任??担鯐栽?/p>
(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
某水利樞紐工程包括水庫工程、供水工程和配套灌區(qū)工程。其中,水庫工程正常蓄水位4 325.00 m,總庫容3.75億m3,電站裝機(jī)容量為58 MW;供水工程多年平均灌溉供水量1 528 萬m3,灌區(qū)農(nóng)村人飲供水量86 萬m3,縣城供水量175 萬m3;配套灌區(qū)工程灌溉面積超過0.26 萬hm2。工程建設(shè)任務(wù)是以防洪、灌溉、發(fā)電為主,結(jié)合城鄉(xiāng)供水,并為改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。
數(shù)字孿生水利工程以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑,運(yùn)用新一代信息技術(shù)耦合歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型,開展工程精細(xì)建模和業(yè)務(wù)智能升級,全面提升工程防洪調(diào)度、水資源優(yōu)化調(diào)度、工程安全管理和運(yùn)行管理水平,全面提升工程水旱災(zāi)害防御能力和水資源調(diào)配“四預(yù)”能力,為數(shù)字孿生流域建設(shè)奠定基礎(chǔ)。
數(shù)字孿生水利工程建設(shè)依據(jù)智慧水利總體框架,并參照《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì),包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系等。本文主要對系統(tǒng)中數(shù)字孿生平臺進(jìn)行研究分析。數(shù)字孿生工程總體架構(gòu),如圖1所示。
圖1 數(shù)字孿生工程總體架構(gòu)
數(shù)字孿生平臺是由數(shù)據(jù)、模型、知識等資源及管理、表達(dá)、驅(qū)動(dòng)這些資源的引擎組成的服務(wù)平臺,提供在網(wǎng)絡(luò)空間虛擬再現(xiàn)真實(shí)水利工程能力,為工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。其主要研究內(nèi)容包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫和孿生引擎等。
數(shù)據(jù)底板由地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)等構(gòu)成數(shù)字孿生水利工程算據(jù)基礎(chǔ)。按照地理空間數(shù)據(jù)精度和建設(shè)范圍,數(shù)據(jù)底板可以劃分為L1、L2、L3 級數(shù)據(jù)底板。
2.1.1 GIS采集與數(shù)據(jù)處理
(1)總體思路。通過共享水利部L1級地理空間數(shù)據(jù),進(jìn)行航空攝影、傾斜攝影、無人船測量等,獲取覆蓋水利樞紐區(qū)以及配套灌區(qū)工程的垂直航空影像數(shù)據(jù)、傾斜航空影像數(shù)據(jù)、水下地形數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理,生產(chǎn)數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、傾斜攝影模型、水下地形等,建設(shè)完善L2、L3 級地理空間數(shù)據(jù),為各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)學(xué)基準(zhǔn)??臻g參考采用2000 國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)的投影坐標(biāo)系;高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。
(3)建設(shè)內(nèi)容及范圍。該水利樞紐區(qū)約2 km2,生產(chǎn)格網(wǎng)間距為2 m 的DEM、地面分辨率為0.1 m的DOM、下視影像地面分辨率為3 cm 的傾斜攝影模型。
該水利樞紐庫區(qū)約10 km2,生產(chǎn)庫區(qū)和回水區(qū)測量采樣間隔優(yōu)于1 m 的水下地形,淤積嚴(yán)重、沖淤變化明顯的重點(diǎn)水下區(qū)域測量采樣間隔優(yōu)于0.5 m的水下地形。
配套灌區(qū)的干渠總線路長約74 km,管理范圍和保護(hù)范圍按河道以外100 m 計(jì)算,總面積約58 km2,生產(chǎn)格網(wǎng)間距為5 m的DEM、地面分辨率為0.2 m的DOM。
2.1.2 BIM模型建設(shè)
BIM 模型[2]是工程數(shù)字孿生專題范圍內(nèi)建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施等數(shù)據(jù)的模型載體,也是BIM服務(wù)的基礎(chǔ)信息模型,用于提供建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施精確的構(gòu)件尺寸、逼真的材質(zhì)紋理和詳細(xì)的屬性信息。
樞紐區(qū)建模范圍包括主壩、泄洪建筑物、發(fā)電引水建筑物、電站廠房、過魚建筑物、安全監(jiān)測設(shè)備、副壩、交通工程、供水線路等,灌區(qū)建模范圍主要是灌區(qū)工程取水口。
