數字孿生水利專業模型平臺構建關鍵技術及應用

收稿日期：2023-04-28；接受日期：2023-08-24

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC3005504，2021YFC3200305）

作者簡介：羅" 斌，男，正高級工程師，主要從事智慧水利、水電規劃、水能經濟和水庫調度方面的工作。E-mail：luobin@cjwsjy.com.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0227-07

引用本文：羅斌，周超，張振東.數字孿生水利專業模型平臺構建關鍵技術及應用

［J］.人民長江，2024，55（6）：227-233.

摘要：專業模型平臺是數字孿生水利的核心建設內容之一。目前水利行業較多關注于專業模型理論與算法建設，模型組織管理與業務編輯運用能力較弱，不能支撐專業數據信息-模型運算-業務分析的數字孿生模擬流程全過程管理。因此，研究支撐數字孿生系統的水利專業模型平臺具有重要意義。依據目標導向-框架設計思路，提出了專業模型平臺的架構與功能，通過邊界組織層、通用模型層、模型管理層、模型組裝層、業務編排層的協同運行，實現水利計算業務的動態可視建模、孿生模擬分析。該模型平臺有效支撐了三峽智慧流域運行管理工作平臺的綜合調度管理系統建設和運行，可為數字孿生模型平臺的建設提供技術支撐與推廣參考。

關nbsp; 鍵" 詞：智慧水利； 數字孿生； 模型平臺； 通用模型； 模型編排

中圖法分類號： TP399

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.031

0" 引 言

智慧水利建設是推動新階段水利高質量發展的六條實施路徑之一，已成為水利信息化從量變到質變的顯著標志［1］。數字孿生建設是目前推進智慧水利建設的核心與關鍵［2］，通過大力推進建設數字孿生流域、水網、工程等建設，構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水利體系，為全面提升國家水安全保障能力提供強有力技術支撐［3-5］。

模型平臺是數字孿生平臺的重要組成部分，為水利業務應用提供“算法”核心支撐，通過對專業模型的管理和組織實現物理水利場景和仿真推演邏輯的映射，是實現數字孿生水利的關鍵。目前，國內外已有一系列水利模型平臺研究。國外方面，丹麥水力研究所建設了著名的MIKE+模型管理平臺，主要管理MIKE開發的模型，其不支持集成其他非MIKE模型的應用［6-7］。荷蘭Deltares聚焦洪水預報預警建設了通用的模型組裝平臺FEWs［8-9］，優勢在于可以通過平臺集成調用各種模型，但模型的精度則依賴于模型提供者［10］。國際上主流的水利計算平臺標準化程度高、建模能力強，但是技術封閉、服務集成和本地化開發難度大。國內方面，專業計算模型服務技術發展迅速，比如長江設計集團在數字孿生三峽的建設過程中提出了模型平臺構建的“通用標準化、智能先進化、敏捷高效化”關鍵技術，具有第三方模型的高效集成方案［11］。黃河水利科學研究院、中國水利水電科學研究院提出了基于模型標準化的水利數值模擬云服務平臺［12］。劉海燕等采用SOA［13］與云計算技術，構建了開放、可擴展、可共享的水利模擬模型集成架構［14］。李建勛采用原子化的思想對水利作業進行拆分，形成業務系統的靈活、快速、可視化的搭建方案［15］。羅軍剛按照組件開發標準，利用組件庫解決應用系統構造、知識資源共享問題［16］。夏潤亮等基于云計算和微服務等技術，搭建了一體化多模型云平臺［17］。唐海華等針對水庫群聯合調度涉及的模型算法群體，采用模型組建分解與封裝、組件化耦合、多模型SOA集成等技術，構建多模型耦合應用通用的集成框架和解決方案［18］。

總體而言，中國水利專業模型經過多年建設發展，在水文預報、水庫調度、水動力模擬、安全監測等已經積累了一批機理計算、數據驅動的專業模型，已嘗試建設模型上傳、下載、調用等平臺管理方面的功能。但是現有技術尚無法滿足數字孿生水利要求實現與物理世界的同步仿真，支持多業務協同智能決策及通用，智能、高效、動態、快速的模型平臺技術要求，仍然存在模型通用性不足、復雜場景模擬能力不足、多種類模型配置技術缺乏、多業務場景動態支撐能力缺失等問題。因此，亟需建成集數據組織、通用標準、管理精細、動態組裝、敏捷搭建于一體的模型平臺，實現模型建設標準化、平臺管理高效化、仿真互饋靈活化、業務編輯可視化，為數字孿生水利建設提供技術支撐。

