數字孿生棘洪灘水庫關鍵技術應用研究

徐洪慶，姜守祿，宋厚清

（1.山東省調水工程運行維護中心青島分中心，山東 青島 266100；2.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250013；3.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250013）

1 前言

為踐行習近平總書記關于網絡強國的重要思想和“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，2021 年11 月，水利部印發系列文件謀劃推進智慧水利建設。山東省印發《山東省“十四五”水利發展規劃》《山東省“十四五”數字強省建設規劃》《山東省數字水利建設“十四五”規劃》系列文件，明確提出強化數字水利應用支撐能力，構建水利模型庫。采用BIM、GIS等技術，加快推進全省大中型水庫、引調水工程、灌溉工程、重點河湖流域工程數字化。

棘洪灘水庫作為亞洲最大的平原水庫，目前雖然具有一定的信息化基礎，但仍不滿足智慧水利建設要求，需進一步完善水庫信息化體系建設，構建數字孿生平臺，實現工程運行的自動化、數字化、智慧化，日常辦公的流程化、定量化，調度決策的科學化、智能化，水庫管理的信息化、現代化，全面提高水庫工程管理水平，助力智慧水庫建設。

2 工程概況

棘洪灘水庫是山東省引黃濟青工程的調蓄水庫，也是亞洲最大的人造堤壩平原水庫，被譽為“亞洲明珠”。水庫工程于1986 年4 月15 日正式開工，至1989 年11 月25 日全線一次試通水成功。

棘洪灘水庫入庫泵站設計流量23.0 m3/s，設計最高蓄水位14.2 m，總庫容1.58 億m3，水面面積14.529 km2，設計死水位6.5 m，死庫容4 780 萬 m3，最大調節庫容1.104 億m3，向青島市日供水規模為33.23 萬t。棘洪灘水庫工程管理范圍主要有引水渠道、桃源河倒虹吸、入庫泵站、水庫、進水閘、出水閘、泄水閘等。

棘洪灘水庫作為青島市重要的水資源設施之一，建成運行30 年來發揮了巨大的經濟效益、社會效益和生態效益。

3 現狀與存在問題

3.1 信息化現狀

山東省膠東調水自動化調度系統工程棘洪灘水庫項目建設完成水庫圍壩照明系統，覆蓋水庫管理周界的脈沖式電子圍欄入侵報警系統，水庫管理重要區域和關鍵部位的視頻監控系統，水文（水位、流量）、雨水情、氣象、水質等各類信息采集系統，覆蓋整個水庫管理區的計算機通信網絡系統，水庫關鍵部位計算機監控系統，大壩安全自動監測系統，水質自動監測站等。

3.2 存在問題分析

已建各業務系統大部分是各自獨立運行的，數據之間并不互通，造成了“信息孤島”，未能發揮應有的作用，同時監測信息不夠完善，具體表現為：

（1）基礎設施有待完善

現有的視頻監控、水質監測等系統未形成全面覆蓋的信息化體系且無智能分析、智能識別等功能，給日常工程監管造成諸多不便，亟需在現有基礎上進一步完善建設。

（2）缺乏統一的信息管理平臺

因建設時間等不同，缺乏統一規劃，各業務系統數據之間未能互通，尚無統一的信息管理平臺。

（3）信息資源整合共享困難

由于各種信息采集基礎設施、數據存儲設備信息共享機制并未完全建立，數據存儲格式紛雜，影響了水庫管理部門與各級水行政主管部門間的信息交流和數據共享。

在此現狀下，建設棘洪灘水庫數字孿生平臺，將數據采集、自動化控制、網絡、通信等信息化基礎設施和數據體系及軟件系統進行有機整合，形成統一體系，為水庫的防洪、水量調度、環境保護以及推動水庫管理信息化、現代化、智能化、可持續發展提供全新的綜合管理模式。

4 總體設計

在山東省膠東調水自動化調度系統基礎之上，完善信息基礎設施，充分利用已建設應用支撐平臺、數據資源管理平臺、信息采集系統、計算機網絡系統、通信系統、系統實體運行環境軟硬件，遵循安全體系、保障體系，構建棘洪灘水庫上層數字孿生平臺。

表1 總體架構設計

5 完善信息基礎設施

5.1 無人監測移動平臺

增加無人船、無人機等設施，增加信息采集覆蓋。根據棘洪灘水庫特點，設置無人船，搭載單波束測深儀、水質在線檢測儀、視頻攝像頭等，實現水深測量、水下地貌測量、水質在線自動監測、視頻監控。增加無人機，加大視頻覆蓋范圍。

5.2 補充完善視頻監控系統

大壩西側、北側圍欄有樹區域（樁號0+500～樁號7+500）需在岸堤下護欄處新增槍式攝像機，新增的槍式攝像機采用立桿式安裝方式；大壩東側、南側圍欄無樹區域（樁號7+700～樁號0+400）需新增球式攝像機，新增的球式攝像機安裝于現有路燈桿上，安裝高度為6 m。

