萬國勇 袁媛 張國文

1中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司 江西省南昌市 330029

2中鐵水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 前言

2021年12月23日，在水利部推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作會議上，李國英部長強調(diào)：要深入學(xué)習(xí)貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強國的重要思想、習(xí)近平總書記“十六字”治水思路和關(guān)于治水重要講話指示批示精神，以時不我待的緊迫感、責(zé)任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，積極推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。2022年4月，水利部決定在獲得國務(wù)院督查激勵的江西等7個省份（直轄市）的河湖長制工作開展首批“幸福河湖”項目建設(shè)，用一年左右時間，完成相關(guān)水域的河湖系統(tǒng)治理和管護(hù)能力的提升，助力這些流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，最終實現(xiàn)河暢、岸綠、水清、景美、人和。宜水河作為首批入選國家首批“幸福河湖”建設(shè)項目的江西省唯一項目，有著重要的示范意義。

宜水河位于江西省撫州市宜黃縣，屬鄱陽湖水系撫河流域臨水一級支流，地處武夷山脈與雩山山脈向撫河平原過渡地帶，東南鄰撫河，西北毗臨水，東北依梨溪水，發(fā)源于神崗鄉(xiāng)楊坊村西華山東麓白石崗，干流自南向北流經(jīng)神崗、圳口、棠陰、鳳岡等4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從右岸匯入臨水。宜水河數(shù)字孿生平臺作為宜水幸福建設(shè)項目配套工程信息化建設(shè)內(nèi)容，圍繞防洪、水資源調(diào)配、河湖管理等為引領(lǐng)的水利業(yè)務(wù)，充分應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，將水利業(yè)務(wù)管理與新一代信息技術(shù)深度融合，實現(xiàn)“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)功能和數(shù)字孿生水利的目標(biāo)，提升宜黃縣水利行業(yè)管理和決策的信息化水平，為宜黃縣新時期水利行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供強大的技術(shù)支持。

1 建設(shè)目標(biāo)

以需求為導(dǎo)向，按照水利部印發(fā)的智慧水利及數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)技術(shù)文件，根據(jù)江西省水利廳下發(fā)的《江西省數(shù)字孿生流域建設(shè)工作計劃》等通知，結(jié)合宜水流域現(xiàn)狀和水利信息化的建設(shè)情況，充分運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建立全要素真實感知的宜水?dāng)?shù)字孿生流域，支撐河湖管護(hù)能力強化、防洪“四預(yù)”能力實現(xiàn)、水資源調(diào)配優(yōu)化、幸福河湖成果展示和專項水利業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用等目標(biāo)達(dá)成。

2 設(shè)計原則

宜水河數(shù)字孿生平臺建設(shè)項目依據(jù)國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求進(jìn)行規(guī)劃。為確保項目建成后能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，遵循“需求主導(dǎo)、實用可靠、先進(jìn)開放、安全共享”的原則開展項目設(shè)計及建設(shè)。

項目須充分考慮水利信息化系統(tǒng)的特點，結(jié)合宜水流域現(xiàn)狀和智慧水利建設(shè)情況，在充分利用好原有資源的基礎(chǔ)上，按需要布置，做到經(jīng)濟(jì)合理。系統(tǒng)設(shè)計時注重功能的實用性，考慮不同層級用戶的多樣化需求，做到系統(tǒng)操作方便、界面直觀、易學(xué)易用、所見即所得。同時系統(tǒng)還要方便管理，功能上對系統(tǒng)實施統(tǒng)一集中管理，能通過對系統(tǒng)運行日志數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行各種功能的檢測和清障［1］。

（2）可靠性原則

系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)采用成熟、穩(wěn)定的技術(shù)，由于需要處理、展示大量的信息數(shù)據(jù)，系統(tǒng)任何故障都有會帶來無法可估量的損失，因此要求系統(tǒng)具有很高的可靠性。選取成熟并廣泛使用的硬件產(chǎn)品，提供各類故障的快速恢復(fù)保障。

（3）先進(jìn)性原則

項目的各類軟件設(shè)計應(yīng)采用國際上成熟先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，硬件選型應(yīng)采用先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)平臺設(shè)備，保證系統(tǒng)不僅滿足現(xiàn)有需求，而且具有向未來技術(shù)平滑過渡的能力。

（4）開放性原則

埋藏深度2463.90～2902.90 m，厚度439.0 m。該地層據(jù)測井解釋成果反映，共有28層砂巖，砂巖總厚度為34.3 m，砂厚比為7.81%。砂巖孔隙度10.38%～28.41%；砂巖滲透率1.15～134.72 md；熱儲層頂板井溫為80.56℃，底板溫度為86.72℃。

項目應(yīng)以各類國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮與各類標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性，軟件系統(tǒng)支持二次開發(fā)，支持多類通信網(wǎng)絡(luò)，支持多種軟硬件接口［2］。為系統(tǒng)未來的擴(kuò)展升級、與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通提供良好的基礎(chǔ)，從而降低系統(tǒng)平臺的開發(fā)成本和運維成本。