1" 數字孿生模型平臺總體設計

根據數字孿生水利的建設要求，結合試點項目過程中的積極探索、研究與實踐，本文依據“目標導向-框架設計”的思路，總體設計數字孿生模型平臺框架。1.1" 模型平臺功能目標

《智慧水利建設頂層設計》《數字孿生流域建設技術大綱》《數字孿生水利工程建設技術導則》［1-3］等相關技術文件提出，模型平臺的建設需要按照“標準化、模塊化、云服務”的要求，制定模型開發、模型調用、模型共享［19］等技術標準，保障各類模型的通用化封裝及標準化調用，滿足高效支撐業務應用的計算需求；要建設標準統一、接口規范、分布部署、快速組裝、敏捷復用的模型平臺［20-22］，支撐數字孿生流域實現與物理流域的同步仿真運行。據此分析，數字孿生水利專業模型平臺的功能目標如下所述。

（1） 支持標準化管理、擴展性開發。

傳統水利信息化領域通常未將應用軟件系統和平臺功能進行區分界定。根據信息行業的專業認知，應用軟件系統是滿足用戶不同領域、不同問題的應用需求而提供的軟件有機整體。平臺是泛指進行某項工作所需要的環境或條件，是構建系統的基礎和工具，在平臺其上構建相互聯系相互協同的應用系統。平臺是可以復用的，而應用軟件系統相對定制的，復用性差。因此，水利專業模型平臺應是具有標準化、兼容性、管理能力的平臺共性，并能以此為基礎構建數字孿生“2+N”業務應用。

（2） 支持利舊整合、共建共享。

目前數字孿生流域涉及到水利部、各流域、各省分級建設，各級數字孿生流域平臺及其中的模型平臺建設成果，需要進行共建共享。數字孿生流域是一個復雜的系統工程，參建部門單位眾多，各方掌握的模型不同，模型的開發語言、實現技術路線亦均不相同，通過多年的應用實踐和反復迭代，特定的模型在特定區域和業務中應用效果較好。不可能也不應完全重新開發，應充分發揮各建設方的優勢，秉承繼承性發展的原則，通過取長補短，以合作共建的方式使各方的模型成果有機結合。因此水利專業模型平臺要具備對不同類型模型的管理能力實現各級模型融合互補，通過對現有模型進行標準化改造，支持共建共享，避免重復性投入，使模型平臺具備較好生命力并充分發揮其支撐能力。

（3） 支持基于數據信息模型銜接數據底板。

目前，水利部本級和七大流域機構已完成了以水利一張圖為基礎的數據整合，并以此為基礎構建了防洪抗旱指揮系統、水資源監控系統等。但是，各部門開發系統的標準和技術路線并不統一；同時水利行業與氣象、電力、國土等部門進行有關信息交換的數據標準也不相同。水利專業模型平臺驅動模型計算模擬的過程中，各模型需調用數據底板的數據，因此平臺應具有對不同數據庫或信息結構的靈活適配能力，實現與現有多源數據底板的適應與銜接。

（4） 支持快速建模實現與物理世界的實時互饋。

數字孿生需要實現與物理世界的虛實互饋，不僅表現在幾何外表上的實時互饋，其內在機理模型也應該根據實際情況動態適應，通過模型的快速迭代實現對物理世界發展的預測。以長江水工程聯合調度為例，2010年開始納入聯合調度的僅有10座水庫，到2022年已納入水庫、蓄滯洪區、排澇泵站等工程140余座，在調度對象擴展后要實現模型的靈活響應，需要模型平臺具有適應物理世界變化的動態建模能力，配合幾何外表的孿生，實現業務的孿生互饋。

