袁 楠，張云姣，奚 歌

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 幸福河湖與數(shù)字孿生流域關(guān)系

2019年9月18日，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上發(fā)出“讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大號召，為新時代江河流域治理保護(hù)指明了方向。很多專家和學(xué)者圍繞幸福的內(nèi)涵、評價指標(biāo)體系、建設(shè)思路進(jìn)行了不同程度的研究，幸福河湖課題研究組歸納出幸福河湖是安瀾之河、富民之河、宜居之河、生態(tài)之河、文化之河的集合與統(tǒng)稱[1]。王浩院士提出現(xiàn)代水治理體系(天空地一體監(jiān)測，智能水網(wǎng))是幸福河八個愿景之一[2]。數(shù)字孿國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。水利部黨組高度重視智慧水利建設(shè)，并將智慧水利作為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展和現(xiàn)代化治理體系的顯著標(biāo)志，其中數(shù)字孿生流域是智慧水利的重要組成部分，是幸福河湖建設(shè)中管護(hù)能力提升的新模式。丁志良等提出加強數(shù)據(jù)監(jiān)測和互聯(lián)共享，強化數(shù)字孿生流域建設(shè)，提升河湖管護(hù)治理現(xiàn)代化水平[3]，為提升幸福河湖管護(hù)水平提供了新的思路。錢樹芹、李璐等在南崗河幸福河湖建設(shè)中指出完善優(yōu)化流域數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺，提升相應(yīng)信息基礎(chǔ)設(shè)施能力，建設(shè)數(shù)字孿生南崗河(智慧南崗河)[4，6]，為南崗河幸福河湖管護(hù)水平提升提供了先進(jìn)引領(lǐng)力和強勁驅(qū)動力。王朝暉，許祚卿等以東鹽河幸福河湖建設(shè)為范例，提出集流域防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等功能于一體的數(shù)字孿生模擬仿真[5]，為東鹽河水利“一張圖”的建立提供支撐。綜上，建設(shè)幸福河湖，要應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)強化數(shù)字賦能提升能力，加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案能力的數(shù)字孿生河湖，提升流域管理智慧化水平[7]，為新階段幸福河湖管護(hù)能力提升賦予強勁的支撐和保障。

2 數(shù)字孿生流域建設(shè)路徑

2.1 整合算據(jù)，打造數(shù)字化場景

新建并整合區(qū)域內(nèi)已有的各類物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集、通信、融合、存儲與組織于一體的信息平臺，基于BIM+GIS+IoT技術(shù)，通過工程BIM模型和流域三維空間網(wǎng)格的融合，完成數(shù)字孿生流域三維融合場景的建設(shè)。通過在三維融合場景中，按照物理空間現(xiàn)實情況，完成各類水利建筑物、設(shè)備以及感知數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在虛擬空間中的一一映射。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)治理平臺，打造數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)底板，實現(xiàn)物理流域的虛擬映射。

2.2 構(gòu)建算法，實現(xiàn)智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策

建立模型平臺與知識平臺，以算法驅(qū)動數(shù)據(jù)應(yīng)用。通過構(gòu)建水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型等各類模型和智能算法，以及預(yù)報調(diào)度方案、歷史場景、業(yè)務(wù)規(guī)則和專家經(jīng)驗結(jié)合人工智能算法，為系統(tǒng)賦予智能認(rèn)知、自主學(xué)習(xí)、自主決策的能力。系統(tǒng)通過自發(fā)性收集系統(tǒng)使用過程中涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)等，通過多種算法手段及人工判斷獲得決策結(jié)果，并反饋到工程現(xiàn)實中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、算法對現(xiàn)實決策的輔助驅(qū)動作用，從而最大程度地發(fā)揮數(shù)據(jù)信息的價值。

2.3 創(chuàng)建應(yīng)用，實現(xiàn)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

承載業(yè)務(wù)需求，以智能化應(yīng)用驅(qū)動工程管理模式的革新。以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，以模型算法為支撐，強化信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，深化業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新和業(yè)務(wù)流程再造，構(gòu)建創(chuàng)新型管理業(yè)務(wù)智能應(yīng)。其建設(shè)路徑如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生流域建設(shè)路徑

