田向忠 吳 靖

（安徽省佛子嶺水庫(kù)管理處，六安 237000）

0 引 言

國(guó)家“十四五”綱要明確要求，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。水利部部長(zhǎng)李國(guó)英提到要充分運(yùn)用數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)，建立覆蓋全域的水資源管理與調(diào)配系統(tǒng)，推進(jìn)水資源管理數(shù)字化、智能化、精細(xì)化[1]。《水利部關(guān)于開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試實(shí)施方案》中要求以數(shù)字孿生水利工程建設(shè)為切入點(diǎn)和突破口，在重要水利工程開(kāi)展數(shù)字孿生工程建設(shè)先行先試，示范引領(lǐng)數(shù)字孿生流域建設(shè)有力有序有效推進(jìn)[2]。

佛子嶺水庫(kù)群是淮河流域的重要水利樞紐工程，經(jīng)過(guò)多年建設(shè)積累，水庫(kù)工程在監(jiān)測(cè)感知、網(wǎng)絡(luò)通信、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)及基礎(chǔ)環(huán)境方面具備一定規(guī)模的信息化基礎(chǔ)，為數(shù)字孿生工程建設(shè)提供了較好的基礎(chǔ)條件?；谒畮?kù)群工程信息化的建設(shè)基礎(chǔ)，開(kāi)展數(shù)字孿生佛子嶺水庫(kù)群工程建設(shè)是踐行智慧水利建設(shè)，切實(shí)推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的有效路徑。

1 工程概況

佛子嶺水庫(kù)群是由佛子嶺、磨子潭、白蓮崖3座年調(diào)節(jié)的大（2）型水庫(kù)構(gòu)成的串并混聯(lián)的水庫(kù)群。3座水庫(kù)工程均位于安徽省霍山縣境內(nèi)、淮河南岸支流淠河的東支流中上游，均是以防洪和灌溉為主、結(jié)合城市供水和發(fā)電等綜合利用的大型水利水電樞紐工程，是淮河流域重要控制性節(jié)點(diǎn)工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100 年一遇洪水設(shè)計(jì)、5 000 年一遇洪水校核。自2010 年實(shí)現(xiàn)3 座水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度以來(lái)，承擔(dān)下游20年一遇洪水的防洪安全和淮河干流滯洪、錯(cuò)峰等防洪功能。灌溉供水方面，能充分保障淠河下游灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水和生態(tài)供水安全，并滿足下游沿途城鎮(zhèn)特別是合肥市的供水需求。

佛子嶺水庫(kù)壩址上游總控制流域面積為1 840 km2，總庫(kù)容4.9 億m3。磨子潭水庫(kù)位于佛子嶺水庫(kù)上游東支流黃尾河，控制流域面積570 km2，總庫(kù)容3.5億m3。白蓮崖水庫(kù)位于佛子嶺水庫(kù)上游西支流漫水河，控制流域面積745 km2，總庫(kù)容4.6億m3。

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀與需求分析

佛子嶺、磨子潭、白蓮崖3座水庫(kù)由安徽省佛子嶺水庫(kù)管理處統(tǒng)一管理。前期各水庫(kù)先后建設(shè)了閘門(mén)監(jiān)控、水雨情監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度軟件等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，但部分系統(tǒng)老舊，廠家不統(tǒng)一，前期無(wú)統(tǒng)一規(guī)劃，導(dǎo)致系統(tǒng)條塊分割、體系架構(gòu)分散。2022年新建一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水雨情監(jiān)測(cè)、工程安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)與交互，完善工程數(shù)字化門(mén)戶應(yīng)用。但仍有部分監(jiān)測(cè)設(shè)施老舊或損壞、監(jiān)測(cè)覆蓋不全，數(shù)據(jù)共享機(jī)制不完善、數(shù)據(jù)資源整體開(kāi)發(fā)利用程度低，信息技術(shù)和水利業(yè)務(wù)融合不深入、不能全流程支撐業(yè)務(wù)工作，綜合分析和決策支持能力弱等問(wèn)題，仍有較大的提升空間。

