數字孿生水庫建設解決方案淺析

張祥吉，焦玉梁，喬 羽

（淄博市太河水庫管理中心，山東淄博 255178）

1 太河水庫概況

太河水庫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。太河水庫是淄博市中心城區(qū)、臨淄區(qū)、淄川區(qū)近100 萬居民的重要飲用水水源地，人口稠密、工廠林立，防洪任務十分重要。

2019 年建成太河水庫水源地保護綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含供水調度子系統(tǒng)、工程管理子系統(tǒng)、水質監(jiān)測保護子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及專家?guī)熳酉到y(tǒng)五部分，初步實現(xiàn)了水庫信息化管理的功能，為隨后數字孿生水庫建設奠定了基礎。

2 數字孿生水庫建設的需求分析

2.1 功能需求分析

2.1.1 防汛調度

依據實測的降雨、預報降雨或假定降雨數據，進行洪水預報的仿真模擬，預報水庫所在流域干支流及所在區(qū)域各斷面的洪水流量過程，動態(tài)顯示洪水演進過程，并輸出控制斷面的水位、流量信息，進而結合歷年防汛預案，生成參考的防汛調度預案以輔助決策。

2.1.2 水源地及工程管理

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

2.1.3 水資源調配

結合上級批準的各用水戶的取水量指標，基于實時監(jiān)測水庫水位和流域內可能來水預報分析，評估水庫的預期可供水量數據，制定水資源科學分配方案。

2.2 業(yè)務需求分析

結合現(xiàn)實的業(yè)務需求，打造具有水庫特色業(yè)務模塊，憑借綜合展示、水資源調配管理、防汛調度、運行管理、水源地保護、安全監(jiān)測預警等業(yè)務模塊，提升水庫數字化運行管理能力和效率，實現(xiàn)水庫智慧化管理。

2.3 非功能需求分析

2.3.1 網絡及安全性能

在原水庫網絡安全滿足等保三級前提下，對其它硬件設備、軟件系統(tǒng)、網絡等方面進行全面安全升級，在數據歸集、清洗、存儲、訪問、傳輸過程中提高安全性。

2.3.2 物理安全需求

主要包括物理設備、實體環(huán)境和施工現(xiàn)場安全需求，具體體現(xiàn)在對水庫、機房、控制中心等處的防雷接地安全，包括電源電路、信號線路、監(jiān)控線路等的電泳保護需求和等電位接地建設需求等。

2.3.3 網絡安全需求

為保證網絡的安全可靠運行，網絡安全需求包括：盡量避免非授權訪問；避免信息泄露與丟失；保證數據的完整性；訪問攻擊和盡量避免感染通過網絡傳播病毒。

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)測和計算機病毒防治三方面保證信息的機密性、完整性、可用性、可控性和可審查性。

3 數字孿生水庫建設解決方案

3.1 構建架構

結合在水庫防洪調度、水源地及工程管理、水資源調配管理等方面的需求，構建以水庫工程、業(yè)務應用、用戶、網絡安全體系和保障體系等組成的數字孿生水庫總體架構。

該架構核心是數字孿生水庫工程，構建水利對象的空間特征、時間特征和關系特征的一體化組織模型，通過物聯(lián)感知等設施，實現(xiàn)信息化技術設施的數據匯聚，實時感知水庫運行狀態(tài)。將數據匯集與數據融合，搭建包含基礎數據、監(jiān)測數據、業(yè)務管理數據、外部共享數據和地理空間數據的數據底板?；跀祿?、知識引擎、模擬仿真引擎整合數據底板、模型庫和知識庫進行分析與處理，實現(xiàn)業(yè)務應用的智慧化服務，提升水庫管理服務水平。

3.1.1 基礎設施建設

實現(xiàn)水庫各類監(jiān)測數據的采集，包括水位、流量、視頻監(jiān)控、工程安全等數據信息，提升水庫感知能力，滿足數字孿生平臺運行要求。

3.1.2 數字孿生平臺建設

數字孿生平臺建設主要包括數據底板、模型平臺、知識平臺和模擬仿真引擎四個方面。數據底板建設主要進行L1、L2、L3 級數據底板建設，全面集成水庫包含的基礎數據、感知數據、業(yè)務數據、地理空間數據與共享數據，并完成數據治理等工作，為數字孿生水庫建設提供“算據”；模型庫建設主要包括水利專業(yè)模型、智能模型及可視化模型三部分；知識庫建設包括構建調度規(guī)則庫、業(yè)務規(guī)則庫、專家經驗庫，并搭建知識應用平臺，提供知識搜索、知識可視化等功能；模擬仿真引擎將數據底板數據、水利專業(yè)模型、人工智能模型庫與可視化模型庫進行有機耦合，利用各種模擬仿真技術，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的同步仿真運行。

3.1.3 業(yè)務應用

搭建以防洪智能調度、水資源調配與管理、綜合信息展示、水庫運行管理、工程安全監(jiān)測和應用支撐等業(yè)務應用平臺，結合數字孿生平臺數據底板、模型庫與知識庫價建設，形成以數據底板為驅動、模型庫與知識庫為“大腦”，全面支撐水庫“四預”（預報、預警、預演、預案），提高水庫精細化、智能化管理水平。