（5）安全性原則

項目應(yīng)充分考慮信息安全的重要性，從終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)傳輸、軟件系統(tǒng)、運行環(huán)境和管理操作等各方面充分考慮系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)安全，保證整個智慧水務(wù)項目的高效運行。

（6）互通共享原則

項目以整合已有設(shè)施數(shù)據(jù)、監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)及其他現(xiàn)有成果，并預(yù)留通用API接口，實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共建、共享和共用，減少重復(fù)建設(shè)和投資［3］。

3 總體框架和技術(shù)路線

3.1 總體框架

按照數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)要求和水利現(xiàn)代化發(fā)展需求，設(shè)計本信息化建設(shè)項目總體架構(gòu)，其總體架構(gòu)分為信息基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)字孿生平臺層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)安全保障體系、運維保障體系，詳細(xì)總體架構(gòu)圖如下：

3.2 技術(shù)路線

（1）云計算和虛擬化技術(shù)

本項目將通過云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)實現(xiàn)水利專題數(shù)據(jù)管理和滿足用戶高可靠、高性能、安全性和高適應(yīng)性的要求，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用種類多、計算時效性要求高和不斷擴(kuò)展的業(yè)務(wù)應(yīng)用的計算需求，從而提高自動化管理水平和節(jié)約投資。

云計算技術(shù)是新一代IT模式，它能在后端龐大的云計算中心的支撐下能為用戶提供更方便的體驗和更低廉的成本［4］。

云架構(gòu)共分為服務(wù)和管理這兩大部分：

◎服務(wù)主要以為用戶提供基于云的服務(wù)為主，主要有SaaS （Software as a Service） 服務(wù)、PaaS（Platform as a Service）服務(wù)和IaaS（Infrastructure as a Service）服務(wù)。從用戶角度來看，這三層服務(wù)提供不同的服務(wù)，面對的用戶也不相同，它們是相互獨立的關(guān)系；從技術(shù)角度來看，這三層服務(wù)是有一定依賴關(guān)系的，并不是獨立的。

◎在管理方面，主要是確保整個云計算中心安全穩(wěn)定運行和有效管理。

（2）面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)

本項目建設(shè)將采用SOA 架構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)，把應(yīng)用程序的不同功能服務(wù)通過定義好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來。采用中立的方式進(jìn)行定義的接口，構(gòu)建統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。

這些中立的定義接口，有服務(wù)之間的松耦合的特征。可以靈活組成整個應(yīng)用程序的每個服務(wù)，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，服務(wù)能夠繼續(xù)存在。應(yīng)用程序需要根據(jù)業(yè)務(wù)的需要靈活地采用松耦合系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境及業(yè)務(wù)。

（3）基于微服務(wù)的部署架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是在云中部署服務(wù)和應(yīng)用的一項新技術(shù)，微服務(wù)可以在自己的程序中運行，可以將服務(wù)公開與微服務(wù)區(qū)分開來。在服務(wù)公開中，需要增加某種功能時就必須縮小進(jìn)程范圍，服務(wù)可以被內(nèi)部獨立進(jìn)程限制；而在微服務(wù)中增加某種服務(wù)中所需的功能，不會影響整體進(jìn)程的架構(gòu)。

（4）基于地理信息服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)

地理信息服務(wù)平臺可劃分為空間數(shù)據(jù)生成與處理、空間數(shù)據(jù)交換以及地理信息集成應(yīng)用三個部分地［5］，三個部分通過網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連接在一起，從信息獲取、處理、分發(fā)、傳輸、管理、表現(xiàn)以及集成應(yīng)用等形成一個完整的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化共享平臺。

4 結(jié)束語

宜水流域水系錯綜復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)密布，水資源條件有限，水利工程管理和防汛工作任務(wù)十分繁重，流域防洪減災(zāi)能力對區(qū)域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會穩(wěn)定發(fā)展影響很大。近些年來，惡劣氣候時有發(fā)生，極易形成洪澇災(zāi)害。因此，對宜水河的防洪排澇、水資源調(diào)度能力提出了更高的要求。加強水利信息化建設(shè)，及時準(zhǔn)確地獲取信息、提供決策、處理突發(fā)暴雨等事件，顯得尤為必要。

宜水流域水利工程類別較多，主要包括水閘、泵站、堤防等，日常管理工作涉及眾多方面，包括對水利工程運行監(jiān)控、巡查管理、取排水調(diào)度、日常辦公等，數(shù)據(jù)量龐大，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是當(dāng)前正處于智慧水利、孿生水利發(fā)展的關(guān)鍵時期，對水利工程管理工作提出了更高要求，需要建立現(xiàn)代化、智能化的自動化監(jiān)控和信息化管理體系，革新傳統(tǒng)手工管理手段，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，從整體上提高水利工程智能化管理水平、工作效能和保障能力。