數字孿生流域在幸福河湖建設中應用與實踐

袁 楠，張云姣，奚 歌

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 幸福河湖與數字孿生流域關系

2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上發(fā)出“讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大號召，為新時代江河流域治理保護指明了方向。很多專家和學者圍繞幸福的內涵、評價指標體系、建設思路進行了不同程度的研究，幸福河湖課題研究組歸納出幸福河湖是安瀾之河、富民之河、宜居之河、生態(tài)之河、文化之河的集合與統稱[1]。王浩院士提出現代水治理體系(天空地一體監(jiān)測，智能水網)是幸福河八個愿景之一[2]。數字孿國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”。水利部黨組高度重視智慧水利建設，并將智慧水利作為新階段水利高質量發(fā)展和現代化治理體系的顯著標志，其中數字孿生流域是智慧水利的重要組成部分，是幸福河湖建設中管護能力提升的新模式。丁志良等提出加強數據監(jiān)測和互聯共享，強化數字孿生流域建設，提升河湖管護治理現代化水平[3]，為提升幸福河湖管護水平提供了新的思路。錢樹芹、李璐等在南崗河幸福河湖建設中指出完善優(yōu)化流域數據底板、模型平臺、知識平臺，提升相應信息基礎設施能力，建設數字孿生南崗河(智慧南崗河)[4，6]，為南崗河幸福河湖管護水平提升提供了先進引領力和強勁驅動力。王朝暉，許祚卿等以東鹽河幸福河湖建設為范例，提出集流域防洪調度、水資源管理與調配、水生態(tài)過程調節(jié)等功能于一體的數字孿生模擬仿真[5]，為東鹽河水利“一張圖”的建立提供支撐。綜上，建設幸福河湖，要應用數字孿生技術強化數字賦能提升能力，加快構建具有預報、預警、預演、預案能力的數字孿生河湖，提升流域管理智慧化水平[7]，為新階段幸福河湖管護能力提升賦予強勁的支撐和保障。

2 數字孿生流域建設路徑

2.1 整合算據，打造數字化場景

新建并整合區(qū)域內已有的各類物聯感知數據，通過數據采集、通信、融合、存儲與組織于一體的信息平臺，基于BIM+GIS+IoT技術，通過工程BIM模型和流域三維空間網格的融合，完成數字孿生流域三維融合場景的建設。通過在三維融合場景中，按照物理空間現實情況，完成各類水利建筑物、設備以及感知數據、屬性數據、業(yè)務數據在虛擬空間中的一一映射。通過統一的數據治理平臺，打造數字孿生流域的數據底板，實現物理流域的虛擬映射。

2.2 構建算法，實現智慧化模擬和精準化決策

建立模型平臺與知識平臺，以算法驅動數據應用。通過構建水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型等各類模型和智能算法，以及預報調度方案、歷史場景、業(yè)務規(guī)則和專家經驗結合人工智能算法，為系統賦予智能認知、自主學習、自主決策的能力。系統通過自發(fā)性收集系統使用過程中涉及的基礎數據、感知數據、過程數據等，通過多種算法手段及人工判斷獲得決策結果，并反饋到工程現實中，實現數據、算法對現實決策的輔助驅動作用，從而最大程度地發(fā)揮數據信息的價值。

2.3 創(chuàng)建應用，實現智能業(yè)務應用

承載業(yè)務需求，以智能化應用驅動工程管理模式的革新。以數據底板為基礎，以模型算法為支撐，強化信息技術與水利業(yè)務深度融合，深化業(yè)務模式創(chuàng)新和業(yè)務流程再造，構建創(chuàng)新型管理業(yè)務智能應。其建設路徑如圖1所示。

圖1 數字孿生流域建設路徑

3 幸福河湖之數字孿生流域建設實踐

3.1 總體架構

聚焦數字孿生九十九灣連通水系建設所涉及的“防洪排澇、河湖管護、康養(yǎng)科普”核心業(yè)務，對標“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”總要求，秉承“需求導向、數據引領，拓展智能、務求實效”建設宗旨，深度耦合并高度集成物聯網、大數據、云計算、人工智能等新技術，以物理流域為單元，以感知網、信息網、數據中心構成的信息基礎設施為支撐，以數據底板、模型平臺、知識平臺構成的數字孿生平臺為核心，以強化業(yè)務應用為抓手，以網絡安全體系和保障體系為保障，組成數字孿生九十九灣連通水系總體架構，其總架構圖如圖2所示。

