基于數字孿生技術的水資源管理系統設計

梁 甜 魏雨鈞 何銀俊

（1.長江工程職業技術學院，湖北 武漢 430212；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070；3.湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著信息技術在水資源管理的進一步融合和滲透，當下水資源管理系統朝著數字化、智能化、智慧化方向發展，該水資源管理系統綜合運行數字孿生技術、物聯網技術、遙感及通信等多種信息技術，有效解決目前水資源管理中存在的諸多問題，提高了水資源信息化管理和科學化決策水平。

2 數字孿生技術與水利融合

2.1 數字孿生

數字孿生是一種融合模型和數據的數字化技術，即在計算機虛擬空間映射出物理對象的等價數字化模型，結合大數據、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、5G通信、云計算、人工智能及物聯網等多種信息技術，聯合傳感器運行更新數據、物理模型實現物理對象的多尺度、多學科、多物理量、多概率的仿真與優化，從而模擬、控制、預測并驗證物理對象發展，最終完成物理對象的全生命周期過程管理并做到智能決策優化閉環[1]。

2.2 融合理論基礎

數字孿生技術的組成部分包含虛體、映射和實體，虛體表現手法有仿真三維可視化模型、沙盤、動畫及圖片等；實體包括流域、江河、湖泊、河口及水庫等；映射是在虛體和實體之間建立起關聯關系，是最重要的部分，分為軟件和硬件映射兩種[2]。其中，硬件映射包括無人船、遙感、檢測站點、無人機以及機器人等感知設備；軟件映射包括生態模型、數值模型、水質模型、數理統計大數據模型、泥沙運輸模型、二維三維水動力模型及氣象數值模型等。數字孿生可在虛擬空間中構建與物理實體相對應的數字孿生體，該孿生體和物理實體對象存在規則、物理、行為及幾何等多方面的精確映射關系且兩者之間保持實時交互從而模擬、預測、評估、決策和優化水利工程運行過程。

2.3 數字孿生技術在水利的應用方案

數字化水資源管理以BIM應用支撐模塊為基礎，使用SOA架構，構建數字化、個性化、智慧化的應用展示系統，該系統聯合使用BIM技術和數字化技術，實現水資源監控類、水資源概要類、水資源防洪類、水資源維護類、水資源模型類、視頻類、空間類、水情類及預警類等信息服務功能，以此對多源信息進行重構、深度處理及分析統計，為水資源日常管理提供多樣化的數據查詢與多維展示服務[3]。在BIM三維模型的基礎上進行輕量化處理，結合信息化管理以實現三維模型在瀏覽器中快速清晰顯示，輕量化技術可實現唯一性表達幾何對象，剔除部分面和點進行圖元合并，同時根據級別與距離加載復雜程度構建模型流，在HTML5頁面上邊下載邊顯示三維模型。輕量化處理完成后，使用HTML5構建數字化水資源管理系統，由此實現在瀏覽器上漫游、縮放、旋轉三維模型，與此同時還可以查看相對應的屬性信息。

數字孿生技術在水資源管理的具體應用過程：第一，為水資源管理建立三維模型。使用三維軟件構建水資源管理各場景的三維模型，從電氣、土建等專業角度建立與實際情況相符合的三維模型，通過數字孿生體建立虛實映射關系。三維模型可分成微觀、中觀及宏觀三個規模層次，其中宏觀級模型用來展現大范圍水資源流域的場景，在場景中盡數標記所管理的全部站點，不注重場景細節展現，力求全面；中觀級側重于水資源外部設施環境和管理區環境的總體展現，展示水資源管理的總體環境；微觀級則重點呈現水資源具體的設施設備布置及內部環境等情況。第二，疊加重點屬性信息，三維模型是水資源數字化管理的載體，數據信息為水資源數字化管理提供服務支撐和數據依據[4]。屬性信息同模型層級也分為微觀、中觀及宏觀三個層次，宏觀級信息多是概要類信息，是一類描述宏觀場景的基本信息；中觀級信息主要是水資源管理的基本信息，包括水資源管理的基本數據，如設施設備運行情況等；微觀級信息側重設施設備信息，包括設備實時運行情況、設備安裝信息等。第三，水資源管理系統運行維護管理的應用。對水資源管理的技術參數、設計指標、缺陷、工程加固和改造情況等分類統計和管理以便于添加、修改和查詢，為用戶提供多維空間的可視化動態展示。

