳口、棠陰、鳳岡等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從右岸匯入臨水。宜水河數(shù)字孿生平臺(tái)作為宜水幸福建設(shè)項(xiàng)目配套工程信息化建設(shè)內(nèi)容，圍繞防洪、水資源調(diào)配、河湖管理等為引領(lǐng)的水利業(yè)務(wù)，充分應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，將水利業(yè)務(wù)管理與新一代信息技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)功能和數(shù)字孿生水利的目標(biāo)，提升宜黃縣水利行業(yè)管理和決策的信息化水平，為宜黃縣新時(shí)期水利行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

1 建設(shè)目標(biāo)

以需求為導(dǎo)向，按照水利部印發(fā)的智慧水利及數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)技術(shù)文件，根據(jù)江西省水利廳下發(fā)的《江西省數(shù)字孿生流域建設(shè)工作計(jì)劃》等通知，結(jié)合宜水流域現(xiàn)狀和水利信息化的建設(shè)情況，充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建立全要素真實(shí)感知的宜水?dāng)?shù)字孿生流域，支撐河湖管護(hù)能力強(qiáng)化、防洪“四預(yù)”能力實(shí)現(xiàn)、水資源調(diào)配優(yōu)化、幸福河湖成果展示和專項(xiàng)水利業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用等目標(biāo)達(dá)成。

2 設(shè)計(jì)原則

宜水河數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目依據(jù)國(guó)家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求進(jìn)行規(guī)劃。為確保項(xiàng)目建成后能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，遵循“需求主導(dǎo)、實(shí)用可靠、先進(jìn)開(kāi)放、安全共享”的原則開(kāi)展項(xiàng)目設(shè)計(jì)及建設(shè)。

項(xiàng)目須充分考慮水利信息化系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合宜水流域現(xiàn)狀和智慧水利建設(shè)情況，在充分利用好原有資源的基礎(chǔ)上，按需要布置，做到經(jīng)濟(jì)合理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注重功能的實(shí)用性，考慮不同層級(jí)用戶的多樣化需求，做到系統(tǒng)操作方便、界面直觀、易學(xué)易用、所見(jiàn)即所得。同時(shí)系統(tǒng)還要方便管理，功能上對(duì)系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一集中管理，能通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行日志數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行各種功能的檢測(cè)和清障［1］。

（2）可靠性原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，由于需要處理、展示大量的信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)任何故障都有會(huì)帶來(lái)無(wú)法可估量的損失，因此要求系統(tǒng)具有很高的可靠性。選取成熟并廣泛使用的硬件產(chǎn)品，提供各類故障的快速恢復(fù)保障。

（3）先進(jìn)性原則

項(xiàng)目的各類軟件設(shè)計(jì)應(yīng)采用國(guó)際上成熟先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)，硬件選型應(yīng)采用先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)備，保證系統(tǒng)不僅滿足現(xiàn)有需求，而且具有向未來(lái)技術(shù)平滑過(guò)渡的能力。

（4）開(kāi)放性原則

埋藏深度2463.90～2902.90 m，厚度439.0 m。該地層據(jù)測(cè)井解釋成果反映，共有28層砂巖，砂巖總厚度為34.3 m，砂厚比為7.81%。砂巖孔隙度10.38%～28.41%；砂巖滲透率1.15～134.72 md；熱儲(chǔ)層頂板井溫為80.56℃，底板溫度為86.72℃。

項(xiàng)目應(yīng)以各類國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮與各類標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性，軟件系統(tǒng)支持二次開(kāi)發(fā)，支持多類通信網(wǎng)絡(luò)，支持多種軟硬件接口［2］。為系統(tǒng)未來(lái)的擴(kuò)展升級(jí)、與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通提供良好的基礎(chǔ)，從而降低系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)成本和運(yùn)維成本。

（5）安全性原則

項(xiàng)目應(yīng)充分考慮信息安全的重要性，從終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)傳輸、軟件系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境和管理操作等各方面充分考慮系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)安全，保證整個(gè)智慧水務(wù)項(xiàng)目的高效運(yùn)行。

（6）互通共享原則

項(xiàng)目以整合已有設(shè)施數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)及其他現(xiàn)有成果，并預(yù)留通用API接口，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共建、共享和共用，減少重復(fù)建設(shè)和投資［3］。