圖2 總體架構圖

3.2 基礎設施

3.2.1感知網

整合匯聚已建雨水情監(jiān)測、水質監(jiān)測、視頻監(jiān)控數據，持續(xù)擴大感知范圍，提升數字化監(jiān)測能力，增強水利信息感知、分析、處理和智慧應用的能力和水平。

(1)擴大感知范圍

整合已有監(jiān)控數據，新增視頻監(jiān)測主要布設于龍舟碼頭、上美湖、湘橋湖、水文化館、一庫、一閘、湘橋、覺皇廟、藍田古鎮(zhèn)、河口濕地公園水文化景點、水文化風景區(qū)等位置，其內嵌算法，基于人工智能影像解析技術，實時分析河面漂浮物、水岸垃圾等；浦頭港主港道水雨情監(jiān)測站增設4處水雨情監(jiān)測站；新增東墩泵站水閘、湘橋水閘、孚美水閘、和內林泵站水閘等水平傾斜、沉降、震動在線監(jiān)測設施，結合人工神經網絡的軟土地基沉降分析數學模型，對其穩(wěn)定性進行計算分析，實現風險研判。

(2)利用新技術提升監(jiān)測感知能力

通過衛(wèi)星、無人機、無人船等技術，及時掌握數字地形、植被覆蓋、河道阻水建筑物、河灘占用、水文大斷面、重要河段水下地形等信息，提升數字化監(jiān)測能力和水平。

3.2.2信息網

(1)業(yè)務網絡建設

通過租用4G/5G運營商網絡的方式，為監(jiān)測站點、視頻監(jiān)測點之間的數據、視頻等信息傳輸與交互共享提供高速可靠的通信鏈路，實現河湖管護信息化網絡全覆蓋，滿足數字孿生九十九灣建設的要求。

(2)工控網絡建設

桂林排澇泵站工程控制系統應用和監(jiān)測數據均在現地節(jié)點的機房內部署和存儲。工控數據有著較高的安全等級，現地節(jié)點工控網絡應與辦公網絡等其他外部網絡實現隔離，并劃分現場控制區(qū)和過程監(jiān)控區(qū)。現場工控網絡本地實現工控數據的本地存儲，其他應用禁止通過現地工控網絡直接獲取。

3.2.3運行環(huán)境資源

數字孿生九十九灣連通水系數據中心軟硬件環(huán)境充分利用現有的軟硬件基礎設施資源，配備相應的軟硬件資源。

3.3 數字孿生平臺

3.3.1數據底板

(1)數據資源

數據資源主要包括地理空間數據和其他數據。

①地理空間數據

地理空間數據包括DEM、DOM、實景三維模型、水下地形、BIM數據，見表1。

表1 地理空間數據建設內容

②其他數據

包括基礎數據、監(jiān)測數據、業(yè)務管理數據、跨行業(yè)共享數據。

(2)數據引擎

數據引擎是用于存儲、處理和保護數據的核心服務。利用數據引擎可控制訪問權限并快速處理事務，支持處理大量數據的應用程序。

3.3.2模型平臺

模型平臺包括水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型和模擬仿真引擎等。

水利專業(yè)模型為模擬仿真提供其運行所需遵循的基本規(guī)律，主要包括水文模型、水力學模型、水環(huán)境模型、水利工程安全模型等。智能識別模型包括遙感AI識別模型、視頻AI識別模型；可視化模型是指能完成自然背景、流場動態(tài)水利虛擬現實VR、水利增強現實AR和水利混合現實MR渲染的模型和技術，主要用于實時渲染專業(yè)模型的計算結果；數字模擬仿真引擎可組合多種水利專業(yè)模型并為各專業(yè)模型適配輸入數據，從而完成特定業(yè)務的功能仿真，調用可視化模型將模擬結果渲染，以更貼近真實的方式展示給用戶。

3.3.3知識平臺

在共享水利部、流域、福建省級知識平臺的基礎上，以水利對象關聯關系、預報調度方案、業(yè)務規(guī)則、歷史場景、專家經驗等知識的抽取、融合、挖掘和結構化處理為重點，建設了包括水利知識和水利知識引擎的知識平臺，支撐數字孿生九十九灣連通水系精準化模擬。

3.4 業(yè)務應用

3.4.1防洪排澇“四預”

(1)預報

系統可依據實時及預報的雨水情以及工情信息，完成自動預報調度計算，實現自動預報、交互預報調度、模擬試算預報以及河道渠系洪水演進計算，并實現多模型專家交互分析、智能校正等功能。