基于以上現(xiàn)狀，為保障佛子嶺水庫(kù)群工程安全可靠、科學(xué)高效運(yùn)行，以運(yùn)管業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，完善3座水庫(kù)測(cè)控感知。綜合運(yùn)用二維、三維可視化技術(shù)搭建數(shù)字孿生場(chǎng)景，建設(shè)數(shù)字孿生平臺(tái)，推進(jìn)佛子嶺水庫(kù)群標(biāo)準(zhǔn)化管理工作的可視化、精細(xì)化、專(zhuān)業(yè)化、現(xiàn)代化，確保佛子嶺水庫(kù)群預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化、預(yù)警超前化、預(yù)演數(shù)字化、預(yù)案科學(xué)化，建成具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生佛子嶺水庫(kù)群工程，保障各水庫(kù)工程安全穩(wěn)定運(yùn)行與綜合效益最大程度發(fā)揮，提升水庫(kù)群即時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)度決策管理能力。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 框架設(shè)計(jì)

遵循“統(tǒng)籌集約、先進(jìn)實(shí)用、安全可靠、迭代升級(jí)”建設(shè)原則，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化[3]?？傮w框架主要分為4 個(gè)層級(jí)，即信息基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)底板、應(yīng)用支撐平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

（1）信息基礎(chǔ)設(shè)施層包括監(jiān)測(cè)感知體系、自動(dòng)化控制、網(wǎng)信基礎(chǔ)設(shè)備、實(shí)體環(huán)境。監(jiān)測(cè)感知體系包括大壩安全監(jiān)測(cè)、水雨情監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等專(zhuān)業(yè)的監(jiān)測(cè)感知設(shè)備；自動(dòng)化控制主要是閘門(mén)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備；網(wǎng)信基礎(chǔ)設(shè)備包括通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備；實(shí)體環(huán)境包括機(jī)房環(huán)境、會(huì)商中心、調(diào)度中心。

（2）數(shù)據(jù)底板包括數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)引擎。數(shù)據(jù)資源包括L1、L2和L3級(jí)地理空間數(shù)據(jù)、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)。數(shù)據(jù)引擎包括數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能。

（3）應(yīng)用支撐平臺(tái)包括基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)?；A(chǔ)支撐平臺(tái)包括權(quán)限管理、統(tǒng)一認(rèn)證、事件管理、報(bào)表組態(tài)、流程管理、告警服務(wù)、畫(huà)面組態(tài)、表單管理等；模型平臺(tái)包括大壩安全智能分析、洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度等水利專(zhuān)業(yè)模型，視頻識(shí)別模型，可視化模型，模型引擎；知識(shí)平臺(tái)包括預(yù)報(bào)預(yù)案調(diào)度方案庫(kù)、工程安全知識(shí)庫(kù)、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)、知識(shí)引擎等。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度、綜合決策支持、移動(dòng)App、工程標(biāo)準(zhǔn)化管理等智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.1.2 部署架構(gòu)設(shè)計(jì)

在部署架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)總體上分為3層，如圖2所示，從下往上，第1層是現(xiàn)地層，部署閘門(mén)監(jiān)控傳感器、大壩安全監(jiān)測(cè)傳感器、視頻攝像頭、水位雨量傳感器等；第2 層是管理所層，白蓮崖、磨子潭兩座水庫(kù)分別部署了閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)可采集閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)、進(jìn)行閘門(mén)控制、查看閘門(mén)運(yùn)行情況，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可采集水平位移、垂直位移等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、查看大壩安全分析情況；視頻監(jiān)控系統(tǒng)可采集視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、查看站點(diǎn)實(shí)時(shí)視頻；第3 層是調(diào)度中心層，即佛子嶺水庫(kù)管理處，部署數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)感知體系、自動(dòng)化控制、網(wǎng)信基礎(chǔ)設(shè)備、實(shí)體環(huán)境等信息基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)底板為底座，以基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)為支撐，發(fā)揮數(shù)字孿生水利工程的數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演作用，以工程安全、防洪調(diào)度、工程運(yùn)營(yíng)、綜合決策為核心目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度、工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、綜合決策支持、移動(dòng)App等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖2 部署架構(gòu)圖

