程習(xí)華

（安徽省響洪甸水庫(kù)管理處，安徽 六安 237000）

1 概述

數(shù)字孿生流域在智慧水利建設(shè)發(fā)展中承擔(dān)重要使命，是推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵實(shí)施路徑之一[1-2]。數(shù)字孿生流域的應(yīng)用范圍涵蓋流域內(nèi)的水庫(kù)、堤防、蓄滯洪區(qū)等關(guān)鍵工程，以及河道水文站點(diǎn)和沿岸防洪區(qū)域等要素[3]。根據(jù)《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》的要求，數(shù)字孿生流域建設(shè)被強(qiáng)調(diào)為首要任務(wù)，并要求率先在關(guān)鍵水利工程上推進(jìn)數(shù)字孿生工程建設(shè)[4]。

響洪甸水庫(kù)是淮河流域的重要水利樞紐工程，通過(guò)近年來(lái)信息化建設(shè)，在監(jiān)測(cè)感知、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)通信及基礎(chǔ)環(huán)境等方面已具備一定規(guī)模的信息化基礎(chǔ)，被安徽省列為數(shù)字孿生水庫(kù)工程建設(shè)試點(diǎn)。本文提出充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)與實(shí)體水庫(kù)同步仿真、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化。這為水庫(kù)防洪、水資源調(diào)配等“四預(yù)”功能（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）的實(shí)現(xiàn)提供了支持，從而提升了水庫(kù)工程科學(xué)化決策能力與高效化管理水平[5]。

2 工程概況

響洪甸水庫(kù)是新中國(guó)治理淮河水患的關(guān)鍵骨干工程之一。該水庫(kù)的建設(shè)始于1956 年4 月，1958 年7 月順利竣工。在2009 年7 月—2012 年7 月期間，響洪甸水庫(kù)開(kāi)展除險(xiǎn)加固工程建設(shè)，并在2018 年完成除險(xiǎn)加固后首次安全鑒定，被評(píng)定為一類(lèi)壩。響洪甸水庫(kù)位于淮河流域淠河西源，控制著1431km2的流域面積，總庫(kù)容高達(dá)26.1 億m3，是具備綜合利用、多年調(diào)節(jié)的大Ⅰ型水利樞紐工程，同時(shí)具備防洪、灌溉、供水、發(fā)電、航運(yùn)、旅游和養(yǎng)殖等多種功能[6]。響洪甸水庫(kù)自建成以來(lái)，成功應(yīng)對(duì)多次淮河洪水，蓄洪錯(cuò)峰的次數(shù)超過(guò)100 次，累計(jì)攔蓄1500m3/s 規(guī)模以上的洪峰高達(dá)115 次。每年平均防洪減災(zāi)效益超過(guò)2.5 億元，為保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全作出了重要的貢獻(xiàn)。

3 信息化現(xiàn)狀與需求分析

當(dāng)前，響洪甸水庫(kù)水利信息化建設(shè)尚存在以下短板和薄弱環(huán)節(jié)：（1）數(shù)據(jù)資源體系有所欠缺，孿生場(chǎng)景數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能力有待提高；（2）信息化基礎(chǔ)設(shè)施存在不足，智能化監(jiān)測(cè)感知水平還有待提高；（3）模型體系未進(jìn)行深度挖掘應(yīng)用，知識(shí)體系尚未構(gòu)建；（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用智能化水平不高，水庫(kù)管理系統(tǒng)與信息技術(shù)融合不夠深入。

基于以上現(xiàn)狀，需以響洪甸水庫(kù)工程安全為底線，以信息技術(shù)為動(dòng)力，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，在水庫(kù)已建的相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，整合相關(guān)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，集成、優(yōu)化現(xiàn)有洪水預(yù)報(bào)模型、一維和二維水動(dòng)力模型，以及水庫(kù)調(diào)度模型、大壩安全監(jiān)測(cè)模型等，構(gòu)建數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)工程，提升水庫(kù)的智慧化管理決策水平。