3 幸福河湖之?dāng)?shù)字孿生流域建設(shè)實踐

3.1 總體架構(gòu)

聚焦數(shù)字孿生九十九灣連通水系建設(shè)所涉及的“防洪排澇、河湖管護(hù)、康養(yǎng)科普”核心業(yè)務(wù)，對標(biāo)“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求，秉承“需求導(dǎo)向、數(shù)據(jù)引領(lǐng)，拓展智能、務(wù)求實效”建設(shè)宗旨，深度耦合并高度集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)，以物理流域為單元，以感知網(wǎng)、信息網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心構(gòu)成的信息基礎(chǔ)設(shè)施為支撐，以數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺構(gòu)成的數(shù)字孿生平臺為核心，以強化業(yè)務(wù)應(yīng)用為抓手，以網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系為保障，組成數(shù)字孿生九十九灣連通水系總體架構(gòu)，其總架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)圖

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施

3.2.1感知網(wǎng)

整合匯聚已建雨水情監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，持續(xù)擴大感知范圍，提升數(shù)字化監(jiān)測能力，增強水利信息感知、分析、處理和智慧應(yīng)用的能力和水平。

(1)擴大感知范圍

整合已有監(jiān)控數(shù)據(jù)，新增視頻監(jiān)測主要布設(shè)于龍舟碼頭、上美湖、湘橋湖、水文化館、一庫、一閘、湘橋、覺皇廟、藍(lán)田古鎮(zhèn)、河口濕地公園水文化景點、水文化風(fēng)景區(qū)等位置，其內(nèi)嵌算法，基于人工智能影像解析技術(shù)，實時分析河面漂浮物、水岸垃圾等；浦頭港主港道水雨情監(jiān)測站增設(shè)4處水雨情監(jiān)測站；新增東墩泵站水閘、湘橋水閘、孚美水閘、和內(nèi)林泵站水閘等水平傾斜、沉降、震動在線監(jiān)測設(shè)施，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟土地基沉降分析數(shù)學(xué)模型，對其穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，實現(xiàn)風(fēng)險研判。

(2)利用新技術(shù)提升監(jiān)測感知能力

通過衛(wèi)星、無人機、無人船等技術(shù)，及時掌握數(shù)字地形、植被覆蓋、河道阻水建筑物、河灘占用、水文大斷面、重要河段水下地形等信息，提升數(shù)字化監(jiān)測能力和水平。

3.2.2信息網(wǎng)

(1)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

通過租用4G/5G運營商網(wǎng)絡(luò)的方式，為監(jiān)測站點、視頻監(jiān)測點之間的數(shù)據(jù)、視頻等信息傳輸與交互共享提供高速可靠的通信鏈路，實現(xiàn)河湖管護(hù)信息化網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，滿足數(shù)字孿生九十九灣建設(shè)的要求。

(2)工控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

桂林排澇泵站工程控制系統(tǒng)應(yīng)用和監(jiān)測數(shù)據(jù)均在現(xiàn)地節(jié)點的機房內(nèi)部署和存儲。工控數(shù)據(jù)有著較高的安全等級，現(xiàn)地節(jié)點工控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與辦公網(wǎng)絡(luò)等其他外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)隔離，并劃分現(xiàn)場控制區(qū)和過程監(jiān)控區(qū)?，F(xiàn)場工控網(wǎng)絡(luò)本地實現(xiàn)工控數(shù)據(jù)的本地存儲，其他應(yīng)用禁止通過現(xiàn)地工控網(wǎng)絡(luò)直接獲取。

3.2.3運行環(huán)境資源

數(shù)字孿生九十九灣連通水系數(shù)據(jù)中心軟硬件環(huán)境充分利用現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施資源，配備相應(yīng)的軟硬件資源。

3.3 數(shù)字孿生平臺

3.3.1數(shù)據(jù)底板

(1)數(shù)據(jù)資源

數(shù)據(jù)資源主要包括地理空間數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。

①地理空間數(shù)據(jù)

