張祥吉，焦玉梁，喬 羽

（淄博市太河水庫管理中心，山東淄博 255178）

1 太河水庫概況

太河水庫位于淄博市東南部山區(qū)淄河干流上，是一座集防洪、灌溉、城鄉(xiāng)供水、水力發(fā)電等綜合利用的大（二）型水庫。太河水庫是淄博市中心城區(qū)、臨淄區(qū)、淄川區(qū)近100 萬居民的重要飲用水水源地，人口稠密、工廠林立，防洪任務(wù)十分重要。

2019 年建成太河水庫水源地保護綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含供水調(diào)度子系統(tǒng)、工程管理子系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測保護子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及專家?guī)熳酉到y(tǒng)五部分，初步實現(xiàn)了水庫信息化管理的功能，為隨后數(shù)字孿生水庫建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)字孿生水庫建設(shè)的需求分析

2.1 功能需求分析

2.1.1 防汛調(diào)度

依據(jù)實測的降雨、預(yù)報降雨或假定降雨數(shù)據(jù)，進行洪水預(yù)報的仿真模擬，預(yù)報水庫所在流域干支流及所在區(qū)域各斷面的洪水流量過程，動態(tài)顯示洪水演進過程，并輸出控制斷面的水位、流量信息，進而結(jié)合歷年防汛預(yù)案，生成參考的防汛調(diào)度預(yù)案以輔助決策。

2.1.2 水源地及工程管理

從水源地保護及工程設(shè)施維護管理等多方面、多維度，系統(tǒng)地構(gòu)建各類模型庫，直觀、形象地展示和反映工程的運維情況，及時提出維護、改造及加固方案，為水源地保護和水庫工程運維提供全過程、全壽命期的保障。

2.1.3 水資源調(diào)配

結(jié)合上級批準的各用水戶的取水量指標，基于實時監(jiān)測水庫水位和流域內(nèi)可能來水預(yù)報分析，評估水庫的預(yù)期可供水量數(shù)據(jù)，制定水資源科學(xué)分配方案。

2.2 業(yè)務(wù)需求分析

結(jié)合現(xiàn)實的業(yè)務(wù)需求，打造具有水庫特色業(yè)務(wù)模塊，憑借綜合展示、水資源調(diào)配管理、防汛調(diào)度、運行管理、水源地保護、安全監(jiān)測預(yù)警等業(yè)務(wù)模塊，提升水庫數(shù)字化運行管理能力和效率，實現(xiàn)水庫智慧化管理。

2.3 非功能需求分析

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)及安全性能

在原水庫網(wǎng)絡(luò)安全滿足等保三級前提下，對其它硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等方面進行全面安全升級，在數(shù)據(jù)歸集、清洗、存儲、訪問、傳輸過程中提高安全性。

2.3.2 物理安全需求

主要包括物理設(shè)備、實體環(huán)境和施工現(xiàn)場安全需求，具體體現(xiàn)在對水庫、機房、控制中心等處的防雷接地安全，包括電源電路、信號線路、監(jiān)控線路等的電泳保護需求和等電位接地建設(shè)需求等。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)安全需求

為保證網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運行，網(wǎng)絡(luò)安全需求包括：盡量避免非授權(quán)訪問；避免信息泄露與丟失；保證數(shù)據(jù)的完整性；訪問攻擊和盡量避免感染通過網(wǎng)絡(luò)傳播病毒。

2.3.4 信息安全需求

信息安全需要從信息使用安全、系統(tǒng)安全監(jiān)測和計算機病毒防治三方面保證信息的機密性、完整性、可用性、可控性和可審查性。

3 數(shù)字孿生水庫建設(shè)解決方案

3.1 構(gòu)建架構(gòu)

結(jié)合在水庫防洪調(diào)度、水源地及工程管理、水資源調(diào)配管理等方面的需求，構(gòu)建以水庫工程、業(yè)務(wù)應(yīng)用、用戶、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系等組成的數(shù)字孿生水庫總體架構(gòu)。