4 總體設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)工程主要由數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)、信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)安全體系以及保障體系建設(shè)等多個(gè)部分組成?？傮w架構(gòu)如圖1 所示，其中數(shù)字孿生平臺(tái)是最核心的環(huán)節(jié)。

圖1 數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)工程總體架構(gòu)圖

5 數(shù)字孿生平臺(tái)

5.1 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板為數(shù)字孿生水利工程提供“算據(jù)”支撐，主要包含數(shù)據(jù)接入、存儲(chǔ)和服務(wù)三項(xiàng)內(nèi)容，其中數(shù)據(jù)接入是數(shù)據(jù)底板的建設(shè)入口，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是數(shù)據(jù)底板的內(nèi)核，數(shù)據(jù)服務(wù)是數(shù)據(jù)底板的出口，數(shù)據(jù)底板構(gòu)建的數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋了基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、跨行業(yè)共享、地理空間和業(yè)務(wù)管理等多個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)別。

5.2 模型平臺(tái)

模型平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)的精準(zhǔn)映射和虛實(shí)互動(dòng)的核心組成部分，為響洪甸水庫(kù)智慧水利應(yīng)用提供了必要的“算法”支持。同時(shí)，按照“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、云服務(wù)”的原則制定覆蓋平臺(tái)開(kāi)發(fā)、模型調(diào)用、數(shù)據(jù)共享和接口等多方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。平臺(tái)涵蓋水利、智能識(shí)別、可視化和模擬仿真等專(zhuān)業(yè)化模型。響洪甸水庫(kù)工程“四預(yù)”功能展示可視化模型設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 響洪甸水庫(kù)工程可視化展示模型圖

5.3 知識(shí)平臺(tái)

構(gòu)建水庫(kù)工程知識(shí)平臺(tái)，將水庫(kù)各項(xiàng)業(yè)務(wù)涉及的基礎(chǔ)依據(jù)全面結(jié)構(gòu)化、知識(shí)化，實(shí)現(xiàn)管理依據(jù)快速調(diào)取、管理流程快速調(diào)度、管理執(zhí)行要求快速調(diào)取、管理聯(lián)動(dòng)操作自動(dòng)關(guān)聯(lián)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警事件關(guān)聯(lián)、監(jiān)測(cè)異常與事件處置關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)限制條件及限制因素快速識(shí)別等[7]。利用知識(shí)圖譜和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)提取、管理以及綜合應(yīng)用水利對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及水利規(guī)律等信息，這一智能核心為數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)的運(yùn)行進(jìn)行賦能，支撐正向智能推理和逆向溯因分析。

6 信息化基礎(chǔ)設(shè)施

6.1 水利感知網(wǎng)

基于響洪甸水庫(kù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)感知體系，充分利用先進(jìn)感知技術(shù)，完善水庫(kù)雨水情監(jiān)測(cè)、出入庫(kù)流量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、閘門(mén)工情監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，按需求加強(qiáng)衛(wèi)星遙感、高清視頻、雷達(dá)等新型監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用，提升水庫(kù)智能感知水平。

6.2 水利信息網(wǎng)

利用已建水利專(zhuān)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)響洪甸水庫(kù)水利業(yè)務(wù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)傳輸。開(kāi)展水利專(zhuān)網(wǎng)與政務(wù)網(wǎng)貫通建設(shè)，通過(guò)所屬地的數(shù)據(jù)資源局節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展政務(wù)網(wǎng)與水利專(zhuān)網(wǎng)的互聯(lián)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水利云平臺(tái)與政務(wù)云平臺(tái)融合。

6.3 計(jì)算與存儲(chǔ)資源

計(jì)算與存儲(chǔ)資源建設(shè)是響洪甸水庫(kù)數(shù)字孿生建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生建設(shè)進(jìn)行復(fù)雜的模型計(jì)算、圖形處理等環(huán)節(jié)需要配置足夠的計(jì)算資源；同時(shí)，建設(shè)產(chǎn)生大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)，需配置相應(yīng)的存儲(chǔ)資源，滿足數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)未來(lái)10～20 年的計(jì)算與存儲(chǔ)需求。