（5） 具有業務協同能力，支持“四預”全鏈條。

水利涵蓋防洪、水資源、水生態、水環境等多專業領域，從業務管理角度則分水文、工程調度、河湖管理、工程建管等多部門，從工作流程角度又包括預報、預警、預演和預案的全鏈條。模型平臺需考慮不同部門、不同關注要素產生多種計算分析需求。以防洪為例，從地理空間上，下游地方水主管部門關注重點防洪對象洪水淹沒風險，上中游水利主管部門更關注控制性工程調度情況；從業務部門來看，水文部門重點關注預報和預警過程中模型的參數調整和計算精度，調度部門則關注調度預演和預案方案的智能化便捷生成；從管理層級來看，省級以上的流域管理單位關注點在防洪預警區域、流域內整體洪水出路方案，市、縣級管理單位更聚焦具體災情應對方案。因此模型平臺需要在統一構架前提下，支持不同用戶、不同業務、不同流程，遵循大系統設計、分系統建設的理念，避免形成“業務煙囪”，形成強大的業務協同及覆蓋“四預”全鏈條的平臺支持能力。

1.2" 總體框架

通過上文分析可知，數字孿生水利專業模型平臺的總體定位是對下銜接數據底板，實現數字化映射，對上支撐業務應用，實現智慧化模擬。主要功能包括：快速完成模型庫與數據底板銜接，自動檢查模型是否符合通用標準，精細管理模型庫從上傳到調用到下架的全周期狀態，智能組裝基礎通用模型形成復雜專業模型，敏捷搭建水利對象并配置專業模型以支撐數字孿生“2+N”業務應用建設。模型平臺總體框架如圖1所示，包括邊界組織層、通用模型層、模型管理層、模型組裝層和業務編排層共5層架構。

2" 模型平臺建設內容

2.1" 邊界組織層

邊界組織層是數據底板、知識平臺的銜接層，主要通過標準接口訪問模式將不同行業、不同標準的數據源與知識源以統一的調用方式為模型提供邊界輸入服務。

模型所需的輸入邊界分為靜態邊界和動態邊界。前者指基本不隨計算時間、業務類型變化的數據，比如水利對象編碼、名稱、特征值、特征曲線、水利知識等邊界；后者指隨計算場景變化而變化的數據，比如水利對象的實時監測數據等。邊界組織層主要通過水利信息模型（CWIMS，China Water Information Model Systems）［2］按照模板屬性的固定格式從五大類數據庫中進行數據抽取和連接，完成水利對象靜態數據實例化和模型所需的動態數據關聯，如圖2所示。

2.2" 通用模型層

通用模型層主要管理水利專業相關的基礎模型庫，基礎模型可用于組合成復雜水利專業模型，例如預報模型中的產流模型、匯流模型和調度模型中的控制模式、水量平衡等。

通用模型層主要完成“標準制定-模型開發-通用檢查”3個步驟，如圖3所示。第一步從開發、封裝和調用3個方面制定通用模型的標準，通過制定標準約束規范并進行智能校驗，提高模型本身的通用性。在開發方面，通用模型遵守“參數分離、對象解耦”的原則，將模型使用的邊界條件與參數剝離至模型輸入中，增強模型的通用性；在封裝方面，針對使用Java、Python、C++等語言開發的模型，統一改造成標準的模型微服務，提升模型調用的穩定性和高效性，并采用輕量級數據交互格式JavaScript Object Notation（json）以“字段：值”的方式規范模型輸入輸出，保障模型升級調整時不影響接口的結構，增強模型的魯棒性；在調用方面，通過http或https請求的方式完成，保障安全通用化的調用接口，提升模型的可推廣性。第二步基于通用模型標準完成通用模型的開發、封裝與發布。第三步為通用檢查，主要針對模型輸入輸出是否規范、微服務是否支持、請求參數與模型服務是否正確及不同應用場景的測試集驗證通用模型是否能得到預期結果等四級檢查，通過四級通用化檢查的模型方可注冊至模型平臺，供業務應用調用。

2.3" 模型管理層

模型管理層實現對內部開發或外部接入的所有模型的注冊、上傳、發布、測試、更新、調用、跟蹤、完成、下架等9種狀態進行全周期管理，如圖4所示。注冊狀態是在模型庫中新建一條記錄，明確新模型的編碼、名稱、初始版本號、注冊時間和功能描述等內容。上傳狀態為模型庫中該模型記錄上傳的核心成果。發布狀態是自動為該模型做微服務封裝，通過tomcat、docker容器等形式部署發布。測試狀態是對已完成模型進行四級通用性檢查，模型更新重新上傳時需要增加版本號，同時記錄測試樣例的相關描述，便于其他人員調用。調用狀態是業務需求通過http或https請求相應的模型，監控模型執行的進度，通過日志記錄整個流程，直到模型調用完成。完成狀態是釋放本次調用過程中占用的內存等資源，對模型調用進行評價與總結，支持通過長期模型使用來統計模型調用次數、被調用期間的性能指標、關鍵調用場景回顧等方式對模型進行總結，為后續相關模型的建設積累經驗。下架狀態是模型變更或新模型代替時，對模型全周期使用過程進行回顧并最終將該模型標記為棄用狀態。