該架構(gòu)核心是數(shù)字孿生水庫工程，構(gòu)建水利對象的空間特征、時間特征和關(guān)系特征的一體化組織模型，通過物聯(lián)感知等設(shè)施，實現(xiàn)信息化技術(shù)設(shè)施的數(shù)據(jù)匯聚，實時感知水庫運行狀態(tài)。將數(shù)據(jù)匯集與數(shù)據(jù)融合，搭建包含基礎(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)和地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)底板?；跀?shù)據(jù)引擎、知識引擎、模擬仿真引擎整合數(shù)據(jù)底板、模型庫和知識庫進行分析與處理，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的智慧化服務(wù)，提升水庫管理服務(wù)水平。

3.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

實現(xiàn)水庫各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，包括水位、流量、視頻監(jiān)控、工程安全等數(shù)據(jù)信息，提升水庫感知能力，滿足數(shù)字孿生平臺運行要求。

3.1.2 數(shù)字孿生平臺建設(shè)

數(shù)字孿生平臺建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺和模擬仿真引擎四個方面。數(shù)據(jù)底板建設(shè)主要進行L1、L2、L3 級數(shù)據(jù)底板建設(shè)，全面集成水庫包含的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)與共享數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)治理等工作，為數(shù)字孿生水庫建設(shè)提供“算據(jù)”；模型庫建設(shè)主要包括水利專業(yè)模型、智能模型及可視化模型三部分；知識庫建設(shè)包括構(gòu)建調(diào)度規(guī)則庫、業(yè)務(wù)規(guī)則庫、專家經(jīng)驗庫，并搭建知識應(yīng)用平臺，提供知識搜索、知識可視化等功能；模擬仿真引擎將數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)、水利專業(yè)模型、人工智能模型庫與可視化模型庫進行有機耦合，利用各種模擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的同步仿真運行。

3.1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

搭建以防洪智能調(diào)度、水資源調(diào)配與管理、綜合信息展示、水庫運行管理、工程安全監(jiān)測和應(yīng)用支撐等業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，結(jié)合數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)底板、模型庫與知識庫價建設(shè)，形成以數(shù)據(jù)底板為驅(qū)動、模型庫與知識庫為“大腦”，全面支撐水庫“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案），提高水庫精細化、智能化管理水平。

3.1.4 網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)安全達到等保二級要求，建設(shè)防火墻、漏洞掃描等功能模塊，完善涵蓋安全管理、安全運行的安全主動防御體系，全面提升安全威脅防御、發(fā)現(xiàn)和處置能力。

3.1.5 集成與共建共享

做好水庫環(huán)境集成與共建共享，充分考慮與水庫已有信息化系統(tǒng)、上級部門系統(tǒng)的集成與共享，并與水文、環(huán)保、氣象等部門實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.2 智能應(yīng)用

智能應(yīng)用系統(tǒng)框架包含綜合展示、防洪四預(yù)、水資源管理與調(diào)配、水庫運行管理。各單位可根據(jù)單位實際情況，構(gòu)建更多的態(tài)勢場景，充分利用地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感技術(shù)等技術(shù)，實現(xiàn)更多、更廣信息的獲取，構(gòu)建更多模型庫和知識庫，開發(fā)更符合本單位實際的應(yīng)用程序。

3.2.1 綜合展示

基于太河水庫數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建BIM+GIS的數(shù)字孿生平臺，對太河水庫的基礎(chǔ)信息、感知信息、社會經(jīng)濟信息、工程及區(qū)域信息、溢洪閘運行管理信息及其他信息進行綜合展示，進行相關(guān)信息的瀏覽和查詢，并對監(jiān)測動態(tài)信息進行分析。綜合信息服務(wù)提供各類基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、運維信息的綜合查詢服務(wù)；三維可視化服務(wù)提供在三維場景中的基礎(chǔ)功能應(yīng)包括旋轉(zhuǎn)、瀏覽、放大、縮小、指北針、頂視圖、平移、測量、剖切、底圖切換（地圖、影像與傾斜）、屬性查詢和圖層控制等功能。

3.2.2 防洪四預(yù)

