數(shù)字孿生江埡皂市工程總體框架研究與設計

楊恒玲 諶嵐 王敏 陳小平 劉志輝

摘 要：結合水利部關于數(shù)字孿生工程建設的有關要求，立足江埡皂市工程管理需求，梳理了信息化基礎設施現(xiàn)狀和系統(tǒng)建設情況，提出了包含信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、智能業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系和運行保障體系的數(shù)字孿生江埡皂市工程總體框架，圍繞數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺等核心任務及強化工程安全和流域防洪預報、預警、預演、預案“四預”模擬的“算據(jù)”“算法”“算力”資源，提出數(shù)字孿生江埡皂市工程平臺應用架構、數(shù)據(jù)架構和部署架構，為工程安全分析預警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運營、庫區(qū)巡查和綜合決策等智能業(yè)務應用提供支撐。

關鍵詞：數(shù)字孿生；江埡皂市工程；應用架構；數(shù)據(jù)架構

中圖分類號：TV61；TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT），是指充分利用現(xiàn)實數(shù)據(jù)和實體模型，在數(shù)字空間內(nèi)對物理空間進行“孿生鏡像”，反映物理實體的全維度、全生命周期過程的數(shù)字映射系統(tǒng)[1-2]，其本質(zhì)是以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構建與物理世界一致的模型，主要利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、多物理場仿真和機器學習等功能，實現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間的實時雙向同步映射及虛實交互[3]。隨著物聯(lián)感知、網(wǎng)絡通信、云計算、三維可視化等技術的日益成熟與廣泛應用，支撐流域數(shù)字孿生的“算據(jù)”不斷豐富、“算力”顯著提升、“算法”逐步精準，數(shù)字孿生流域的概念應運而生。2021年3月，全國人大通過《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，明確提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。2021年6月，水利部提出把推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展六條實施路徑之一，明確要求構建數(shù)字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準化決策，全面推進算據(jù)、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水利體系[4]。

為加快推進數(shù)字孿生長江工作，做好全面構建數(shù)字孿生長江技術儲備，提高長江流域水旱災害防御能力，提升水工程調(diào)度科學智能化決策水平，2021年8月，長江水利委員會印發(fā)數(shù)字孿生長江試點建設工作安排的通知，明確將數(shù)字孿生澧水作為數(shù)字孿生長江四項試點任務之一。2022年2月，水利部印發(fā)《關于開展數(shù)字孿生流域建設先行先試工作的通知》，明確將江埡皂市工程作為11個先行先試對象之一[5-11]。鑒于澧水流域和江埡皂市工程均被列入數(shù)字孿生試點，且兩者空間范圍屬于包含關系，兩者在信息化基礎設施、孿生平臺等方面高度重疊，在智能業(yè)務應用方面緊密協(xié)同，為貫徹落實數(shù)字孿生“整體謀劃、協(xié)同推進、流域統(tǒng)籌、避免重復”的共建共享原則，可以將數(shù)字孿生澧水與數(shù)字孿生江埡皂市進行整合，一體化推進數(shù)字孿生試點[12-13]。

本文圍繞江埡、皂市工程運行管理需求，在已有信息化基礎設施和應用系統(tǒng)的基礎上，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生等新一代信息技術，提出澧水數(shù)字孿生總體框架，構建智能業(yè)務應用，支撐數(shù)字孿生澧水流域模擬過程與流域物理過程高保真同步運行與交互，為澧水流域水利決策管理科學化、精準化提供有力支撐。

1 總體框架

數(shù)字孿生澧水以江埡皂市工程為核心，整體框架分為信息化基礎設施、數(shù)字孿生平臺、智能業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系和運行保障體系五大部分，實現(xiàn)江埡皂市工程的物理實體與數(shù)字孿生體之間的同步仿真運行、虛實結合、迭代優(yōu)化[14]。總體框架如圖1所示。

1.1 信息化基礎設施

信息化基礎設施以利舊為主，對主要監(jiān)測感知體系和網(wǎng)絡通信帶寬進行適當升級，包括監(jiān)測感知、工程自動化控制、通信網(wǎng)絡和信息基礎環(huán)境部分。監(jiān)測感知方面，根據(jù)工程管理的實際需求和數(shù)字孿生技術要求，開展大壩安全監(jiān)測采集系統(tǒng)、水雨情遙測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等升級改造；工程自動化控制方面，充分利用目前計算機監(jiān)控系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡方面，主要對工程內(nèi)部的視頻監(jiān)控通信網(wǎng)絡進行改造，提升數(shù)據(jù)中心之間的通信寬帶。

1.2 數(shù)字孿生平臺

包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫和孿生引擎。數(shù)據(jù)底板方面，針對基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)開展搜集整理和標準化治理，并采集部分地理空間數(shù)據(jù)；模型庫方面，構建防洪興利調(diào)度模型、工程安全模型等水利專業(yè)模型、遙感影像及視頻圖像識別等智能識別模型以及可視化模型；知識庫方面，構建預報調(diào)度方案庫、工程安全知識庫、調(diào)度規(guī)則庫等，為精準、高效決策會商提供技術支撐；孿生引擎方面，建立數(shù)據(jù)引擎、知識引擎和模擬仿真引擎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、模型計算、實時渲染等大容量、低時延、高性能要求。其中，數(shù)據(jù)底板中的基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)主要結合已建信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行升級完善，而地理空間數(shù)據(jù)主要整合已有資源，構建基于二三維GIS的地理空間數(shù)據(jù)庫。

1.3 智能業(yè)務應用

包括工程安全分析預警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運營管理、庫區(qū)巡查、綜合決策支持等。工程安全分析預警方面，在已有安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺的基礎上進行升級，并新建預測預報、在線監(jiān)控、維護管理等功能；防洪興利調(diào)度方面，充分利用升級改造的防洪預報模塊，針對防洪調(diào)度、洪水資源利用調(diào)度、發(fā)電調(diào)度三個方面進行定制開發(fā)；生產(chǎn)運營管理方面，主要針對已建的電力生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接入；庫區(qū)管理方面，開展“四亂”問題識別、巡查任務管理、處置跟蹤等功能開發(fā)；綜合決策支持方面，建立全景可視化平臺，并結合其他4個業(yè)務進行綜合會商決策和應急調(diào)度指揮。

2 業(yè)務架構

基于對工程安全、防洪興利、生產(chǎn)運營、庫區(qū)巡查和綜合決策等業(yè)務的流程分析與數(shù)據(jù)分析，針對當前江埡皂市工程管理中的重點工作與薄弱環(huán)節(jié)進行業(yè)務協(xié)同，統(tǒng)籌考慮工程管理所涉及的部門職能，利用數(shù)字孿生技術手段協(xié)同工程安全、防洪興利、生產(chǎn)運行、庫區(qū)巡查和綜合決策支持等各項業(yè)務應用，推動業(yè)務流程改造，提升工程管理效能。