2.4" 模型組裝層

模型組裝層是將模型庫中的基礎模型組裝為單個水利對象的復雜模型，并為業務的模型編排奠定基礎，如圖5所示。例如，利用基礎模型庫中產流、匯流等模型通過組合可以形成某個水庫或者流域的水文預報模型；利用水量平衡、控制模式等調度相關的模型，可以形成常規調度模型；將預報模型、調度模型與演進模型組合可形成調度-演進一體的模型［23-25］。模型組裝層可以充分發揮標準化、基礎模型的運用優勢，增加基礎模型可復用程度，組裝后的模型也能作為新的通用模型直接使用，提高模型編排效率。

2.5" 業務編排層

業務編排層是模型平臺與業務應用的銜接層，根據水利業務應用需要以可視化的形式完成水利對象、專業模型的組合編排，適應各類業務應用的敏捷搭建（圖6）。業務編排層根據業務需求動態編排所需計算對象和配置模型，確定各對象的水力聯系；基于計算流引擎［10］自動生成多對象、多業務模型的計算順序流，對象、模型按照銜接之后的最新數據逐次計算。

為提升敏捷搭建效率，平臺應提供圖形化的編輯能力，如圖7所示。支持通過圖元“拖拉拽”的方式搭建水利對象及其拓撲關系，然后根據業務需求拆分子業務流程并為每個流程中各水利對象配置相應的計算模型，同時指定業務計算的時間屬性，通過系統平臺一鍵式生成計算對象的計算模型順序流。

在進行業務編排時應考慮工程群調度規則庫及歷史場景庫的調用與應用。知識庫的調用在邊界組織層中與數據類似，采用匯集統一的方式對模型與應用進行支撐。知識庫的應用以構建知識驅動模型的方式支撐業務，在進行業務編排時可采用與模型編排相同的方式參與到計算流中。

3" 模型平臺應用案例

本文以三峽智慧流域運行管理工作平臺的綜合調度管理系統為例，解釋說明數字孿生水利專業模型平臺用于管理模型并搭建業務應用的過程。搭建完成后的系統模擬范圍包括：金沙江下游、岷江、沱江、清江等支流和長江干流，烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩、水布埡、隔河巖、高壩洲共9座水庫，三堆子、李莊、朱沱等15個測站，荊江地區蓄滯洪區等水利對象。其業務應用覆蓋防洪、水資源、發電等業務，是一個典型的多對象、多目標的綜合管理系統，搭建后生成的系統業務運算概化圖如圖8所示。

3.1" 邊界組織層

該系統涉及到的水利計算對象構建了流域、河流、水庫、水文站、雨量站、蒸發站、水閘、分水口、河段、河段斷面、產流單元、預報區間共12類模板。從數據底板中抽取數據分別填充對應水利對象類型的實例。以水庫為例，模板中包括了編碼、名稱、所屬河流、集水面積、調節類型、汛限水位等特征水位、庫容曲線等特征曲線，如表1所列。模型計算所需的靜態數據與溪洛渡、向家壩等所有水庫對象建立映射關系。模型計算的動態數據根據具體模型所需來配置接口地址、對象來源、數據編碼、時間屬性等內容在計算過程中動態獲取。

3.2" 通用模型層

該系統根據業務需求開發了滯時、馬斯京根等匯流模型，一維水動力模擬，蓄滯洪區應用模型，水量平衡、控制模式、混合控制、最大出庫最小、保下游防洪安全下防洪庫容耗用最小、規則調度等調度模型，同時支持單庫發電量模型及聯合發電模型等通用模型以及寸灘水位計算等外接模型。外接模型通過微服務封裝之后上傳至模型平臺供計算調用。

