數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)解決方案淺析

張祥吉，焦玉梁，喬 羽

（淄博市太河水庫(kù)管理中心，山東淄博 255178）

1 太河水庫(kù)概況

太河水庫(kù)位于淄博市東南部山區(qū)淄河干流上，是一座集防洪、灌溉、城鄉(xiāng)供水、水力發(fā)電等綜合利用的大（二）型水庫(kù)。太河水庫(kù)是淄博市中心城區(qū)、臨淄區(qū)、淄川區(qū)近100 萬(wàn)居民的重要飲用水水源地，人口稠密、工廠林立，防洪任務(wù)十分重要。

2019 年建成太河水庫(kù)水源地保護(hù)綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含供水調(diào)度子系統(tǒng)、工程管理子系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)保護(hù)子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及專家?guī)熳酉到y(tǒng)五部分，初步實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)信息化管理的功能，為隨后數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)的需求分析

2.1 功能需求分析

2.1.1 防汛調(diào)度

依據(jù)實(shí)測(cè)的降雨、預(yù)報(bào)降雨或假定降雨數(shù)據(jù)，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的仿真模擬，預(yù)報(bào)水庫(kù)所在流域干支流及所在區(qū)域各斷面的洪水流量過程，動(dòng)態(tài)顯示洪水演進(jìn)過程，并輸出控制斷面的水位、流量信息，進(jìn)而結(jié)合歷年防汛預(yù)案，生成參考的防汛調(diào)度預(yù)案以輔助決策。

2.1.2 水源地及工程管理

從水源地保護(hù)及工程設(shè)施維護(hù)管理等多方面、多維度，系統(tǒng)地構(gòu)建各類模型庫(kù)，直觀、形象地展示和反映工程的運(yùn)維情況，及時(shí)提出維護(hù)、改造及加固方案，為水源地保護(hù)和水庫(kù)工程運(yùn)維提供全過程、全壽命期的保障。

2.1.3 水資源調(diào)配

結(jié)合上級(jí)批準(zhǔn)的各用水戶的取水量指標(biāo)，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水位和流域內(nèi)可能來水預(yù)報(bào)分析，評(píng)估水庫(kù)的預(yù)期可供水量數(shù)據(jù)，制定水資源科學(xué)分配方案。

2.2 業(yè)務(wù)需求分析

結(jié)合現(xiàn)實(shí)的業(yè)務(wù)需求，打造具有水庫(kù)特色業(yè)務(wù)模塊，憑借綜合展示、水資源調(diào)配管理、防汛調(diào)度、運(yùn)行管理、水源地保護(hù)、安全監(jiān)測(cè)預(yù)警等業(yè)務(wù)模塊，提升水庫(kù)數(shù)字化運(yùn)行管理能力和效率，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)智慧化管理。

2.3 非功能需求分析

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)及安全性能

在原水庫(kù)網(wǎng)絡(luò)安全滿足等保三級(jí)前提下，對(duì)其它硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等方面進(jìn)行全面安全升級(jí)，在數(shù)據(jù)歸集、清洗、存儲(chǔ)、訪問、傳輸過程中提高安全性。

2.3.2 物理安全需求

主要包括物理設(shè)備、實(shí)體環(huán)境和施工現(xiàn)場(chǎng)安全需求，具體體現(xiàn)在對(duì)水庫(kù)、機(jī)房、控制中心等處的防雷接地安全，包括電源電路、信號(hào)線路、監(jiān)控線路等的電泳保護(hù)需求和等電位接地建設(shè)需求等。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)安全需求

為保證網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)安全需求包括：盡量避免非授權(quán)訪問；避免信息泄露與丟失；保證數(shù)據(jù)的完整性；訪問攻擊和盡量避免感染通過網(wǎng)絡(luò)傳播病毒。

2.3.4 信息安全需求

信息安全需要從信息使用安全、系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)病毒防治三方面保證信息的機(jī)密性、完整性、可用性、可控性和可審查性。

3 數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)解決方案

3.1 構(gòu)建架構(gòu)

結(jié)合在水庫(kù)防洪調(diào)度、水源地及工程管理、水資源調(diào)配管理等方面的需求，構(gòu)建以水庫(kù)工程、業(yè)務(wù)應(yīng)用、用戶、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系等組成的數(shù)字孿生水庫(kù)總體架構(gòu)。