地理空間數(shù)據(jù)包括DEM、DOM、實景三維模型、水下地形、BIM數(shù)據(jù)，見表1。

表1 地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)內(nèi)容

②其他數(shù)據(jù)

包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)引擎

數(shù)據(jù)引擎是用于存儲、處理和保護(hù)數(shù)據(jù)的核心服務(wù)。利用數(shù)據(jù)引擎可控制訪問權(quán)限并快速處理事務(wù)，支持處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。

3.3.2模型平臺

模型平臺包括水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型和模擬仿真引擎等。

水利專業(yè)模型為模擬仿真提供其運行所需遵循的基本規(guī)律，主要包括水文模型、水力學(xué)模型、水環(huán)境模型、水利工程安全模型等。智能識別模型包括遙感AI識別模型、視頻AI識別模型；可視化模型是指能完成自然背景、流場動態(tài)水利虛擬現(xiàn)實VR、水利增強現(xiàn)實AR和水利混合現(xiàn)實MR渲染的模型和技術(shù)，主要用于實時渲染專業(yè)模型的計算結(jié)果；數(shù)字模擬仿真引擎可組合多種水利專業(yè)模型并為各專業(yè)模型適配輸入數(shù)據(jù)，從而完成特定業(yè)務(wù)的功能仿真，調(diào)用可視化模型將模擬結(jié)果渲染，以更貼近真實的方式展示給用戶。

3.3.3知識平臺

在共享水利部、流域、福建省級知識平臺的基礎(chǔ)上，以水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系、預(yù)報調(diào)度方案、業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史場景、專家經(jīng)驗等知識的抽取、融合、挖掘和結(jié)構(gòu)化處理為重點，建設(shè)了包括水利知識和水利知識引擎的知識平臺，支撐數(shù)字孿生九十九灣連通水系精準(zhǔn)化模擬。

3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.4.1防洪排澇“四預(yù)”

(1)預(yù)報

系統(tǒng)可依據(jù)實時及預(yù)報的雨水情以及工情信息，完成自動預(yù)報調(diào)度計算，實現(xiàn)自動預(yù)報、交互預(yù)報調(diào)度、模擬試算預(yù)報以及河道渠系洪水演進(jìn)計算，并實現(xiàn)多模型專家交互分析、智能校正等功能。

(2)預(yù)警

基于九十九灣連通水系洪水“空天地”一體化監(jiān)測成果，分析水雨情、工情及水雨情可能的變化態(tài)勢，研判防洪面臨形勢，根據(jù)洪水預(yù)警指標(biāo)體系及時發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息。

(3)預(yù)演

以流域數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，構(gòu)建面向九十九灣連通水系的水工程運用對重要防洪排澇控制節(jié)點防洪排澇需求快速響應(yīng)模型仿真體系，針對外江水位涌高頂托(導(dǎo)致城區(qū)水位大幅升高且排水困難)、沿河道城鎮(zhèn)區(qū)域行洪、蓄滯(分)洪區(qū)行洪進(jìn)行仿真，實現(xiàn)洪水(水量)動態(tài)時空模擬推演和成災(zāi)風(fēng)險影響分析，以指導(dǎo)防洪排澇聯(lián)排聯(lián)調(diào)管理和災(zāi)害防御應(yīng)急等。

(4)預(yù)案

針對超標(biāo)準(zhǔn)洪水可能帶來的洪災(zāi)風(fēng)險，避洪轉(zhuǎn)移是應(yīng)對洪災(zāi)的積極躲避行為，是減少洪災(zāi)人員傷亡的重要手段。在洪水風(fēng)險計算分析的基礎(chǔ)上建設(shè)洪水淹沒區(qū)避險轉(zhuǎn)移輔助功能，以防洪應(yīng)急轉(zhuǎn)移預(yù)案為指導(dǎo)，根據(jù)特定頻率/場次洪水的淹沒范圍、水深、到達(dá)時間等風(fēng)險信息，通過對受淹居民區(qū)位置、人口數(shù)量、道路、安置區(qū)域等信息的綜合分析和路網(wǎng)計算，得到居民區(qū)避洪轉(zhuǎn)移安置方案和轉(zhuǎn)移安置最優(yōu)路徑，實現(xiàn)受災(zāi)群眾快速、高效的疏散轉(zhuǎn)移。