3.1.4 網絡安全體系建設

網絡安全達到等保二級要求，建設防火墻、漏洞掃描等功能模塊，完善涵蓋安全管理、安全運行的安全主動防御體系，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

做好水庫環(huán)境集成與共建共享，充分考慮與水庫已有信息化系統(tǒng)、上級部門系統(tǒng)的集成與共享，并與水文、環(huán)保、氣象等部門實現(xiàn)數據共享。

3.2 智能應用

智能應用系統(tǒng)框架包含綜合展示、防洪四預、水資源管理與調配、水庫運行管理。各單位可根據單位實際情況，構建更多的態(tài)勢場景，充分利用地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感技術等技術，實現(xiàn)更多、更廣信息的獲取，構建更多模型庫和知識庫，開發(fā)更符合本單位實際的應用程序。

3.2.1 綜合展示

基于太河水庫數據底板，構建BIM+GIS的數字孿生平臺，對太河水庫的基礎信息、感知信息、社會經濟信息、工程及區(qū)域信息、溢洪閘運行管理信息及其他信息進行綜合展示，進行相關信息的瀏覽和查詢，并對監(jiān)測動態(tài)信息進行分析。綜合信息服務提供各類基礎信息、監(jiān)測信息、運維信息的綜合查詢服務；三維可視化服務提供在三維場景中的基礎功能應包括旋轉、瀏覽、放大、縮小、指北針、頂視圖、平移、測量、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

建立以流域洪水預報、防洪預警、防洪預演、防洪預案等功能的水庫防洪四預系統(tǒng)，實現(xiàn)氣象水文耦合以及人機互動的同步仿真預演、動態(tài)優(yōu)化的精細數字預案，提高水庫防洪調度的自動化程度和管理水平，為工程安全度汛提供技術支持，確保水庫的安全高效運行。

流域洪水預報：利用數字孿生平臺提供的監(jiān)測數據、歷史數據和專業(yè)模型等對流域未來發(fā)生的洪水要素時空變化過程進行預測預報，傳統(tǒng)的要素預報向影響預報轉變；防洪預警：根據預報結果精準定位險情發(fā)生位置與范圍，及時把預警信息送達工作一線，將傳統(tǒng)的閾值預警轉變?yōu)轱L險預警。對不同的預警對象，采取不同的形式和內容，實現(xiàn)針對不同對象、不同時段、不同空間的風險預警；防洪預演：對各種給定的調度目標、調度方案、邊界條件下的演進過程進行模擬仿真，前瞻預演工情、險情和災情，制定和優(yōu)化調度方案。在平行空間，實現(xiàn)正向推演反向逆源，滿足虛實交互迭代優(yōu)化的要求。根據虛擬推演結果指導真實防洪措施，進而根據真實變化迭代進行虛擬推演，實現(xiàn)數字孿生水庫的虛擬互動；防洪預案：基于預報、預警、預演過程，在多方案模擬仿真和影響評估的基礎上對洪水防御準備、監(jiān)測預報預警、水利工程調度、大壩防守搶護、人員轉移安置等應急處置措施方案進行分析和比選，自動推薦最優(yōu)方案，實現(xiàn)水庫防洪精準化決策支撐。

3.2.3 水資源管理與調配

建立面向業(yè)務應用的完整數字孿生平臺，實現(xiàn)水庫水資源自動化調度運行，提供優(yōu)化調度決策服務，通過對水庫來水量及數據分析，優(yōu)化運行調度方案，與各用水單位調水系統(tǒng)建立互聯(lián)互通、數據共享，實現(xiàn)中心城區(qū)水資源的聯(lián)合調度。同時具備水庫水資源調配日常業(yè)務管理、水資源配置方案、應急水量調度等功能，有目的地調節(jié)控制河流的天然來水，在保障水庫及下游防護目標安全前提下，充分發(fā)揮水庫的綜合利用效益。

3.2.4 水庫運行管理

通過智能運維管理系統(tǒng)的建設，建立、健全水庫工程管理信息化管理標準體系，借助數據建模、大數據、知識庫、人工智能等技術實現(xiàn)水庫樞紐工程、水源地保護管理上包括監(jiān)測數據評估、安全隱患排查、巡查問題處理、防汛組織管理、運維方案決策、運行考核管理、工程綜合評價等多方面的功能。使得管理更加科學、有序、流暢。

4 結論

文章對從業(yè)務、功能方面對太河水庫數字孿生水庫建設的需求進行分析。結果表明數字孿生水庫建設十分必要。制定了太河水庫數字孿生水庫建設總體架構及相關業(yè)務的智能應用，數字孿生水庫建設促使水庫各層級業(yè)務間深度融合，推動水庫數字化全面轉型，對水庫各項業(yè)務流程進行重新構建，充分利用新一代人工智能技術，不斷地進行自我優(yōu)化迭代，為水庫運行提供高效管理支撐。