張 飛，王述強，李 灣

（1.江西省水文監(jiān)測中心，江西 南昌 330000；2.北京金水信息技術發(fā)展有限公司，北京 100089）

1 背景

虎山水文站為樂安河江西省境內(nèi)的水文站。按照水利部“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，結合虎山水文站及所在流域防洪要求，構建虎山水文站“四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)。圍繞數(shù)字孿生水文站建設任務，充分利用現(xiàn)有建設成果，找準重點，突出亮點，緊抓任務時間和目標，力爭做出成效，發(fā)揮示范引領作用。

基于本項目的建設，探索貼合江西水利特點的數(shù)字孿生流域建設技術路線，積累寶貴的建設經(jīng)驗，為后續(xù)江西省其他流域和水利工程數(shù)字孿生建設提供可復制、可推廣的示范技術，實現(xiàn)與其他數(shù)字孿生流域的共建共享，確保與水利部、省級水利部門、工程管理單位共享數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、時效性和同步性，實現(xiàn)與水利部、流域管理機構、省水利廳單位之間數(shù)字孿生平臺的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務協(xié)同。

2 “四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)基礎和關鍵技術

虎山水文站“四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎和關鍵技術包括數(shù)字孿生底板、可視化模型、數(shù)字模擬仿真引擎等。

2.1 數(shù)字孿生底板

數(shù)字孿生底板是數(shù)字孿生及業(yè)務應用的基礎支撐[1]。在充分利用江西水利一張圖的基礎上，通過完善時空多尺度數(shù)據(jù)映射，擴展三維展示、數(shù)據(jù)整合、分析計算、動態(tài)場景等功能，建設基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、三級貫通的數(shù)據(jù)底板。

2.2 可視化模型

依托數(shù)字孿生底板地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和水利專業(yè)模型，根據(jù)實際業(yè)務需要構建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態(tài)、水利工程、水利機電設備的預演過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

2.3 數(shù)字模擬仿真引擎

通過BIM 技術，提升服務平臺在三維空間的數(shù)據(jù)服務能力[2]。數(shù)字孿生體的模擬仿真采用高性能3 D 實時渲染技術，融合地圖、數(shù)據(jù)、場景、物聯(lián)網(wǎng)和外部系統(tǒng)，形成一體化業(yè)務執(zhí)行系統(tǒng)。所有業(yè)務搭載在三維平臺圖層之上，將視頻、動畫、2 D/3 D 圖形與實時數(shù)據(jù)流進行統(tǒng)一整合，最大限度滿足原生模擬輸出呈現(xiàn)。

3 “四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

以物理流域水利工程及相關水文數(shù)據(jù)為基礎支撐，在已有信息基礎上建設數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺進而構建數(shù)字孿生平臺，面向水行政主管部門領導、管理人員、工作人員等提供洪水預報、預警、預演、預案業(yè)務應用。系統(tǒng)總體框架分為物理流域層、數(shù)字孿生流域層、業(yè)務應用層和用戶層，如圖1所示。

圖1 總體框架

3.2 業(yè)務流程設計

基于前端感知設備采集或共享的氣象、河流、監(jiān)測等數(shù)據(jù)，利用模型平臺構建的可視化模型、水利專業(yè)模型等，對水文站所在流域洪水過程進行提前預報；洪水預警是在洪水預報的基礎上，通過設定的防洪相關數(shù)據(jù)的閾值，對監(jiān)測數(shù)據(jù)、預報結果數(shù)據(jù)進行綜合分析，并最終發(fā)布預警信息；洪水預演模塊是對已有的多種防洪調(diào)度方案進行三維可視化預演，預演結果將展示在會商決策模塊，為領導提供決策支持；防洪調(diào)度預案模塊是基于預演的結果數(shù)據(jù)，結合知識平臺提供的知識依據(jù)，比選出最優(yōu)的調(diào)度方案以及適宜的應急預案。在防洪工作結束后利用防洪評估系統(tǒng)對洪水災害損失、防洪調(diào)度執(zhí)行等方面進行評價評估?！八念A”業(yè)務流程，如圖2所示。

圖2 “四預”業(yè)務流程設計

4 “四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)建設

4.1 數(shù)字孿生平臺

4.1.1 數(shù)據(jù)底板

虎山水文站數(shù)據(jù)底板建設內(nèi)容包括數(shù)據(jù)資源池、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務等。

（1）數(shù)據(jù)資源池。建立虎山水文站數(shù)據(jù)資源池，充分整合與集成實時雨水情庫、水文信息數(shù)據(jù)庫、防汛抗旱專用數(shù)據(jù)庫、水利工程庫、實時工情庫等相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基礎信息、監(jiān)測信息、成果信息、地理空間信息、多媒體信息的構建、整合、集成和管理。

（2）數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型包括水利數(shù)據(jù)模型、水利網(wǎng)格模型和水利工程模型。其中，水利數(shù)據(jù)模型面向水利業(yè)務多目標、多層次的復雜需求，通過描述水利對象的空間、屬性、關系、時態(tài)等信息，構建水利數(shù)據(jù)模型，形成描述水利信息全貌的模型體系。虎山水文站所處樂安河流域水利網(wǎng)格管理模型的建設，參照其他行業(yè)成功的網(wǎng)格管理模型，從行政區(qū)劃、自然流域、水資源功能區(qū)等不同角度出發(fā)，劃分不同的管理分區(qū)，對不同分區(qū)維度進行整合，形成水利網(wǎng)格化管理模型。通過傾斜攝影技術，構建虎山水文站高精度模型。

