□于利鵬 張子元 王立朝

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基，興水利、除水害，事關人類生存、經濟發(fā)展、社會進步，歷來是治國安邦大事。習近平總書記高度重視網絡強國、數字中國建設，對數字化、網絡化、智能化提出一系列明確要求，強調沒有網絡安全就沒有國家安全，沒有信息化就沒有現代化，網信事業(yè)代表新的生產力和新的發(fā)展方向，應該在踐行新發(fā)展理念上先行一步。國家“十四五”規(guī)劃明確提出，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。水利部黨組深入貫徹落實習近平總書記重要講話指示批示精神和黨中央國務院決策部署要求，提出水利高質量發(fā)展的思路任務目標，并將智慧水利建設作為水利高質量發(fā)展的顯著特征之一，連續(xù)出臺了一系列數字孿生領域工程建設的指導文件，拉開了水利新型基礎設施建設的序幕。

1.水庫數字孿生工程建設目標

1.1 提升洪水預測預報能力

河北省現有大中型水庫大多以城市防洪為主，兼顧生態(tài)環(huán)境、城市供水及發(fā)電等功能，因此水庫數字孿生工程建設首先要完善洪水預測、預警、預演、預案的“四預”體系，實現短期預報、中期預測、長期展望，努力提高預報精度，突破海河流域超滲產流條件下洪水預報難度大、預報精度低的問題。

1.2 提升水資源管理能力

河北省多年平均水資源量為176.3億m3，按七普人口數據計算，人均水資源量僅為237m3，不足全國人均水平2003m3的12%，屬于極度缺水地區(qū)。隨著最嚴格水資源管理制度不斷落實，水資源已成為地區(qū)發(fā)展最大的剛性約束，在堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產高質量發(fā)展之路的要求下，必須加強水庫水資源管理，不斷優(yōu)化供水調度方案，完善監(jiān)測監(jiān)控信息感知系統(tǒng)，建立多種預測方法的多尺度徑流預測模型集，包括基于定性氣象預報的長期來水預測、基于時間序列分析的中期來水預測及基于機器學習方法的短期來水預測等模型，構建起水資源“四預”體系，實現水資源合理利用、優(yōu)化調度。

1.3 提升工程運行管理能力

工程運行管理能力的高低，直接關系工程著能否實現安全穩(wěn)定運行和工程效益最大化，工程運行管理能力主要表現在工程及設備養(yǎng)護及維修、水庫庫域岸線管理等方面，通過數字孿生工程建設應積極引入無人機、無人船、衛(wèi)星遙感、AI等新技術新設備輔助工程管理，構建起“空（衛(wèi)星）、天（無人機）、地（視頻監(jiān)控）、人”四維一體監(jiān)測網，實現全天候、無死角工程巡護，同時基于管理標準建立應用系統(tǒng)，通過管理標準系統(tǒng)化，倒逼管護行為標準化，全面提升工程運行管理水平。

2.水庫數字孿生工程建設難點

2.1 工程數字化難度大

數字孿生工程建設基礎是工程矢量數字化。當前河北省水庫管理資料尤其是工程歷史圖紙資料、施工資料，大部分以紙質形式存在，部分紙張老化破損嚴重，簡單掃描雖能保存資料，但是圖片等非矢量資料不能滿足構建數字模型要求，按照數字孿生工程建設要求，需要構建工程BIM數字模型，需要對海量圖紙資料進行矢量標繪處理，任務繁瑣而艱巨。同時，工程級數字底板（如工程區(qū)傾斜攝影）要求精度高，并且需要定期更新，投資巨大，資金落實難。

2.2 跨行業(yè)數據整合難度大

基于大數據的分析應用通常需要多行業(yè)TB級別非結構化數據，當前情況下由于管理體制制約，很難實現跨行業(yè)數據整合共享，溝通協調難度大，例如區(qū)域內農業(yè)（包括種植業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)和漁業(yè)）、工業(yè)（包括采掘業(yè)，制造業(yè)，電力、煤氣、水的生產和供應業(yè)）、建筑業(yè)及其他各業(yè)。海量數據的共享是建立實現智能分析的基礎，因此在提升工程自身數字化能力的同時，應加強外部數據獲取能力建設。

2.3 提升水庫流域洪水預報精度難度大

河北省屬于半干旱大陸性季風氣候，流域降雨產匯流模型復雜，既有蓄滿產流又有超滲產流，當前洪水預報模型大多基于蓄滿產流模型進行改進，模型精度較低，要建立起適應河北地區(qū)的預報模型需要進行大量基礎數據調研及分析，基于流域內氣象環(huán)境參數修正模型算法，通過歷史洪水及實際洪水率定模型參數，耗時長、技術難度大、瓶頸多。