根據(jù)《數(shù)字孿生工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》要求,運(yùn)維期BIM 模型精度宜按對象劃分為不同級別,對于壩區(qū)岸坡、工程土建、綜合管網(wǎng)、機(jī)電設(shè)備等,宜構(gòu)建功能級模型單元(LOD2.0);對于閘門、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)等關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備,宜構(gòu)建構(gòu)件級模型單元(LOD3.0)。模型應(yīng)集成工程的幾何信息、屬性信息和位置姿態(tài)信息。本工程運(yùn)維期工程土建、一般機(jī)電設(shè)備等,構(gòu)建功能級模型單元(LOD2.0);閘門、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)等關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備,構(gòu)建構(gòu)件級模型單元(LOD3.0)。
2.1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)
本工程數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)等。
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涵蓋工程的主要屬性數(shù)據(jù),包括工程基礎(chǔ)信息、設(shè)備信息、用戶信息、權(quán)限信息、文檔資料等。
監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋工程直接采集的數(shù)據(jù),包括工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、水溫?cái)?shù)據(jù)、生態(tài)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、供水流量數(shù)據(jù)、灌區(qū)水位流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)等。
業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)資源共享規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行整合。業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)及時(shí)更新,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲,文檔數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲。
地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)采用共享及新建相結(jié)合的方式,對于匯集的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理,對于傾斜攝影模型數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化處理,將重要管理對象優(yōu)化處理和細(xì)化處理,同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)安全使用開展數(shù)據(jù)脫密脫敏工作,確保數(shù)據(jù)使用安全。
外部共享數(shù)據(jù)主要包括水利部、流域管理機(jī)構(gòu)、水行政主管部門、自然資源和規(guī)劃部門、統(tǒng)計(jì)局、地方政府部門、發(fā)改委、氣象部門、水文部門、應(yīng)急管理局等部門和單位相關(guān)數(shù)據(jù),分別采用約定服務(wù)接口或數(shù)據(jù)文件采集的方式實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)的共享交換,為工程綜合決策調(diào)度提供更全面的數(shù)據(jù)支撐。外部共享數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要同步更新。
2.2.1 水利專業(yè)模型
按照“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、云服務(wù)”的要求,制定模型平臺開發(fā)、調(diào)用、共享和接口等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),保障各類模型的通用化封裝及模型接口的標(biāo)準(zhǔn)化,以微服務(wù)方式提供統(tǒng)一調(diào)用服務(wù),供各級單位進(jìn)行調(diào)用。其主要包括洪水預(yù)報(bào)模型、中長期來水預(yù)報(bào)模型、工程安全監(jiān)測分析模型及水庫調(diào)度模型。
(1)洪水預(yù)報(bào)模型。該模型基于天氣預(yù)報(bào)模式獲取流域中短期氣候預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),利用水文模擬方法進(jìn)行產(chǎn)匯流量計(jì)算,得到未來一個(gè)月的水文預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)模式通過求解一系列描述大氣物理過程的動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、熱力學(xué)方程來模擬天氣過程,其內(nèi)部參數(shù)化方案較其他中尺度模式豐富,各物理過程間存在相互反饋,相關(guān)作用關(guān)系如圖2所示。