3 基于數字孿生的水資源管理系統的設計

3.1 系統需求與目標

傳統水資源管理方式多使用紙質文件和部分電子文檔來管理與歸檔水資源管理信息，具有信息實時性低、管理難度大、查找不方便及協同性差等弊端。因此，需要借助先進信息技術來全方位掌控經濟、社會及自然等方面的情況，構建多類型的底層數據庫；開發特定功能的應用模塊，如根據水資源管理相關制度計算對應指標并完成分析與評價；對于水功能區水質條件發生變化或水資源需求立項，分析基本數據、預測診斷評估相關的影響，為科學決策提供有力的數據支撐，提高水資源管理的信息化水平，滿足水資源的日常管理需要。

3.2 系統關鍵技術

對區域資源、經濟、環境及社會現狀深入調查，尤其是水資源開發利用情況、水利發展狀況及水環境狀況，在此基礎上細分水資源分區并建立基本數據庫，綜合使用GIS、GPS、遙感及虛擬仿真技術來完善水資源監控系統，建立數字化流域平臺。以水資源某區為例，建立安全評價體系，劃分基本安全、不安全和嚴重不安全三個安全類型，評價水資源安全并預警和綜合評估水資源安全風險從而制定水資源應急預案[5]。與此同時，根據節水型建設要求，設計入河排污許可和水權制度，優化水資源調度系統以保護水資源環境和生態，具體技術線路見圖1。水資源管理系統以數據庫+電子文檔作為資料存儲管理模式，使用ASP.NET開發Web系統，用PHP開發相關訂閱號和企業號，同時借助百度最新地理信息資源來有效降低水資源管理系統的開發難度。

圖1 技術路線圖

3.3 系統總體架構

數字化水資源管理系統的核心和基礎是數據庫群，設有水資源考核計算模塊、分析評價模塊、人機友好交互界面等核心模塊，聯合應用Web交互、移動APP交互及客戶端三維仿真交互等，同時結合微軟地圖數據源及百度地圖API等，無縫構建統一的包含地圖服務端數據、高程數據、本地空間數據及高精度河道水系數據等多源的空間數據集，水資源管理系統的主要架構見圖2。

圖2 水資源管理系統總體架構圖

4 水資源管理系統的設計與實現

4.1 水資源管理系統實現

水資源管理系統由數據服務層、應用層及功能層構成，數據服務層用于提供基本數據服務和數據支撐，涉及水環境保護、水資源管理及防汛抗旱等核心業務場景，包含水資源公報數據庫、水功能區信息數據庫、水資源管理數據庫、空間信息數據庫、取水戶檢測數據庫、柵格數據以及圖片、影像和文檔數據七類數據庫，其中文件數據處理過程見圖3。

圖3 文檔數據處理過程

水資源公報數據庫用于存儲水質狀況、水資源開發利用情況及水資源量等信息；水功能區信息數據庫對規定范圍內的地表水，如水庫、湖泊、河流及大溝等，劃分功能區，同時劃分深層地表水、中層地表水及淺層地表水功能區；水資源管理數據庫根據水資源具體考核標準，收集整理、分析并集中管理水資源數據，如建成水資源基礎數據庫以管理某一或特定區域的用水定額信息、產品信息及取水許可戶信息等；空間信息數據庫用于收集并存儲湖、排污口、河、污水處理廠、水功能區等詳細空間地理數據；取水戶監測數據庫用于存儲大規模農田水利、企業及重點監管取水戶的取水情況等信息；圖片、影像及文檔數據主要收集并存儲水資源方面發展戰略及治理方針、水資源管理用水、取水申報資料、管理服務指南資料、項目審批流程圖、水功能區檢測資料、視頻影像及審批電子檔案等資料；柵格數據整合現有的高程數據、遙感影像、地圖多源柵格數據，以此作為水資源三維數字模型的數據基礎[6]。