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，佛子嶺水庫(kù)管理處劃分為控制區(qū)、業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)區(qū)、外網(wǎng)，如圖3 所示，在控制區(qū)設(shè)控制網(wǎng)，用于承載實(shí)時(shí)性要求最強(qiáng)、安全性要求最高的閘門(mén)監(jiān)控、水情測(cè)報(bào)信息。在業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)區(qū)設(shè)管理網(wǎng)，用于承載視頻監(jiān)控、移動(dòng)巡檢等相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的信息。在控制網(wǎng)與管理網(wǎng)之間通過(guò)單向隔離設(shè)備進(jìn)行聯(lián)通，保證控制安全。業(yè)務(wù)外網(wǎng)區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，用于門(mén)戶服務(wù)、網(wǎng)上信息查詢等。業(yè)務(wù)外網(wǎng)與業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)管理區(qū)接口通過(guò)配置強(qiáng)隔離設(shè)備，確保各類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)的安全。

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.1.4 數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)字孿生平臺(tái)的框架下，根據(jù)系統(tǒng)功能業(yè)務(wù)的要求和特性，設(shè)計(jì)公用模型資源數(shù)據(jù)庫(kù)、水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)、閘門(mén)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、防洪調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)和工程管理數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，并設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)專(zhuān)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表，通過(guò)業(yè)務(wù)對(duì)象內(nèi)部通信和數(shù)據(jù)對(duì)外服務(wù)機(jī)制，構(gòu)建數(shù)字孿生佛子嶺水庫(kù)群數(shù)據(jù)庫(kù)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 視頻圖像識(shí)別

佛子嶺水庫(kù)群管轄區(qū)域多，僅靠人力進(jìn)行監(jiān)視和巡查無(wú)法滿足需要，需通過(guò)視頻圖像識(shí)別分析技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)視頻圖像中人、物、車(chē)等目標(biāo)進(jìn)行智能化分析，幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握各水庫(kù)運(yùn)行情況，為水庫(kù)安全運(yùn)行、應(yīng)急處置提供輔助工具。

視頻圖像識(shí)別是通過(guò)對(duì)視頻特征進(jìn)行分析和處理，從而識(shí)別出視頻中所表現(xiàn)出的行為，過(guò)程可分為信息獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類(lèi)器設(shè)計(jì)和分類(lèi)決策[4]。結(jié)合佛子嶺水庫(kù)群工程對(duì)視頻圖像識(shí)別的場(chǎng)景要求，設(shè)計(jì)視頻圖像識(shí)別分析平臺(tái)，如圖5 所示，主要包括配置管理、分析任務(wù)引擎、報(bào)警規(guī)則庫(kù)。

圖5 視頻圖像識(shí)別分析平臺(tái)示意圖

配置管理主要包括分析任務(wù)管理、算法模型管理、視頻流管理。算法模型和視頻流是實(shí)現(xiàn)分析任務(wù)的重要部分，通過(guò)分析任務(wù)管理模塊將生成的分析任務(wù)下發(fā)到redis數(shù)據(jù)庫(kù)，由分析任務(wù)引擎實(shí)時(shí)獲取執(zhí)行。分析任務(wù)引擎是整個(gè)分析平臺(tái)的核心服務(wù)，包括人員入侵、車(chē)輛監(jiān)測(cè)、釣魚(yú)識(shí)別等多種場(chǎng)景算法模型，可對(duì)分析任務(wù)綁定的視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與分析，將預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、選擇，以及分類(lèi)決策等，最后將識(shí)別結(jié)果上傳到redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。報(bào)警規(guī)則庫(kù)作用于分析任務(wù)的識(shí)別結(jié)果，綜合判斷后將滿足業(yè)務(wù)場(chǎng)景報(bào)警條件的識(shí)別結(jié)果推送到平臺(tái)前端頁(yè)面展示。