2.4 組織實施集成難度大

水庫數字孿生建設涉及水利、通信、設備制造等多行業(yè)多專業(yè)協同配合，尤其是平臺系統(tǒng)開發(fā)，根據數字孿生相關指導意見，本平臺涉及軟硬件均需符合國產自主可控要求，現狀條件下存在一定困難，技術瓶頸較多。另外，本工程建設涉及大壩安全監(jiān)測（滲流、變形等）、水質監(jiān)測、機電設備監(jiān)測、水雨情監(jiān)測、視頻監(jiān)測等多種監(jiān)測設備及系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行集成對技術人員技術水平要求高、集成難度大。同時我省大中型水庫均有專屬管理機構，管理范圍多限制在工程區(qū)域，上游洪水預報及下游洪水影響等超出工程區(qū)的建設內容及投資落實難。

3.水庫數字孿生工程建設思路

3.1 加強頂層規(guī)劃分步實施

水庫數字孿生建設不同于基礎工程建設，要求建設標準及規(guī)則高度統(tǒng)一，必須結合工程實際進行頂層規(guī)劃，按照業(yè)務管理需求，分步實施，總體架構可采用分層架構，按照采集、傳輸、存儲、支撐、應用5層架構3個保障體系進行建設，總體架構圖見圖1。

圖1 總體架構圖

3.2 數據采集層建設

數據采集層是數據底板重要組成部分，數字底板建設是數字孿生的基礎，是實現模型虛擬仿真、可視化模擬的基礎，因此應強化采集層監(jiān)測數據和基礎數據的搜集、整理、共享，建立全過程全要素時空信息數據庫，為上層應用奠定基礎。采集層數據底板建設宜按照管理需求逐步完善，同時考慮設備數據傳輸標準及更新換代延續(xù)性要求；工程基礎數字化應該堅持務實要求，避免急功近利，確保夯實數據基礎。

3.3 傳輸與存儲層設計

傳輸層如同神經系統(tǒng)是數據傳輸的主要通道，數字孿生工程建設應綜合應用4G/5G、自建光纖、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、租賃專線等多種傳輸途徑，主干光纖按照適度超前原則并預留擴展空間；存儲層配備的存儲及計算服務器應按照總體規(guī)劃要求，分步建設，逐漸擴充。探索私有云、政務云、公有云綜合應用方案，提升計算穩(wěn)定能力及彈性擴展能力。

3.4 支撐層開發(fā)建設

應用支撐平臺是為業(yè)務層提供數據服務和工具支持的后臺應用服務，包括統(tǒng)一用戶認證、GIS服務、通用工具庫等，該層是數據與應用之間的連接紐帶，方便整個信息化平臺的靈活擴展、建立與其他水利業(yè)務系統(tǒng)之間數據共享通道和建立業(yè)務協同關系，該層建設尤為重要，關系到各個系統(tǒng)能否形成統(tǒng)一技術架構的水庫業(yè)務開發(fā)與運行的支撐環(huán)境，為系統(tǒng)分步開發(fā)建設打好基礎。

3.5 應用層開發(fā)建設

應用系統(tǒng)是數字孿生平臺建設的最終成果，數字孿生平臺可按照防汛管理、水資源管理、工程管理3大部分展開，具體系統(tǒng)設計見圖2。應用系統(tǒng)開發(fā)過程應加強專業(yè)模型研發(fā)，尤其是洪水預報、水資源預測調度及工程安全監(jiān)測分析模型，提升系統(tǒng)專業(yè)能力，專業(yè)模型是數字孿生平臺的大腦，是互聯網+水利核心技術的體現，除應用常規(guī)數學模型算法的基礎上，積極探索應用非結構化、多源數據的大數據算法，提升預測、預報、預警能力。

圖2 水庫數字孿生平臺系統(tǒng)構成圖

4.水庫數字孿生工程建設展望

水庫數字孿生工程建設是新型基礎建設項目，也是推動水庫運行管理事業(yè)高質量發(fā)展的有效途徑，能夠全面提升水庫現代化管理能力，顯著提高管理效率和管理標準化水平，促進水庫最大限度發(fā)揮工程效益?，F階段受資金及機制等因素制約，發(fā)展過程存在一些困難，但是隨著各項政策的不斷落地，底層開發(fā)技術的不斷進步，水庫數字孿生工程建設必將迅速展開。