6 數字孿生平臺

在補充完善現有的信息化設施基礎之上，運用數字孿生技術，構建水庫數字孿生系統，可以將現實水庫和泵站設備的運行情況與相關數據映射到虛擬世界中，以三維圖像的形式進行同步展現和管理。管理人員可以在不進入水庫和泵站、不影響水庫、泵站運行和保障個人安全的情況下，隨時查看水庫、泵站作業情況和設備整體運行情況，及時發現異常，從而有效提高水庫管理水平和效率。

6.1 三維場景建模

基于數據資源平臺的空間數據庫，利用水庫傾斜影像數據及地理信息數據，建設水庫數字場景，構建二、三維結合的空間地理信息應用與展示，基于柵格圖片引擎服務，實現多層次、多節點的分布式地圖服務的聚合；依據三維空間數據規范，針對重點工程進行建模，實現三維數據在Web 環境下傳輸和解析，提供基礎三維場景和三維數據的操作服務；基于三維實景技術，建設水庫三維場景，接入水質水文監測、遠程監控等實時數據展示。

6.2 綜合場景展示

全景數字孿生管理系統以基礎地理信息底圖為背景，通過不同的層級或者圖層方式，展示可視化范圍內的水域及水利設施的分布和水文信息監測等信息。

展示水庫的高精度仿真模型，抽取重要數據聚合展示，多維度分析數據，綜合展示水庫整體狀況，為領導層提供決策建議。

6.3 信息監測展示

對水質、工程安全、水情監測相關設備（包括傳感器或監測站等）進行定位，將其位置的經緯度坐標以及實時監測數據展現在全景數字孿生場景中的對應位置，并可展示詳細的數據（包括設備信息和監測信息），管理人員可以針對具體數據進行水質分析，系統以熱力圖的方式直觀呈現水質狀況，輕松掌握水質的整體情況。

6.4 水庫泵站數字孿生展示

在全景數字孿生場景中構建具體的工程模型，比如閘站、泵站等大型設施，同時對水利工程的數據進行整體的盤點和展示，管理人員可以隨時點擊具體模型來查看該工程的實時運行數據，同時模型的運行動作由實時數據進行驅動，直觀展示設備的運行情況，提高水利管理效率。

7 業務應用系統

7.1 可視化平臺

構建棘洪灘水庫智慧管理可視化平臺，通過多種方式或技術相互結合，全面展示綜合運行狀態。可視化平臺界面主要設計板塊包括基礎信息板塊、調度信息板塊、告警信息板塊、水情信息板塊、工情信息板塊、視頻監控板塊、水質監測板塊、水文信息板塊、二三維全景展示等功能板塊。

綜合運行動態，具體包括但不限于：水位、蓄水量、庫容、雨水情、水質監測、當前調水任務、工程安全、設備運行狀態及參數、視頻監控、水文等多類數據的整合展示分析。

系統提供靈活的數據查詢方式，利用多維度、不同時間對比等方式，體現運行動態。指標數據需展示近一段時間的數據曲線，例如：近一個月水位變化、近一年的蓄水量變化、不同時期的水質細分指標浮動等等。

7.2 水庫調度信息管理系統

（1）泵站水閘數據管理

對泵站水閘的狀態監測參量以及相應的工況參數和過程量參數進行實時采集和監測，并能以結構圖、棒圖、表格和曲線等形式進行顯示。數據展示實現信息聯動、視頻聯動等功能，靈活切換，實時在線掌控泵站水閘現場環境和設備運行狀態

（2）泵站智慧管理

全面、準確了解泵站設備基礎數據與運行狀況，具備輔助決策各臺機組的負荷分配功能，為泵站的工作效率、能量消耗、安全調度以及優化標準提供相應依據，協助運行人員進行優化調度控制，提高泵站級的調度運行水平，實現經濟效益最大化。針對多種融合的數據進行趨勢預測，并考慮到外部干擾的影響，其預測處理的結果能有更加寬泛的可比性。

（3）水庫調度管理

以進水、供水、年度等維度，進行綜合統計分析。可按需生成各類統計圖表和分析報告。滿足調水管理的業務需要。

運行數據分析：各類參數(流量、水位、用電量、開機數量、開機時長)日、旬、月、年平均值、最大、最小值等特征數據的統計、計算。根據業務需求顯示和打印各類業務數據的報表、指定時段的各類數據過程線圖等。

8 結束語

“十四五”時期是數字孿生大發展階段，數字孿生棘洪灘水庫建成使用，將大大提高工程運行效率，降低運行成本，具有顯著的社會效益和經濟效益，同時可為同類型水庫數字孿生工程建設提供借鑒和經驗。