3.2.2 知識(shí)圖譜技術(shù)

知識(shí)圖譜技術(shù)可對(duì)原本多專(zhuān)業(yè)、多來(lái)源、多結(jié)構(gòu)分散的水利知識(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提取、加工、推理和融合，以結(jié)構(gòu)化的形式儲(chǔ)存、呈現(xiàn)客觀世界中的概念及邏輯。并結(jié)合大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段開(kāi)發(fā)智能應(yīng)用，挖掘關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)關(guān)系中的潛在價(jià)值，能夠?yàn)樗芾硖峁└哔|(zhì)量的決策輔助[5-6]。

（1）調(diào)度知識(shí)圖譜。圍繞佛子嶺水庫(kù)群調(diào)度需求，構(gòu)建防洪調(diào)度、預(yù)泄調(diào)度、灌溉供水調(diào)度、生態(tài)調(diào)度等多種調(diào)度場(chǎng)景，梳理不同場(chǎng)景下調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度尺度、調(diào)度周期、調(diào)度類(lèi)型、調(diào)度邊界、場(chǎng)景數(shù)據(jù)（輸入輸出），為知識(shí)圖譜構(gòu)建提供基礎(chǔ)。結(jié)合不同調(diào)度場(chǎng)景特點(diǎn)，收集整合、分類(lèi)提取同類(lèi)數(shù)據(jù)信息和關(guān)鍵特征，構(gòu)建調(diào)度方案對(duì)應(yīng)的知識(shí)實(shí)體，建立實(shí)體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)將不同的知識(shí)實(shí)體單元進(jìn)行有機(jī)組織，形成調(diào)度場(chǎng)景知識(shí)圖譜，表征場(chǎng)景方案特征。結(jié)合目標(biāo)場(chǎng)景邊界，提取場(chǎng)景關(guān)鍵要素信息如水庫(kù)水位、流量、工況等，基于多維關(guān)聯(lián)規(guī)則、大數(shù)據(jù)及多維空間距離分析等技術(shù)方法，從調(diào)度知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行匹配分析，結(jié)合歷史調(diào)度方案，推薦當(dāng)前場(chǎng)景下匹配度最佳的調(diào)度計(jì)劃方案。為用戶提供多調(diào)度場(chǎng)景方案復(fù)盤(pán)功能，可根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景特征進(jìn)行方案對(duì)比、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)研判，以供用戶決策[7]。

（2）工程安全知識(shí)圖譜。將工程風(fēng)險(xiǎn)隱患、隱患事故案例、事件處置案例等在內(nèi)的工程安全知識(shí)進(jìn)行抽取、融合，構(gòu)建工程安全知識(shí)圖譜，為保障工程安全提供智能知識(shí)化依據(jù)。如建立水庫(kù)設(shè)備各種運(yùn)行異常狀態(tài)與設(shè)備異常原因及維修方案之間關(guān)聯(lián)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常預(yù)警時(shí)，主動(dòng)向運(yùn)維人員推送預(yù)警信息及對(duì)應(yīng)的維修方案，以便在進(jìn)行工程設(shè)備檢修時(shí)降低運(yùn)維難度，簡(jiǎn)化運(yùn)維流程，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

3.2.3 聯(lián)合防洪調(diào)度

佛子嶺水庫(kù)群是由佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)串并混聯(lián)的水庫(kù)群，其中白蓮崖水庫(kù)和磨子潭水庫(kù)先并聯(lián)，然后再與佛子嶺水庫(kù)串聯(lián)，為了能充分發(fā)揮水庫(kù)群的防洪興利效益，需針對(duì)水庫(kù)群的實(shí)際情況，建立三庫(kù)聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度模型，才能使三庫(kù)達(dá)到設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，且產(chǎn)生最大興利效益的汛限水位組合。