圖2 WRF模式中物理過程相關(guān)作用示意
(2)中長期來水預(yù)報(bào)模型。中長期徑流預(yù)測方法多樣,各算法復(fù)雜度、運(yùn)算精度不一,在實(shí)際應(yīng)用過程中可選用不同算法進(jìn)行預(yù)測,最后進(jìn)行預(yù)報(bào)方案的選擇與評價(jià),選擇最佳預(yù)測方案,提高預(yù)測結(jié)果的可靠性。本項(xiàng)目可選擇定性氣象預(yù)報(bào)結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析法、周期均值疊加法、小波周期分析法、季節(jié)性小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等進(jìn)行中長期來水預(yù)測,并將各種方法集成到系統(tǒng)軟件。該模型可以提供水庫中長期來水預(yù)報(bào),為水量調(diào)度決策系統(tǒng)中的調(diào)度計(jì)劃制定提供計(jì)算理論支撐。
(3)工程安全監(jiān)測分析模型。工程安全監(jiān)測分析-統(tǒng)計(jì)模型是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的模型,它具有“后驗(yàn)”的性質(zhì)。由于工程安全監(jiān)測的監(jiān)測量(如位移、滲壓、應(yīng)力等)是各種環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果,為了解決各環(huán)境量與監(jiān)測量之間的關(guān)系,可以建設(shè)數(shù)學(xué)分析模型。
工程安全監(jiān)測分析-混合模型是綜合利用統(tǒng)計(jì)分析和確定函數(shù)法建立的分析模型。這種模型主要考慮到前面2種基本方法的優(yōu)缺點(diǎn),綜合了2種模型的優(yōu)點(diǎn)。該模型以有限元方法求得水壓分量的表達(dá)式,將溫度分量計(jì)算改用統(tǒng)計(jì)方法求得,即用常規(guī)的溫度因子和時(shí)效因素組成分析模型,用統(tǒng)計(jì)方法求得最佳回歸方程,并用實(shí)測值進(jìn)行校正和修改,從而使預(yù)測模型更加接近實(shí)際。這是介于統(tǒng)計(jì)模型和確定性模型之間的分析模型,其形式類似于確定性模型和統(tǒng)計(jì)模型。
(4)水庫調(diào)度模型?;诠こ烫匦院瓦\(yùn)行目標(biāo)的分析,在保證管道安全穩(wěn)定輸水的前提下,根據(jù)水資源調(diào)度主管部門提供的當(dāng)前面臨日可供水量、當(dāng)?shù)乜晒┧亢颓捌谟盟澢闆r,考慮工程當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、各管道輸水能力等條件,實(shí)時(shí)滾動(dòng)修正旬水量分配方案,協(xié)調(diào)水量分配,形成全線實(shí)時(shí)水量分配方案。
根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行與控制的要求,實(shí)時(shí)調(diào)度采用“前饋+反饋”的控制模式。前饋控制是根據(jù)初始及目標(biāo)狀態(tài)的流量、水位、渠道蓄水量等信息初步制定閘/閥門流量變化過程。反饋控制是根據(jù)渠道水力要素采用閘/閥前常水位的控制方式,需要結(jié)合閘/閥前常水位的偏離程度進(jìn)行。為此,實(shí)時(shí)調(diào)度模型開發(fā)過程中設(shè)置了渠道運(yùn)行狀態(tài)判別指標(biāo)和控制策略對過閘/閥流量及閘/閥門開度進(jìn)行修正,以保證流量變化過程與前饋制定的理論過程一致。
2.2.2 智能識別模型
視頻識別功能服務(wù)應(yīng)能利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù),采用全監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)等專業(yè)的視頻識別與分析算法,開展對采集視頻數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和修正,結(jié)合業(yè)務(wù)需求,實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的分析與認(rèn)知,可滿足對諸如水庫上下游河道的險(xiǎn)情監(jiān)管、“四亂”治理監(jiān)管和工程運(yùn)行安全監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求。
通過視頻數(shù)據(jù)對工程水位、流量狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)識別、預(yù)警與趨勢分析,在此基礎(chǔ)上結(jié)合歷史水情數(shù)據(jù)、歷史險(xiǎn)情數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對可能出險(xiǎn)工程的預(yù)警。
針對水庫周邊亂占、亂采、亂堆和亂建問題,通過對視頻數(shù)據(jù)的分析,實(shí)現(xiàn)對種植阻礙行洪林木及高稈作物、河道采砂、污染物、漂浮物、非法建筑物等進(jìn)行時(shí)事件和完成時(shí)事實(shí)的自動(dòng)偵測、預(yù)警、統(tǒng)計(jì)和趨勢分析,并結(jié)合水利巡檢系統(tǒng)對“四亂”問題做到及時(shí)響應(yīng)和處理。