3.3" 模型管理層

將開發的通用模型注冊到模型平臺中，明確模型編碼、名稱、節點類型、版本號等信息，如圖9所示。在

編輯狀態下，可上傳模型的源代碼或調用包；自動封裝為微服務并部署發布，模型列表中展示了請求地址與請求參數；通過模型平臺的自動化完成四級通用化測試；模型需要更新時，就在編輯狀態下上傳更新后的源代碼或調用包并疊加版本號；在業務計算過程中，接受到計算請求之后會跟蹤調用進度。

3.4" 模型組裝層

將各調度對象一起使用的模型進行組合得到單對象的模型，比如將滯時演算模型、一維水動力和淹沒損失統計模型組合可得到調度方案預演模型；將水量平衡、水位控制模式、流量控制模式等模型組合可得到混合控制模型。

3.5" 業務編排層

以系統的防洪調度業務為例，為實現提供調度方案預演的功能，提供決策輔助方案計算及風險分析的精準化決策支撐，需針對“烏東德-白鶴灘-溪洛渡-向家壩”區域，進行“調度演進-發電模擬-淹沒損失-綜合評估”多項業務分析。根據水力拓撲聯系明確對象的水力聯系為圖10中表格的對象列順序，業務分析順序為表格中的行順序，之后為各對象在各業務流程中配置模型。具體編排過程如下：以防洪調度為基線，在調度演進流程中，烏東德水電站采用混合控制完成水庫調度，然后以烏東德—白鶴灘河段上邊界銜接調度結果，采用滯時模型完成河段洪水演進，并依次向下通過水庫調度和河段洪水演進逐步演算；在調度演進基礎上，烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座水庫自動獲取調度后的水量過程進行發電分配模型計算；采用一維水動力學對庫區進行淹沒風險分析計算；最后在評估流程中對調度效果和風險分析展開綜合評估。根據以上邏輯在模型平臺上進行業務編輯后，采用計算流引擎自動生成綜合調度管理系統常規防洪調度多對象、多業務模型的計算順序流，完成綜合分析的業務開發。

采用“定義場景模板庫-映射知識與場景-配置知識驅動模型-計算支撐業務場景”流程通過調用水庫聯合調度規則庫及規則引擎實現金沙江下游四庫防洪調度，如圖11所示。預先定義烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座水庫的防洪調度場景，錄入水庫防洪調度規則，將調度場景與調度規則進行關聯映射，研發水庫防洪調度知識驅動模型并將其配置在圖中調度演進流程中各水庫的模型單元格中。計算過程中調用知識驅動模型，由知識驅動模型請求具體的調度規則知識并進行計算，從而實現知識支撐防洪調度業務場景的需求。

4" 結 語

本文在數字孿生流域與數字孿生工程建設大背景下，從水利專業模型平臺建設與應用目標出發，重點闡述了模型平臺的5層架構體系，以及平臺各層的功能、建設內容和關鍵流程，并以綜合調度管理系統為例詳細介紹了采用本文模型平臺開展業務應用搭建的過程。所提出的模型平臺建設框架與內容功能，有效支撐了三峽智慧流域運行管理工作平臺的綜合調度管理系統建設和運行，今后將進一步推廣應用至其他如岳城水庫、數字孿生漢江等正在建設的數字孿生相關項目中，為上述數字孿生模型平臺的建設提供技術支撐。

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（編輯：鄭 毅）

Key technology and application of digital twin platform of water conservancy business models

LUO Bin1，2，3，ZHOU Chao1，2，3，ZHANG Zhendong1，2，3

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，430010，China;

2.Innovation Team of Intelligent of Changjiang River of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;

3.Key Laboratory of Internet+and Intelligent Water Conservancy，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Constructing business model platform is one of the key content of digital twin water conservancy.At present，major researches are focused on the model theory and algorithm in water conservancy，however the technics of organization and choreography of the basic models is weak，which can not support the whole process management of the digital twin simulation process of \"data information\"，\"model operation\"，\"business analysis\".Therefore，it is of great significance to study the hydraulic business model platform to support digital twin system.In this paper，the structure and functions of the model platform was proposed according to the idea of object orientation-frame design.Through the cooperative operation of boundary organization layer，general model layer，model management layer，model assembly layer and business choreography layer，the dynamic visual modeling and twin simulation analysis in water conservancy computing business were realized.The model platform effectively supports the construction and operation of the integrated dispatching management system of the Three Gorges intelligent watershed operation management platform，and can provide technical support and reference for the construction of other digital twin model platforms.

Key words：

intelligent water conservancy; digital twin; model platform; general model; model choreography