該優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型以水庫(kù)群總興利效益最大為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；以遭遇5 000 年一遇校核洪水時(shí)不超過(guò)校核洪水位為約束條件；同時(shí)重視上游的白蓮崖水庫(kù)和磨子潭水庫(kù)對(duì)洪水調(diào)蓄作用，并綜合考慮了下游防洪限制、白蓮崖水庫(kù)為佛子嶺水庫(kù)承擔(dān)防洪任務(wù)、各庫(kù)的水位庫(kù)容關(guān)系、水位泄流關(guān)系等因素[8-9]。具體情況如下：

（1）目標(biāo)函數(shù)。由于佛子嶺、白蓮崖、磨子潭3座水庫(kù)均可以發(fā)電興利，且需要滿足下游灌溉要求，因此，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該同時(shí)考慮發(fā)電和灌溉要求，是典型的多目標(biāo)問(wèn)題。為使發(fā)電目標(biāo)和灌溉目標(biāo)協(xié)調(diào)，需對(duì)發(fā)電興利和農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)行處理，使庫(kù)存電量乘以上網(wǎng)電價(jià)，以及庫(kù)容乘以水費(fèi)單價(jià)，將發(fā)電興利和農(nóng)業(yè)灌溉均直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)利益，然后以其和最大為目標(biāo)函數(shù)。具體公式如下：

式中：VFX為佛子嶺水庫(kù)興利庫(kù)容，m3；VMX為磨子潭水庫(kù)興利庫(kù)容，m3；VBX為白蓮崖水庫(kù)興利庫(kù)容，m3；CF為佛子嶺水庫(kù)發(fā)電耗水率，m3/kW·h；CM為磨子潭水庫(kù)發(fā)電耗水率，m3/kW·h；CB為白蓮崖水庫(kù)發(fā)電耗水率，m3/kW·h；Pe為佛子嶺水庫(kù)群的上網(wǎng)電價(jià)，元/kW·h；Pi為安徽省農(nóng)業(yè)灌溉水費(fèi)，元/m3。

（2）約束條件。校核水位限制：在發(fā)生5 000 年一遇洪水時(shí)，佛子嶺水庫(kù)水位不得超過(guò)129.80 m；磨子潭庫(kù)水位不得超過(guò)203.93 m；白蓮崖庫(kù)水位不得超過(guò)234.50 m。下游防洪限制：當(dāng)佛子嶺水庫(kù)水位超過(guò)汛限水位但低于防洪高水位時(shí)，按水庫(kù)下泄流量不超過(guò)3 450 m3/s控泄。防洪設(shè)施運(yùn)行限制：佛子嶺水庫(kù)水位超過(guò)防洪高水位時(shí)，全開(kāi)泄洪設(shè)施泄洪；當(dāng)磨子潭庫(kù)水位高于汛限水位時(shí)開(kāi)啟新、老泄洪洞泄洪；當(dāng)磨子潭水庫(kù)超過(guò)汛限水位時(shí)且能開(kāi)始溢洪道時(shí)，開(kāi)啟溢洪道泄洪；當(dāng)白蓮崖水庫(kù)超過(guò)汛限水位時(shí)，全開(kāi)泄洪設(shè)施泄洪。水庫(kù)水位泄流能力關(guān)系：

式中：QF為佛子嶺水庫(kù)下泄流量，m3/s；QB為白蓮崖水庫(kù)下泄流量，m3/s；QM為磨子潭水庫(kù)下泄流量，m3/s。水位庫(kù)容關(guān)系，包括水庫(kù)庫(kù)容關(guān)系和庫(kù)容水位關(guān)系等：

式中：VF為佛子嶺水庫(kù)庫(kù)容，m3；VB為白蓮崖水庫(kù)庫(kù)容，m3；VM為磨子潭水庫(kù)庫(kù)容，m3；ZF表示佛子嶺水庫(kù)水位，m；ZB表示白蓮崖水庫(kù)水位，m；ZM表示磨子潭水庫(kù)水位，m。