3 總體框架和技術(shù)路線

3.1 總體框架

按照數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)要求和水利現(xiàn)代化發(fā)展需求，設(shè)計(jì)本信息化建設(shè)項(xiàng)目總體架構(gòu)，其總體架構(gòu)分為信息基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)字孿生平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)安全保障體系、運(yùn)維保障體系，詳細(xì)總體架構(gòu)圖如下：

3.2 技術(shù)路線

（1）云計(jì)算和虛擬化技術(shù)

本項(xiàng)目將通過(guò)云計(jì)算技術(shù)和虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)水利專題數(shù)據(jù)管理和滿足用戶高可靠、高性能、安全性和高適應(yīng)性的要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用種類多、計(jì)算時(shí)效性要求高和不斷擴(kuò)展的業(yè)務(wù)應(yīng)用的計(jì)算需求，從而提高自動(dòng)化管理水平和節(jié)約投資。

云計(jì)算技術(shù)是新一代IT模式，它能在后端龐大的云計(jì)算中心的支撐下能為用戶提供更方便的體驗(yàn)和更低廉的成本［4］。

云架構(gòu)共分為服務(wù)和管理這兩大部分：

◎服務(wù)主要以為用戶提供基于云的服務(wù)為主，主要有SaaS （Software as a Service） 服務(wù)、PaaS（Platform as a Service）服務(wù)和IaaS（Infrastructure as a Service）服務(wù)。從用戶角度來(lái)看，這三層服務(wù)提供不同的服務(wù)，面對(duì)的用戶也不相同，它們是相互獨(dú)立的關(guān)系；從技術(shù)角度來(lái)看，這三層服務(wù)是有一定依賴關(guān)系的，并不是獨(dú)立的。

◎在管理方面，主要是確保整個(gè)云計(jì)算中心安全穩(wěn)定運(yùn)行和有效管理。

（2）面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目建設(shè)將采用SOA 架構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，把應(yīng)用程序的不同功能服務(wù)通過(guò)定義好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來(lái)。采用中立的方式進(jìn)行定義的接口，構(gòu)建統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。

這些中立的定義接口，有服務(wù)之間的松耦合的特征?？梢造`活組成整個(gè)應(yīng)用程序的每個(gè)服務(wù)，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，服務(wù)能夠繼續(xù)存在。應(yīng)用程序需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需要靈活地采用松耦合系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境及業(yè)務(wù)。

（3）基于微服務(wù)的部署架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是在云中部署服務(wù)和應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)，微服務(wù)可以在自己的程序中運(yùn)行，可以將服務(wù)公開(kāi)與微服務(wù)區(qū)分開(kāi)來(lái)。在服務(wù)公開(kāi)中，需要增加某種功能時(shí)就必須縮小進(jìn)程范圍，服務(wù)可以被內(nèi)部獨(dú)立進(jìn)程限制；而在微服務(wù)中增加某種服務(wù)中所需的功能，不會(huì)影響整體進(jìn)程的架構(gòu)。

（4）基于地理信息服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)

地理信息服務(wù)平臺(tái)可劃分為空間數(shù)據(jù)生成與處理、空間數(shù)據(jù)交換以及地理信息集成應(yīng)用三個(gè)部分地［5］，三個(gè)部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接在一起，從信息獲取、處理、分發(fā)、傳輸、管理、表現(xiàn)以及集成應(yīng)用等形成一個(gè)完整的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化共享平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

宜水流域水系錯(cuò)綜復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)密布，水資源條件有限，水利工程管理和防汛工作任務(wù)十分繁重，流域防洪減災(zāi)能力對(duì)區(qū)域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展影響很大。近些年來(lái)，惡劣氣候時(shí)有發(fā)生，極易形成洪澇災(zāi)害。因此，對(duì)宜水河的防洪排澇、水資源調(diào)度能力提出了更高的要求。加強(qiáng)水利信息化建設(shè)，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取信息、提供決策、處理突發(fā)暴雨等事件，顯得尤為必要。

宜水流域水利工程類別較多，主要包括水閘、泵站、堤防等，日常管理工作涉及眾多方面，包括對(duì)水利工程運(yùn)行監(jiān)控、巡查管理、取排水調(diào)度、日常辦公等，數(shù)據(jù)量龐大，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是當(dāng)前正處于智慧水利、孿生水利發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)水利工程管理工作提出了更高要求，需要建立現(xiàn)代化、智能化的自動(dòng)化監(jiān)控和信息化管理體系，革新傳統(tǒng)手工管理手段，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，從整體上提高水利工程智能化管理水平、工作效能和保障能力。