(2)預警

基于九十九灣連通水系洪水“空天地”一體化監(jiān)測成果，分析水雨情、工情及水雨情可能的變化態(tài)勢，研判防洪面臨形勢，根據洪水預警指標體系及時發(fā)布相關預警信息。

(3)預演

以流域數值模擬為基礎，構建面向九十九灣連通水系的水工程運用對重要防洪排澇控制節(jié)點防洪排澇需求快速響應模型仿真體系，針對外江水位涌高頂托(導致城區(qū)水位大幅升高且排水困難)、沿河道城鎮(zhèn)區(qū)域行洪、蓄滯(分)洪區(qū)行洪進行仿真，實現洪水(水量)動態(tài)時空模擬推演和成災風險影響分析，以指導防洪排澇聯排聯調管理和災害防御應急等。

(4)預案

針對超標準洪水可能帶來的洪災風險，避洪轉移是應對洪災的積極躲避行為，是減少洪災人員傷亡的重要手段。在洪水風險計算分析的基礎上建設洪水淹沒區(qū)避險轉移輔助功能，以防洪應急轉移預案為指導，根據特定頻率/場次洪水的淹沒范圍、水深、到達時間等風險信息，通過對受淹居民區(qū)位置、人口數量、道路、安置區(qū)域等信息的綜合分析和路網計算，得到居民區(qū)避洪轉移安置方案和轉移安置最優(yōu)路徑，實現受災群眾快速、高效的疏散轉移。

3.4.2河湖管護

為了實現生態(tài)廊道動態(tài)、精細化監(jiān)管目標，以河長制管理制度為依托，分析河湖管理中存在的薄弱環(huán)節(jié)和主要問題，建設河湖一張圖、水域保護管理、生態(tài)廊道監(jiān)管考核、運維管理。

3.4.3工程電子沙盤

提供基于數字模型三維可視化展示水情、雨情、泵站工情、水閘工情、視頻監(jiān)控、水質等監(jiān)測信息，并可提供對工程建筑物信息的在線查詢與展示，實現工程信息的一張地圖展示與查詢。還可實現工程三維實景模型進行大場景瀏覽展示以及設施設備BIM模型漫游，實現建筑物大場景與細部精細展示的虛實結合，為管理者、公眾供三維可視化交互平臺。

3.4.4康養(yǎng)科普

結合九十九灣連通水系三維場景，構建康養(yǎng)科普系統，為公眾提供水景觀點的水環(huán)境指標，幫助公眾決策游玩地點，為公眾提供路徑導航、文化宣傳、接收預警信息、災害疏散轉移路線。

3.5 網絡安全及標準規(guī)范體系

3.5.1網絡信息安全

為了保證數字孿生九十九灣連通水系的安全、穩(wěn)定運行以及平臺建設的統一性和可擴展性，在建設過程中，從物理安全、網絡安全、系統安全、數據安全等方面采取相應措施并建設完善平臺安全管理。

本次實現九十九灣系統安全等保“2.0”二級，在九十九灣部署數據中心防火墻、數據庫審計系統、堡壘機、工業(yè)安全管理平臺、工業(yè)安全主機衛(wèi)士、入侵檢測系統、系統備份與恢復、漏洞掃描、網頁防篡改、日志審計、終端管理授權服務器、IPS入侵防御、web防護、上網行為管理、防火墻等安保設備，保證數字孿生九十九灣連通水系的安全可靠運行。

3.5.2標準規(guī)范體系

從體制機制、標準規(guī)范、技術創(chuàng)新、運維體系、人才隊伍、宣傳與交流等方面，統籌謀劃，持續(xù)推進，保障數字孿生九十九灣連通水系健康、可續(xù)持發(fā)展。

4 結語

幸福河湖建設是實現人水和諧共生的必要舉措，也是推動新階段水利高質量發(fā)展的重要途徑。結合幸福河湖建設工作要求，數字孿生九十九灣連通水系圍繞防洪排澇“四預”、河湖管護等重點業(yè)務，以促進全景化感知、數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為重點，通過“提升算據、優(yōu)化算法、強化算力”，加快推進數字孿生九十九灣連通水系建設，實現“防洪排澇管理精細化、河湖管理一體化、環(huán)境監(jiān)督可視化、管理決策科學化”目標，實現“智慧精準”科學管護的數字河湖新局面。數字孿生九十九灣連通水系建設對推動九十九灣連通水系精細化管護、維護九十九灣連通水系生命健康具有重要意義，同時為公眾參與治水、享水、樂水提供了重要途徑，也為新時期幸福河湖管護能力提升提供了重要手段。