白蓮崖水庫(kù)承擔(dān)佛子嶺水庫(kù)的防洪任務(wù)。當(dāng)佛子嶺水庫(kù)水位大于某個(gè)特定值且白蓮崖水庫(kù)水位小于某個(gè)特定值時(shí)，白蓮崖水庫(kù)關(guān)閉溢洪道，當(dāng)白蓮崖水庫(kù)水位大于此特定值時(shí)，溢洪設(shè)施全開(kāi)。

（3）三庫(kù)的汛限水位浮動(dòng)范圍。在進(jìn)行最優(yōu)汛限水位求解時(shí)，依據(jù)佛子嶺水庫(kù)、磨子潭水庫(kù)及白蓮崖水庫(kù)的實(shí)際情況，給定聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型取值范圍，佛子嶺水庫(kù)、磨子潭水庫(kù)及白蓮崖水庫(kù)汛限水位浮動(dòng)范圍分別為114.56～124.56 m、174.50～184.50 m 及197.00～207.00 m，其汛限水位浮動(dòng)的最小間隔為0.10 m。

3.3 功能設(shè)計(jì)

功能應(yīng)用包括工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度、標(biāo)準(zhǔn)化管理、綜合決策支持、移動(dòng)應(yīng)用App等內(nèi)容。

3.3.1 工程安全智能分析預(yù)警

工程安全智能分析預(yù)警包含工程安全分析評(píng)估、智能告警與多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、視頻識(shí)別行為分析3部分。

（1）工程安全分析評(píng)估通過(guò)調(diào)用相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型、混合模型、確定性模型等，對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析、挖掘，根據(jù)事先選定的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)工程變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等重要監(jiān)測(cè)物理量所表征的工程安全性態(tài)及其演化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

（2）智能告警與多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)是基于孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)底板，對(duì)水庫(kù)的閘控、雨水情、大壩安全監(jiān)測(cè)等多業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與告警指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警與多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及與App 交互等功能，提升水庫(kù)的自動(dòng)化管理水平及預(yù)防性維護(hù)決策能力。

（3）視頻識(shí)別行為分析借助安裝的智能視頻監(jiān)視及安防系統(tǒng)，針對(duì)水面漂浮物，游泳、釣魚(yú)、入侵人員等場(chǎng)景，對(duì)視頻進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)、分析、跟蹤，并針對(duì)危險(xiǎn)事件進(jìn)行記錄、報(bào)警，幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握各個(gè)水庫(kù)運(yùn)行情況，為水庫(kù)的安全運(yùn)行、應(yīng)急處置提供輔助工具。

3.3.2 防洪興利智能調(diào)度

防洪興利智能調(diào)度包含預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案管理。預(yù)報(bào)是基于數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流域水位雨量數(shù)據(jù)的態(tài)勢(shì)感知，進(jìn)行氣象水文耦合預(yù)報(bào)、洪水自動(dòng)預(yù)報(bào)等。預(yù)警是系統(tǒng)接入洪水預(yù)報(bào)所需的所有水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)防洪業(yè)務(wù)的過(guò)程預(yù)警、結(jié)果預(yù)警等。預(yù)演是基于三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度方案仿真預(yù)演，根據(jù)預(yù)報(bào)來(lái)水結(jié)合歷史洪水場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)不同方案和邊界條件下的調(diào)度結(jié)果預(yù)演，主要包括上下游淹沒(méi)預(yù)演、水庫(kù)調(diào)度預(yù)演、閘門(mén)調(diào)度預(yù)演。預(yù)案管理是基于調(diào)度方案對(duì)比，推薦最優(yōu)調(diào)度方案，針對(duì)洪水預(yù)報(bào)成果、實(shí)時(shí)汛情信息、調(diào)度邊界等方面，生成防汛調(diào)度方案，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)案執(zhí)行情況，提供更加精細(xì)化決策支撐。