（3）數(shù)據(jù)治理。數(shù)據(jù)治理為三級數(shù)據(jù)底板構建提供標準化的數(shù)據(jù)支持。對數(shù)據(jù)資源池中二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)資源進行預處理、清洗、加工、輕量化、關聯(lián)鏈接、融合、入庫和備份與恢復等工作。

（4）數(shù)據(jù)服務。對各類基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)進行整合處理，形成可融合共享和聯(lián)動更新的數(shù)據(jù)底板；對水文、水資源等專業(yè)水力模型進行整合，通過Web服務接口提供模型調(diào)用、參數(shù)配置、預先條件定義、成果定制等數(shù)據(jù)服務，為防洪“四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)保障。

4.1.2 模型平臺

模型平臺重點建設水利專業(yè)模型、可視化模型、數(shù)字模擬仿真引擎。其中，水利專業(yè)模型的建設利用已有分布式水文模型和水文水動力模型，補充構建集總式水文模型和預報調(diào)度一體化模型，對現(xiàn)有水文模型進行集成和優(yōu)化；可視化模型的建設依托數(shù)據(jù)底板地理空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和水利專業(yè)模型，根據(jù)需要構建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態(tài)、水利工程、水利機電設備的“四預”過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

4.1.3 知識平臺

根據(jù)收集的虎山水文站歷年水文實測數(shù)據(jù)和所在流域的水利工程情況，集成各類預報調(diào)度方案、調(diào)度規(guī)則和專家經(jīng)驗，通過現(xiàn)實情況與預演情況的對比分析迭代優(yōu)化模型算法，形成調(diào)度預案知識庫，構建動態(tài)優(yōu)化、實時更新的水利知識庫，提升智慧化決策支撐水平。

4.2 “四預”業(yè)務應用

按照江西省智慧水利建設技術規(guī)范和水利部數(shù)字孿生流域建設要求，采用微服務、二三維一體化等關鍵技術，建設虎山水文站“四預”業(yè)務應用系統(tǒng)。充分利用已建成果，構建虎山水文站“四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合洪水預報調(diào)度的各類信息資源，全面掌握虎山水文站及所在流域防汛相關信息，在信息整合與展示的基礎上，構建虎山水文站預報、預警、預演、預案的數(shù)字化場景，實現(xiàn)虎山水文站及所在流域內(nèi)重點關注對象的智慧化模擬，輔助管理者實施精準化決策。

4.2.1 預報業(yè)務

預報業(yè)務主要是構建綜合信息查詢與展示、多源降雨數(shù)據(jù)接入、多模式預報、洪水態(tài)勢分析等功能應用。通過應用功能的開發(fā)建設，為數(shù)字孿生平臺提供基礎數(shù)據(jù)查詢，提高降雨數(shù)據(jù)的精度（如雷達測雨數(shù)據(jù)[3]）以及延長洪水的預見期（如利用降雨數(shù)值預報）。針對不同的應用場景和需要，采用集總式水文模型、分布式水文模型、一二維水文水動力耦合模型等多種預報模型方法進行洪水預報，基于時間軸，分析虎山水文站所在流域洪水過去、現(xiàn)在、未來的變化過程，包括動態(tài)變化趨勢。

4.2.2 預警業(yè)務

智能化預警通過各類技術手段，包括智能分析技術，將洪澇災害信息及時或提前傳遞給防洪工作人員和社會公眾，達到避免或減少洪水帶來的損失的目的。實時信息監(jiān)測預警通過雨情、水情、工情信息的實時監(jiān)控，掌握虎山水文站所在流域的實時汛情；河道洪水預警根據(jù)流域上游集總式水文模型、分布式水文模型的預報成果，結合河道水文站的洪水預警指標，實現(xiàn)斷面的洪水預警；鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪水及淹沒預警依據(jù)分布式水文模型、一維水動力模型的計算成果，結合各斷面的洪水預警指標，實現(xiàn)河道重要斷面的洪水預警。

4.2.3 預演業(yè)務

通過調(diào)用模型平臺中的一二維耦合水文動力學模型微服務，后臺實時滾動計算洪水演進[4]過程，結合三維可視化模型對虎山水文站所在流域洪水的實時洪水演進情況、淹沒情況、防洪應急方案等進行推演模擬、可視化仿真，并對流域范圍內(nèi)雨情、水情、淹沒形勢進行綜合分析。

4.2.4 預案業(yè)務

依托現(xiàn)在的流域下墊面條件，對虎山水文站記錄的歷史典型洪水、設計洪水或者實時洪水進行預演，并通過可視化手段將推薦的各種方案直觀地展示給用戶。預案主要為水文部門水位加測加報工作預案。

5 結語

數(shù)字孿生流域建設是強化流域治理管理的迫切要求，江西省虎山水文站“四預”數(shù)字孿生系統(tǒng)具有技術攻關和示范引領作用，對探索水文站點防汛“四預”體系的建立有現(xiàn)實的重要意義，在未來項目實施運用較好的前提下，可以考慮將數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設范圍和涵蓋業(yè)務不斷擴展，形成覆蓋整個虎山水文站所在流域以防洪調(diào)度、水資源管理為基礎的多尺度、多業(yè)務的應用體系，為江西省“2+N”水利智能業(yè)務應用體系提供可以借鑒的實例。