3.4.2河湖管護(hù)

為了實現(xiàn)生態(tài)廊道動態(tài)、精細(xì)化監(jiān)管目標(biāo)，以河長制管理制度為依托，分析河湖管理中存在的薄弱環(huán)節(jié)和主要問題，建設(shè)河湖一張圖、水域保護(hù)管理、生態(tài)廊道監(jiān)管考核、運維管理。

3.4.3工程電子沙盤

提供基于數(shù)字模型三維可視化展示水情、雨情、泵站工情、水閘工情、視頻監(jiān)控、水質(zhì)等監(jiān)測信息，并可提供對工程建筑物信息的在線查詢與展示，實現(xiàn)工程信息的一張地圖展示與查詢。還可實現(xiàn)工程三維實景模型進(jìn)行大場景瀏覽展示以及設(shè)施設(shè)備BIM模型漫游，實現(xiàn)建筑物大場景與細(xì)部精細(xì)展示的虛實結(jié)合，為管理者、公眾供三維可視化交互平臺。

3.4.4康養(yǎng)科普

結(jié)合九十九灣連通水系三維場景，構(gòu)建康養(yǎng)科普系統(tǒng)，為公眾提供水景觀點的水環(huán)境指標(biāo)，幫助公眾決策游玩地點，為公眾提供路徑導(dǎo)航、文化宣傳、接收預(yù)警信息、災(zāi)害疏散轉(zhuǎn)移路線。

3.5 網(wǎng)絡(luò)安全及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

3.5.1網(wǎng)絡(luò)信息安全

為了保證數(shù)字孿生九十九灣連通水系的安全、穩(wěn)定運行以及平臺建設(shè)的統(tǒng)一性和可擴展性，在建設(shè)過程中，從物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全等方面采取相應(yīng)措施并建設(shè)完善平臺安全管理。

本次實現(xiàn)九十九灣系統(tǒng)安全等?！?.0”二級，在九十九灣部署數(shù)據(jù)中心防火墻、數(shù)據(jù)庫審計系統(tǒng)、堡壘機、工業(yè)安全管理平臺、工業(yè)安全主機衛(wèi)士、入侵檢測系統(tǒng)、系統(tǒng)備份與恢復(fù)、漏洞掃描、網(wǎng)頁防篡改、日志審計、終端管理授權(quán)服務(wù)器、IPS入侵防御、web防護(hù)、上網(wǎng)行為管理、防火墻等安保設(shè)備，保證數(shù)字孿生九十九灣連通水系的安全可靠運行。

3.5.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

從體制機制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)創(chuàng)新、運維體系、人才隊伍、宣傳與交流等方面，統(tǒng)籌謀劃，持續(xù)推進(jìn)，保障數(shù)字孿生九十九灣連通水系健康、可續(xù)持發(fā)展。

4 結(jié)語

幸福河湖建設(shè)是實現(xiàn)人水和諧共生的必要舉措，也是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。結(jié)合幸福河湖建設(shè)工作要求，數(shù)字孿生九十九灣連通水系圍繞防洪排澇“四預(yù)”、河湖管護(hù)等重點業(yè)務(wù)，以促進(jìn)全景化感知、數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為重點，通過“提升算據(jù)、優(yōu)化算法、強化算力”，加快推進(jìn)數(shù)字孿生九十九灣連通水系建設(shè)，實現(xiàn)“防洪排澇管理精細(xì)化、河湖管理一體化、環(huán)境監(jiān)督可視化、管理決策科學(xué)化”目標(biāo)，實現(xiàn)“智慧精準(zhǔn)”科學(xué)管護(hù)的數(shù)字河湖新局面。數(shù)字孿生九十九灣連通水系建設(shè)對推動九十九灣連通水系精細(xì)化管護(hù)、維護(hù)九十九灣連通水系生命健康具有重要意義，同時為公眾參與治水、享水、樂水提供了重要途徑，也為新時期幸福河湖管護(hù)能力提升提供了重要手段。