3.3.3 工程標(biāo)準(zhǔn)化管理

工程標(biāo)準(zhǔn)化管理業(yè)務(wù)涉及遠(yuǎn)程集控、調(diào)度運(yùn)行、工程狀況管理、安全管理、工程巡查、項(xiàng)目管理、水行政執(zhí)法、協(xié)同辦公系統(tǒng)、綜合事務(wù)、系統(tǒng)運(yùn)維，以及水環(huán)境、水生態(tài)、水文化展示系統(tǒng)等方面內(nèi)容。同時(shí)通過(guò)構(gòu)建水庫(kù)群運(yùn)行調(diào)度、安全管理、工程巡查等關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)可視化的水庫(kù)場(chǎng)景化聯(lián)動(dòng)管理數(shù)字孿生應(yīng)用，形象展示工程關(guān)鍵業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)指標(biāo)以及執(zhí)行情況，提供“一站式”決策支持，有效增強(qiáng)水庫(kù)群的調(diào)度能力。

3.3.4 綜合決策支持

綜合決策支持包含二維、三維一體化綜合展示，工程數(shù)字化門(mén)戶升級(jí)，應(yīng)急會(huì)商決策3部分。

（1）二維、三維一體化綜合展示是基于二維、三維GIS構(gòu)建滿足用戶需求的遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析等方面的服務(wù)功能，采用可視化手段展現(xiàn)服務(wù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域、水庫(kù)、閘門(mén)、大壩等關(guān)鍵要素的綜合態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)，對(duì)閘門(mén)監(jiān)控、大壩安全監(jiān)測(cè)、雨水情監(jiān)測(cè)等各業(yè)務(wù)領(lǐng)域關(guān)鍵指標(biāo)的綜合可視展示，實(shí)現(xiàn)佛子嶺水庫(kù)群管理綜合運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)全景掌控。

（2）工程數(shù)字化門(mén)戶升級(jí)是基于數(shù)字大屏理念，深入分析工程日常管理業(yè)務(wù)和管理場(chǎng)景，利用大屏數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用組件，以及表格、圖形、控件、圖片、視頻等多種可視化元素，深度融合各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)重點(diǎn)管理事項(xiàng)及應(yīng)用數(shù)據(jù)體系，形成前后臺(tái)聯(lián)動(dòng)的決策支持專(zhuān)題大屏。當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，前臺(tái)及時(shí)更新，時(shí)刻掌握最新數(shù)據(jù)。

（3）水庫(kù)安全是水利安全生產(chǎn)工作的重中之重，按照“平戰(zhàn)結(jié)合”的原則，以佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化管理為主線，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)工程危險(xiǎn)源辨識(shí)與管控、大壩突發(fā)事件應(yīng)急組織、監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急信息報(bào)送、應(yīng)急啟動(dòng)與響應(yīng)、應(yīng)急處置、應(yīng)急宣傳演練等應(yīng)急信息管理功能。

3.3.5 移動(dòng)應(yīng)用App

利用先進(jìn)的移動(dòng)信息服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)一個(gè)與業(yè)務(wù)應(yīng)用和功能相匹配的移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境，發(fā)揮移動(dòng)調(diào)度便利、便捷、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，為不同業(yè)務(wù)人員提供全面、快捷、簡(jiǎn)便、高效的移動(dòng)化辦公手段。工作人員隨時(shí)隨地全面掌握水庫(kù)群運(yùn)行狀況、實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)群的實(shí)時(shí)監(jiān)管，為水庫(kù)防汛調(diào)度和應(yīng)急響應(yīng)提供有力保障。

4 結(jié) 論

佛子嶺水庫(kù)群是淮河流域的重要水利樞紐工程，現(xiàn)有的工程信息化管理已不能滿足其聯(lián)合調(diào)度智能分析、精準(zhǔn)控制及智慧協(xié)同運(yùn)用等高級(jí)應(yīng)用需求。本文結(jié)合佛子嶺水庫(kù)群工程特點(diǎn)開(kāi)展數(shù)字孿生系統(tǒng)需求分析，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、功能應(yīng)用等進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，構(gòu)建數(shù)字孿生水利工程，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度、工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、綜合決策支持、移動(dòng)應(yīng)用App 等業(yè)務(wù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)，為推進(jìn)數(shù)字孿生工程建設(shè)提供借鑒。