7 業(yè)務(wù)智能應(yīng)用

面向響洪甸水庫(kù)水旱災(zāi)害防御、工程運(yùn)行管理、水資源與河湖管理等業(yè)務(wù)需求，建設(shè)基于響洪甸水庫(kù)數(shù)字孿生體系的專(zhuān)業(yè)智慧應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”全過(guò)程管理。

7.1 防洪調(diào)度管理

利用響洪甸水庫(kù)數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建防洪數(shù)字化場(chǎng)景，融合水文、水動(dòng)力學(xué)等水利專(zhuān)業(yè)模型，遙感識(shí)別、視頻識(shí)別等水利智能模型和可視化模型，預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)、歷史場(chǎng)景模式庫(kù)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)等水利知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建“四預(yù)”防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警分析、調(diào)度方案預(yù)演、預(yù)案智能生成等功能，為流域洪水防御提供超前、快速、精準(zhǔn)的決策支持。

7.2 水資源調(diào)配與管理

依托水庫(kù)及周邊重要水文站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及流域的來(lái)水水文預(yù)報(bào)信息、供水預(yù)測(cè)（計(jì)劃）信息、短臨氣象預(yù)報(bào)等技術(shù)手段和取用水監(jiān)控、取水計(jì)劃等數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用，生成水庫(kù)綜合調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)水資源科學(xué)合理調(diào)配、智能預(yù)演模擬和預(yù)警，并生成決策建議方案，確保庫(kù)區(qū)水資源綜合管理和科學(xué)調(diào)度，提高效益。

7.3 工程運(yùn)行管理

工程安全運(yùn)行管理方面，構(gòu)建響洪甸水庫(kù)大壩安全預(yù)警研判、發(fā)布、處置及效果評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警全過(guò)程管理。日常業(yè)務(wù)運(yùn)行監(jiān)管方面，以工程虛擬化場(chǎng)景應(yīng)用為主體，打通融合數(shù)字運(yùn)行管理、多源監(jiān)測(cè)等組件，實(shí)現(xiàn)工程日常業(yè)務(wù)智慧化、精細(xì)化管理。

7.4 河湖管理

實(shí)施河湖岸線綜合管理，建立河湖日常巡查、問(wèn)題發(fā)現(xiàn)上報(bào)、整改反饋、跟蹤復(fù)查、考核評(píng)價(jià)等全過(guò)程管理機(jī)制。實(shí)現(xiàn)河湖岸線防護(hù)、水事案件查處、水事糾紛、采砂等自動(dòng)化管理，并可查詢(xún)事件進(jìn)展及處理結(jié)果，建立起有效的河湖安全管理運(yùn)行機(jī)制，提升綜合監(jiān)管水平和處置效率。

8 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前水利部推進(jìn)智慧水利、數(shù)字孿生水利建設(shè)的形勢(shì)，開(kāi)展數(shù)字孿生響洪甸水庫(kù)工程建設(shè)，構(gòu)建水庫(kù)高精度數(shù)據(jù)底板和數(shù)字化場(chǎng)景，應(yīng)用水利專(zhuān)業(yè)模型、智能識(shí)別模型和可視化模型，以預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能提升水庫(kù)管理和調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)響洪甸水庫(kù)工程的智慧化、精細(xì)化管理，十分必要且具有重要意義。有利于推進(jìn)響洪甸水庫(kù)水利工程信息化從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化轉(zhuǎn)變，為水庫(kù)防洪、水資源配置與調(diào)度等業(yè)務(wù)提供支撐，進(jìn)而提升水利工程設(shè)施運(yùn)行效能，推動(dòng)水利業(yè)務(wù)的全面創(chuàng)新■