楊恒玲 諶嵐 王敏 陳小平 劉志輝

摘 要：結(jié)合水利部關(guān)于數(shù)字孿生工程建設(shè)的有關(guān)要求，立足江埡皂市工程管理需求，梳理了信息化基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀和系統(tǒng)建設(shè)情況，提出了包含信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和運(yùn)行保障體系的數(shù)字孿生江埡皂市工程總體框架，圍繞數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等核心任務(wù)及強(qiáng)化工程安全和流域防洪預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”模擬的“算據(jù)”“算法”“算力”資源，提出數(shù)字孿生江埡皂市工程平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)和部署架構(gòu)，為工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、庫(kù)區(qū)巡查和綜合決策等智能業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；江埡皂市工程；應(yīng)用架構(gòu)；數(shù)據(jù)架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TV61；TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT），是指充分利用現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)體模型，在數(shù)字空間內(nèi)對(duì)物理空間進(jìn)行“孿生鏡像”，反映物理實(shí)體的全維度、全生命周期過(guò)程的數(shù)字映射系統(tǒng)[1-2]，其本質(zhì)是以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建與物理世界一致的模型，主要利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、多物理場(chǎng)仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間的實(shí)時(shí)雙向同步映射及虛實(shí)交互[3]。隨著物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算、三維可視化等技術(shù)的日益成熟與廣泛應(yīng)用，支撐流域數(shù)字孿生的“算據(jù)”不斷豐富、“算力”顯著提升、“算法”逐步精準(zhǔn)，數(shù)字孿生流域的概念應(yīng)運(yùn)而生。2021年3月，全國(guó)人大通過(guò)《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域?yàn)閱卧嵘闇y(cè)報(bào)和智能調(diào)度能力”。2021年6月，水利部提出把推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展六條實(shí)施路徑之一，明確要求構(gòu)建數(shù)字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準(zhǔn)化決策，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的智慧水利體系[4]。

為加快推進(jìn)數(shù)字孿生長(zhǎng)江工作，做好全面構(gòu)建數(shù)字孿生長(zhǎng)江技術(shù)儲(chǔ)備，提高長(zhǎng)江流域水旱災(zāi)害防御能力，提升水工程調(diào)度科學(xué)智能化決策水平，2021年8月，長(zhǎng)江水利委員會(huì)印發(fā)數(shù)字孿生長(zhǎng)江試點(diǎn)建設(shè)工作安排的通知，明確將數(shù)字孿生澧水作為數(shù)字孿生長(zhǎng)江四項(xiàng)試點(diǎn)任務(wù)之一。2022年2月，水利部印發(fā)《關(guān)于開展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試工作的通知》，明確將江埡皂市工程作為11個(gè)先行先試對(duì)象之一[5-11]。鑒于澧水流域和江埡皂市工程均被列入數(shù)字孿生試點(diǎn)，且兩者空間范圍屬于包含關(guān)系，兩者在信息化基礎(chǔ)設(shè)施、孿生平臺(tái)等方面高度重疊，在智能業(yè)務(wù)應(yīng)用方面緊密協(xié)同，為貫徹落實(shí)數(shù)字孿生“整體謀劃、協(xié)同推進(jìn)、流域統(tǒng)籌、避免重復(fù)”的共建共享原則，可以將數(shù)字孿生澧水與數(shù)字孿生江埡皂市進(jìn)行整合，一體化推進(jìn)數(shù)字孿生試點(diǎn)[12-13]。

本文圍繞江埡、皂市工程運(yùn)行管理需求，在已有信息化基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，提出澧水?dāng)?shù)字孿生總體框架，構(gòu)建智能業(yè)務(wù)應(yīng)用，支撐數(shù)字孿生澧水流域模擬過(guò)程與流域物理過(guò)程高保真同步運(yùn)行與交互，為澧水流域水利決策管理科學(xué)化、精準(zhǔn)化提供有力支撐。

1 總體框架

數(shù)字孿生澧水以江埡皂市工程為核心，整體框架分為信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和運(yùn)行保障體系五大部分，實(shí)現(xiàn)江埡皂市工程的物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)結(jié)合、迭代優(yōu)化[14]?？傮w框架如圖1所示。

1.1 信息化基礎(chǔ)設(shè)施

信息化基礎(chǔ)設(shè)施以利舊為主，對(duì)主要監(jiān)測(cè)感知體系和網(wǎng)絡(luò)通信帶寬進(jìn)行適當(dāng)升級(jí)，包括監(jiān)測(cè)感知、工程自動(dòng)化控制、通信網(wǎng)絡(luò)和信息基礎(chǔ)環(huán)境部分。監(jiān)測(cè)感知方面，根據(jù)工程管理的實(shí)際需求和數(shù)字孿生技術(shù)要求，開展大壩安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)、水雨情遙測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等升級(jí)改造；工程自動(dòng)化控制方面，充分利用目前計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)方面，主要對(duì)工程內(nèi)部的視頻監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，提升數(shù)據(jù)中心之間的通信寬帶。

1.2 數(shù)字孿生平臺(tái)

包括數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和孿生引擎。數(shù)據(jù)底板方面，針對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)開展搜集整理和標(biāo)準(zhǔn)化治理，并采集部分地理空間數(shù)據(jù)；模型庫(kù)方面，構(gòu)建防洪興利調(diào)度模型、工程安全模型等水利專業(yè)模型、遙感影像及視頻圖像識(shí)別等智能識(shí)別模型以及可視化模型；知識(shí)庫(kù)方面，構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)、工程安全知識(shí)庫(kù)、調(diào)度規(guī)則庫(kù)等，為精準(zhǔn)、高效決策會(huì)商提供技術(shù)支撐；孿生引擎方面，建立數(shù)據(jù)引擎、知識(shí)引擎和模擬仿真引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、模型計(jì)算、實(shí)時(shí)渲染等大容量、低時(shí)延、高性能要求。其中，數(shù)據(jù)底板中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)主要結(jié)合已建信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行升級(jí)完善，而地理空間數(shù)據(jù)主要整合已有資源，構(gòu)建基于二三維GIS的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

包括工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查、綜合決策支持等。工程安全分析預(yù)警方面，在已有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，并新建預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、在線監(jiān)控、維護(hù)管理等功能；防洪興利調(diào)度方面，充分利用升級(jí)改造的防洪預(yù)報(bào)模塊，針對(duì)防洪調(diào)度、洪水資源利用調(diào)度、發(fā)電調(diào)度三個(gè)方面進(jìn)行定制開發(fā)；生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理方面，主要針對(duì)已建的電力生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入；庫(kù)區(qū)管理方面，開展“四亂”問(wèn)題識(shí)別、巡查任務(wù)管理、處置跟蹤等功能開發(fā)；綜合決策支持方面，建立全景可視化平臺(tái)，并結(jié)合其他4個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合會(huì)商決策和應(yīng)急調(diào)度指揮。

2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

基于對(duì)工程安全、防洪興利、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、庫(kù)區(qū)巡查和綜合決策等業(yè)務(wù)的流程分析與數(shù)據(jù)分析，針對(duì)當(dāng)前江埡皂市工程管理中的重點(diǎn)工作與薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)同，統(tǒng)籌考慮工程管理所涉及的部門職能，利用數(shù)字孿生技術(shù)手段協(xié)同工程安全、防洪興利、生產(chǎn)運(yùn)行、庫(kù)區(qū)巡查和綜合決策支持等各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，推動(dòng)業(yè)務(wù)流程改造，提升工程管理效能。