該架構(gòu)核心是數(shù)字孿生水庫(kù)工程，構(gòu)建水利對(duì)象的空間特征、時(shí)間特征和關(guān)系特征的一體化組織模型，通過物聯(lián)感知等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)信息化技術(shù)設(shè)施的數(shù)據(jù)匯聚，實(shí)時(shí)感知水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)。將數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)融合，搭建包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)底板。基于數(shù)據(jù)引擎、知識(shí)引擎、模擬仿真引擎整合數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的智慧化服務(wù)，提升水庫(kù)管理服務(wù)水平。

3.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

實(shí)現(xiàn)水庫(kù)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，包括水位、流量、視頻監(jiān)控、工程安全等數(shù)據(jù)信息，提升水庫(kù)感知能力，滿足數(shù)字孿生平臺(tái)運(yùn)行要求。

3.1.2 數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)

數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)和模擬仿真引擎四個(gè)方面。數(shù)據(jù)底板建設(shè)主要進(jìn)行L1、L2、L3 級(jí)數(shù)據(jù)底板建設(shè)，全面集成水庫(kù)包含的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)與共享數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)治理等工作，為數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)提供“算據(jù)”；模型庫(kù)建設(shè)主要包括水利專業(yè)模型、智能模型及可視化模型三部分；知識(shí)庫(kù)建設(shè)包括構(gòu)建調(diào)度規(guī)則庫(kù)、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，并搭建知識(shí)應(yīng)用平臺(tái)，提供知識(shí)搜索、知識(shí)可視化等功能；模擬仿真引擎將數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)、水利專業(yè)模型、人工智能模型庫(kù)與可視化模型庫(kù)進(jìn)行有機(jī)耦合，利用各種模擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的同步仿真運(yùn)行。

3.1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

搭建以防洪智能調(diào)度、水資源調(diào)配與管理、綜合信息展示、水庫(kù)運(yùn)行管理、工程安全監(jiān)測(cè)和應(yīng)用支撐等業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)，結(jié)合數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)與知識(shí)庫(kù)價(jià)建設(shè)，形成以數(shù)據(jù)底板為驅(qū)動(dòng)、模型庫(kù)與知識(shí)庫(kù)為“大腦”，全面支撐水庫(kù)“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案），提高水庫(kù)精細(xì)化、智能化管理水平。

3.1.4 網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)安全達(dá)到等保二級(jí)要求，建設(shè)防火墻、漏洞掃描等功能模塊，完善涵蓋安全管理、安全運(yùn)行的安全主動(dòng)防御體系，全面提升安全威脅防御、發(fā)現(xiàn)和處置能力。

3.1.5 集成與共建共享

做好水庫(kù)環(huán)境集成與共建共享，充分考慮與水庫(kù)已有信息化系統(tǒng)、上級(jí)部門系統(tǒng)的集成與共享，并與水文、環(huán)保、氣象等部門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.2 智能應(yīng)用

智能應(yīng)用系統(tǒng)框架包含綜合展示、防洪四預(yù)、水資源管理與調(diào)配、水庫(kù)運(yùn)行管理。各單位可根據(jù)單位實(shí)際情況，構(gòu)建更多的態(tài)勢(shì)場(chǎng)景，充分利用地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多、更廣信息的獲取，構(gòu)建更多模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，開發(fā)更符合本單位實(shí)際的應(yīng)用程序。

3.2.1 綜合展示

基于太河水庫(kù)數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建BIM+GIS的數(shù)字孿生平臺(tái)，對(duì)太河水庫(kù)的基礎(chǔ)信息、感知信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、工程及區(qū)域信息、溢洪閘運(yùn)行管理信息及其他信息進(jìn)行綜合展示，進(jìn)行相關(guān)信息的瀏覽和查詢，并對(duì)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行分析。綜合信息服務(wù)提供各類基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)維信息的綜合查詢服務(wù)；三維可視化服務(wù)提供在三維場(chǎng)景中的基礎(chǔ)功能應(yīng)包括旋轉(zhuǎn)、瀏覽、放大、縮小、指北針、頂視圖、平移、測(cè)量、剖切、底圖切換（地圖、影像與傾斜）、屬性查詢和圖層控制等功能。