應用層作為數字化水資源管理系統的核心組成部分，為用戶以Web、移動端、客戶端三種方式提供數據查看及業務管理服務，主要用作接收前端命令與數據，并將參數傳遞給數據服務層進行處理。應用層有自動響應和自定義事務要求兩類工作模式，前者為很多事件預先做好情景預案與功能模塊，在達到觸發條件時，水資源管理系統觸發并響應和反饋相應結果，如公眾號，先預設一些關鍵詞，當用戶輸入某一關鍵詞時，系統響應對應結果；后者是像數據挖掘、交互分析處理及水資源輔助決策等不同用戶根據實際要求進行自定義的事務，系統為用戶提供水資源決策的技術支撐和數據依據[7]。

功能層包含Web交互、移動APP交互及三維數字仿真等模塊，Web交互使用瀏覽器/服務器結構，為用戶提供水資源信息查詢和合理配置、科學管理等功能服務，綜合使用地理信息系統、水文水資源、通信及數字化等方面的技術，并將webGIS功能融入水資源管理和日常業務中，使用統一后臺為不同權限不同客戶端的客戶提供各種水資源管理服務；移動APP交互可用于3G、4G和5G網絡條件下，當水資源管理人員需要外出辦公時，僅需要訪問手機上移動APP就可查詢水資源管理信息及輔助決策等信息；三維數字仿真實現時序DEM地形數據和高分辨率遙感影像等基礎數據的集中管理，可多維度動態呈現河道、排污口、取水口等基本信息。

4.2 核心功能

水資源管理系統的核心功能有電子文檔處理、圖片處理、符合查詢等，由于管理系統涉及的檔案資料多是Word類型文件，因此，實現Word文件的錄入、統計、修改及檢索具有重要意義[8]。具體步驟是：第一，開發工具中啟動Word，若內存存在Word程序則調用，如果不存在則啟動Word；第二，從數據庫讀取文件數據到本地磁盤或將本地磁盤數據寫入數據庫中。圖片處理用來處理紙質文件經掃描后生成的圖片數據，隨著大容量硬盤的出現，對于這類數據采用直接存儲的方式足以滿足系統圖片存儲的需要。另外，系統還實現了檔案號、目錄號、簽發人及標題等信息的多重復合查詢和模糊查詢。

4.3 應用效果

本文以某清水江干流為例，應用水資源管理系統，構建相應的數字孿生平臺并得到可視化示意圖（見圖4）。

圖4 某清水江干流可視化示意圖

該數字孿生平臺融合壩體BIM模型、庫區水下地形、實時水雨工情及三維實景模型等物聯網數據，同時集成水資源配置、水文預報等水利專業模型。其中，供需分析作為水資源管理與科學調配的關鍵與核心內容，由此對某清水江干流2023年的供水能力進行預測（見表1）。

表1 某清水江干流2023年供水能力預測（單位：萬m3）

利用水資源管理系統來分析不同區域的水資源供需平衡情況，可以得到某區域的供水能力、需水量，從而判斷該區域是否缺水，什么時間缺水多少等，進而制定并采取有針對性的供需平衡措施。

5 結語

本文所設計的基于數字孿生的水資源管理系統具有用戶界面簡單友好、兼容性強及可靠性高等優點，其有望為水資源管理部門提供一個高效、便利、快捷的水資源信息查詢與數據管理平臺，未來重點放在實現該水資源管理系統以期盡早在水資源管理領域投入使用，提高水資源管理效率、科學決策水平及信息管理水平。