通過對工程運(yùn)行機(jī)房、閘室、建筑外觀、周邊河道視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)的分析,自動(dòng)偵測并預(yù)警人員非法下河、閘門啟閉異常、工程運(yùn)維人員違規(guī)操作、建筑物落石等影響工程運(yùn)行安全的事件。
2.3.1 預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫
在收集已有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上,根據(jù)樞紐工程所在區(qū)域特點(diǎn)、水利工程、影響區(qū)域范圍等,新建或修編所需預(yù)報(bào)調(diào)度需要的各類方案,并實(shí)現(xiàn)調(diào)度預(yù)案的信息自動(dòng)化、文本化和知識化處理,結(jié)合預(yù)案關(guān)鍵信息檢索與索引,構(gòu)建預(yù)報(bào)方案調(diào)度庫。通過將業(yè)務(wù)文檔內(nèi)容結(jié)構(gòu)化處理,形成一系列可組合應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化規(guī)則集,全面梳理各類水工程的相關(guān)調(diào)度方式,提出其邏輯化、數(shù)字化表達(dá)和存儲方式,形成服務(wù)于防洪調(diào)度和水量調(diào)度的規(guī)則庫。
2.3.2 業(yè)務(wù)規(guī)則庫
針對樞紐工程監(jiān)控及管理,圍繞管理業(yè)務(wù)應(yīng)用需求,主要包括水庫、泵站、水閘、河道等重點(diǎn)工程的監(jiān)測監(jiān)控需求,監(jiān)測數(shù)據(jù)的整編分析、風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警分析等分析評估需求,巡視檢查、維修養(yǎng)護(hù)、管理考核等不同的業(yè)務(wù)需求,構(gòu)建相應(yīng)的業(yè)務(wù)規(guī)則庫,通過接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)規(guī)則判斷數(shù)據(jù)是否越限,對于越限的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行分級、預(yù)警和警報(bào),實(shí)現(xiàn)水工程安全運(yùn)行監(jiān)管。
2.4.1 數(shù)據(jù)引擎
數(shù)據(jù)引擎提供多維多時(shí)空尺度數(shù)據(jù)匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、共享、展示、計(jì)算、更新等服務(wù)能力,具備多類型多層次數(shù)據(jù)倉庫,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集清洗、標(biāo)準(zhǔn)化治理、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)。
2.4.2 模擬仿真引擎
模擬仿真引擎以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ),通過驅(qū)動(dòng)水利虛擬對象的系統(tǒng)化運(yùn)轉(zhuǎn),結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),通過API耦合場景和模型進(jìn)行物理驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)渲染、動(dòng)態(tài)視覺特效等,進(jìn)而精準(zhǔn)、快速表達(dá)水利專業(yè)模型和智能模型的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域/工程與物理流域/工程的歷史數(shù)據(jù)及事件重現(xiàn)、實(shí)時(shí)同步仿真運(yùn)行以及模型算法預(yù)測結(jié)果的模擬。通過實(shí)時(shí)渲染功能,實(shí)現(xiàn)天氣變換、晝夜日照、光影效果、材質(zhì)還原等功能。通過對物理流域或工程進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染,達(dá)到真正意義上的將現(xiàn)實(shí)世界孿生仿真到虛擬世界,并且為模擬仿真和業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)通路。
水利樞紐工程管理業(yè)務(wù)龐雜,亟需按照數(shù)字孿生技術(shù)路線,以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線,構(gòu)建數(shù)字孿生水利工程。通過開展智慧化模擬,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)案功能的智慧水利工程[3],提升工程各項(xiàng)數(shù)據(jù)的運(yùn)用水平,為水利工程的調(diào)度決策提供準(zhǔn)確、高效的支撐。其中,數(shù)字孿生平臺建設(shè)是數(shù)字孿生工程的基礎(chǔ)和核心,通過本文論述內(nèi)容的建設(shè),可以全面提高該水利工程運(yùn)行、維護(hù)、管理和決策的水平,同時(shí)提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。