3.2.2 防洪四預(yù)

建立以流域洪水預(yù)報(bào)、防洪預(yù)警、防洪預(yù)演、防洪預(yù)案等功能的水庫(kù)防洪四預(yù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣象水文耦合以及人機(jī)互動(dòng)的同步仿真預(yù)演、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的精細(xì)數(shù)字預(yù)案，提高水庫(kù)防洪調(diào)度的自動(dòng)化程度和管理水平，為工程安全度汛提供技術(shù)支持，確保水庫(kù)的安全高效運(yùn)行。

流域洪水預(yù)報(bào)：利用數(shù)字孿生平臺(tái)提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和專業(yè)模型等對(duì)流域未來發(fā)生的洪水要素時(shí)空變化過程進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，傳統(tǒng)的要素預(yù)報(bào)向影響預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變；防洪預(yù)警：根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果精準(zhǔn)定位險(xiǎn)情發(fā)生位置與范圍，及時(shí)把預(yù)警信息送達(dá)工作一線，將傳統(tǒng)的閾值預(yù)警轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。對(duì)不同的預(yù)警對(duì)象，采取不同的形式和內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同對(duì)象、不同時(shí)段、不同空間的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；防洪預(yù)演：對(duì)各種給定的調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度方案、邊界條件下的演進(jìn)過程進(jìn)行模擬仿真，前瞻預(yù)演工情、險(xiǎn)情和災(zāi)情，制定和優(yōu)化調(diào)度方案。在平行空間，實(shí)現(xiàn)正向推演反向逆源，滿足虛實(shí)交互迭代優(yōu)化的要求。根據(jù)虛擬推演結(jié)果指導(dǎo)真實(shí)防洪措施，進(jìn)而根據(jù)真實(shí)變化迭代進(jìn)行虛擬推演，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生水庫(kù)的虛擬互動(dòng)；防洪預(yù)案：基于預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演過程，在多方案模擬仿真和影響評(píng)估的基礎(chǔ)上對(duì)洪水防御準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警、水利工程調(diào)度、大壩防守?fù)屪o(hù)、人員轉(zhuǎn)移安置等應(yīng)急處置措施方案進(jìn)行分析和比選，自動(dòng)推薦最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)防洪精準(zhǔn)化決策支撐。

3.2.3 水資源管理與調(diào)配

建立面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的完整數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水資源自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行，提供優(yōu)化調(diào)度決策服務(wù)，通過對(duì)水庫(kù)來水量及數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度方案，與各用水單位調(diào)水系統(tǒng)建立互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)水資源的聯(lián)合調(diào)度。同時(shí)具備水庫(kù)水資源調(diào)配日常業(yè)務(wù)管理、水資源配置方案、應(yīng)急水量調(diào)度等功能，有目的地調(diào)節(jié)控制河流的天然來水，在保障水庫(kù)及下游防護(hù)目標(biāo)安全前提下，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合利用效益。

3.2.4 水庫(kù)運(yùn)行管理

通過智能運(yùn)維管理系統(tǒng)的建設(shè)，建立、健全水庫(kù)工程管理信息化管理標(biāo)準(zhǔn)體系，借助數(shù)據(jù)建模、大數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)樞紐工程、水源地保護(hù)管理上包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估、安全隱患排查、巡查問題處理、防汛組織管理、運(yùn)維方案決策、運(yùn)行考核管理、工程綜合評(píng)價(jià)等多方面的功能。使得管理更加科學(xué)、有序、流暢。

4 結(jié)論

文章對(duì)從業(yè)務(wù)、功能方面對(duì)太河水庫(kù)數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)的需求進(jìn)行分析。結(jié)果表明數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)十分必要。制定了太河水庫(kù)數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)總體架構(gòu)及相關(guān)業(yè)務(wù)的智能應(yīng)用，數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)促使水庫(kù)各層級(jí)業(yè)務(wù)間深度融合，推動(dòng)水庫(kù)數(shù)字化全面轉(zhuǎn)型，對(duì)水庫(kù)各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行重新構(gòu)建，充分利用新一代人工智能技術(shù)，不斷地進(jìn)行自我優(yōu)化迭代，為水庫(kù)運(yùn)行提供高效管理支撐。