建立以流域洪水預(yù)報、防洪預(yù)警、防洪預(yù)演、防洪預(yù)案等功能的水庫防洪四預(yù)系統(tǒng)，實現(xiàn)氣象水文耦合以及人機互動的同步仿真預(yù)演、動態(tài)優(yōu)化的精細數(shù)字預(yù)案，提高水庫防洪調(diào)度的自動化程度和管理水平，為工程安全度汛提供技術(shù)支持，確保水庫的安全高效運行。

流域洪水預(yù)報：利用數(shù)字孿生平臺提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和專業(yè)模型等對流域未來發(fā)生的洪水要素時空變化過程進行預(yù)測預(yù)報，傳統(tǒng)的要素預(yù)報向影響預(yù)報轉(zhuǎn)變；防洪預(yù)警：根據(jù)預(yù)報結(jié)果精準定位險情發(fā)生位置與范圍，及時把預(yù)警信息送達工作一線，將傳統(tǒng)的閾值預(yù)警轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險預(yù)警。對不同的預(yù)警對象，采取不同的形式和內(nèi)容，實現(xiàn)針對不同對象、不同時段、不同空間的風(fēng)險預(yù)警；防洪預(yù)演：對各種給定的調(diào)度目標、調(diào)度方案、邊界條件下的演進過程進行模擬仿真，前瞻預(yù)演工情、險情和災(zāi)情，制定和優(yōu)化調(diào)度方案。在平行空間，實現(xiàn)正向推演反向逆源，滿足虛實交互迭代優(yōu)化的要求。根據(jù)虛擬推演結(jié)果指導(dǎo)真實防洪措施，進而根據(jù)真實變化迭代進行虛擬推演，實現(xiàn)數(shù)字孿生水庫的虛擬互動；防洪預(yù)案：基于預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演過程，在多方案模擬仿真和影響評估的基礎(chǔ)上對洪水防御準備、監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、水利工程調(diào)度、大壩防守搶護、人員轉(zhuǎn)移安置等應(yīng)急處置措施方案進行分析和比選，自動推薦最優(yōu)方案，實現(xiàn)水庫防洪精準化決策支撐。

3.2.3 水資源管理與調(diào)配

建立面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的完整數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)水庫水資源自動化調(diào)度運行，提供優(yōu)化調(diào)度決策服務(wù)，通過對水庫來水量及數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化運行調(diào)度方案，與各用水單位調(diào)水系統(tǒng)建立互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)中心城區(qū)水資源的聯(lián)合調(diào)度。同時具備水庫水資源調(diào)配日常業(yè)務(wù)管理、水資源配置方案、應(yīng)急水量調(diào)度等功能，有目的地調(diào)節(jié)控制河流的天然來水，在保障水庫及下游防護目標安全前提下，充分發(fā)揮水庫的綜合利用效益。

3.2.4 水庫運行管理

通過智能運維管理系統(tǒng)的建設(shè)，建立、健全水庫工程管理信息化管理標準體系，借助數(shù)據(jù)建模、大數(shù)據(jù)、知識庫、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)水庫樞紐工程、水源地保護管理上包括監(jiān)測數(shù)據(jù)評估、安全隱患排查、巡查問題處理、防汛組織管理、運維方案決策、運行考核管理、工程綜合評價等多方面的功能。使得管理更加科學(xué)、有序、流暢。

4 結(jié)論

文章對從業(yè)務(wù)、功能方面對太河水庫數(shù)字孿生水庫建設(shè)的需求進行分析。結(jié)果表明數(shù)字孿生水庫建設(shè)十分必要。制定了太河水庫數(shù)字孿生水庫建設(shè)總體架構(gòu)及相關(guān)業(yè)務(wù)的智能應(yīng)用，數(shù)字孿生水庫建設(shè)促使水庫各層級業(yè)務(wù)間深度融合，推動水庫數(shù)字化全面轉(zhuǎn)型，對水庫各項業(yè)務(wù)流程進行重新構(gòu)建，充分利用新一代人工智能技術(shù)，不斷地進行自我優(yōu)化迭代，為水庫運行提供高效管理支撐。