張奇?zhèn)ィw樹(shù)成

(1.杭州華辰電力控制工程有限公司，浙江 杭州 311100；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

1 概況

陳蔡水庫(kù)位于諸暨市東南部，壩址位于浦陽(yáng)江支流開(kāi)化江上游東白湖鎮(zhèn)。距諸暨市27km，流域面積187km2，河長(zhǎng)17.5km。陳蔡水庫(kù)總庫(kù)容為1.15億m3(原設(shè)計(jì)1.164億m3)，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的大(2)型水利工程。

根據(jù)數(shù)字孿生水利工程總體目標(biāo)，本工程按照?qǐng)鼍叭采w的建模原則，結(jié)合管控范圍及管控精細(xì)度差異，從建設(shè)經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，進(jìn)行陳蔡水庫(kù)空間差異化建模(綜合應(yīng)用GIS、RS、傾斜攝影、BIM等技術(shù))，實(shí)現(xiàn)信息化數(shù)字資源化，滿足水庫(kù)精細(xì)化、元素化的數(shù)字化管理要求[2]。

2 陳蔡水庫(kù)總體分析

2.1 需求分析

針對(duì)本項(xiàng)目工程情況、項(xiàng)目特點(diǎn)及高層級(jí)需求，數(shù)字孿生水庫(kù)應(yīng)用需求主要集中在：

(1)搭建數(shù)字孿生工程場(chǎng)景，進(jìn)行信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立陳蔡水庫(kù)數(shù)字資產(chǎn)；

(2)全面梳理陳蔡水庫(kù)運(yùn)行管理工作事項(xiàng)，圍繞防洪、安全兩大核心業(yè)務(wù)進(jìn)行；

(3)開(kāi)發(fā)建設(shè)數(shù)字孿生水庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，供水庫(kù)管理方實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)運(yùn)行狀況。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

陳蔡數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)將依托省政府?dāng)?shù)字化改革“四橫四縱兩端”總體框架，作為浙江省數(shù)字孿生流域的一個(gè)下沉場(chǎng)景，以“天空地水一體化”感知體系為基礎(chǔ)，利用基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源和相關(guān)應(yīng)用支撐[3]，屬于“1+2+N”的浙江省數(shù)字孿生工程建設(shè)總體框架1個(gè)水利典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

3 陳蔡水庫(kù)建設(shè)思路

陳蔡數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用：

(1)搭建數(shù)字孿生工程場(chǎng)景

(2)提檔升級(jí)信息基礎(chǔ)設(shè)施

(3)建立水利工程數(shù)據(jù)底板

(4)構(gòu)建通用水利專業(yè)模型

(5)打造水利業(yè)務(wù)知識(shí)圖譜

(6)擴(kuò)展升級(jí)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

(7)完善網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)

(8)統(tǒng)籌軟硬件一體化集成

圖1 數(shù)字孿生工程技術(shù)架構(gòu)圖

3.1 搭建數(shù)字孿生工程場(chǎng)景

在水利部統(tǒng)建的數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)上，基于BIM+GIS技術(shù)構(gòu)建工程區(qū)域天空地水連續(xù)空間數(shù)據(jù)，打造工程L3級(jí)數(shù)據(jù)底版，為建立精細(xì)化水利數(shù)字孿生場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)支撐[4]。本次工程主要建筑物包括泄洪閘、引水閘、攔河壩、引水隧洞、電站廠房等，針對(duì)水庫(kù)周邊大場(chǎng)景進(jìn)行高精度遙感建模，并對(duì)水庫(kù)大壩及庫(kù)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，建立水利工程仿真三維模型，針對(duì)工程建設(shè)主體內(nèi)容及原壩址區(qū)域進(jìn)行BIM模型的建設(shè)，運(yùn)用三維融合技術(shù)將遙感模型、BIM模型進(jìn)行無(wú)縫集成，為工程數(shù)字孿生及智慧水庫(kù)建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?；贕IS技術(shù)，在高精度立體遙感影像的基礎(chǔ)上，構(gòu)建陳蔡水庫(kù)周邊大場(chǎng)景，建立包含以陳蔡水庫(kù)工程為主體的流域范圍(187km2)以及方圓不小于10km2周邊的1∶1實(shí)體的三維立體虛擬空間。

3.2 提檔升級(jí)信息基礎(chǔ)設(shè)施

從陳蔡水庫(kù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，充分利用物聯(lián)感知技術(shù)，構(gòu)建立體感知體系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，搭建安全高效的物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制[5]，如水雨情監(jiān)測(cè)鏈路如圖2所示。

圖2 水雨情監(jiān)測(cè)鏈路

3.3 建立陳蔡水庫(kù)數(shù)據(jù)底板

陳蔡水庫(kù)數(shù)字孿生建設(shè)依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建設(shè)工程自身數(shù)據(jù)底板，具體包括：

(1)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)

陳蔡水庫(kù)壩區(qū)及庫(kù)區(qū)大場(chǎng)景數(shù)字地形DSM格網(wǎng)尺寸為0.5m；平地高程中誤差0.37m，丘陵高程中誤差0.75m；山地高程精度中誤差1.05m；高山高程精度中誤差1.5m；DOM地面分辨率優(yōu)于0.1m；平面精度不低于0.3m；數(shù)字正射影像圖與相鄰影像圖接邊誤差不應(yīng)大于1個(gè)像元?；跓o(wú)人船等測(cè)量技術(shù)，在高精度立體影像的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了陳蔡水庫(kù)水下地形空間范圍，完整地表現(xiàn)出工程水下地形附近的真實(shí)地理環(huán)境，包含了水體、地形、淤泥等，實(shí)體側(cè)面紋理可見(jiàn)。

(2)遙感影像

按照一般工程傾斜遙感設(shè)計(jì)要求，工程庫(kù)區(qū)及水庫(kù)運(yùn)行下游影響區(qū)宜采用無(wú)人機(jī)獲取優(yōu)于20cm精度的傾斜攝影，壩區(qū)宜采用無(wú)人機(jī)獲取優(yōu)于10cm精度的傾斜攝影[6]。陳蔡水庫(kù)項(xiàng)目中，傾斜航攝系統(tǒng)的下視影像航向重疊度高于80%，旁向重疊度高于80%；飛行航高保證獲取的建模區(qū)域傾斜影像的空間分辨率3cm，外圍非建模區(qū)域傾斜影像的空間分辨率在8cm，均高于浙江省相關(guān)要求。

(3)BIM數(shù)據(jù)

陳蔡水庫(kù)BIM模型創(chuàng)建主要包括攔河壩(主壩、副壩及原非常溢洪道改建的副壩)、泄洪閘、輸水放空洞、新建輸水建筑物、泄洪渠、電站廠房、管理區(qū)建筑物等。工程主體及附屬建筑物各專業(yè)構(gòu)件精度均按照LOD300創(chuàng)建，不包括鋼筋、永久縫、止水等細(xì)部結(jié)構(gòu)，其中機(jī)電及金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)主要設(shè)備構(gòu)件精度部分參照LOD400，錄入主要的維保信息。

(4)其他數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)等，根據(jù)業(yè)務(wù)需要集成到地理空間數(shù)據(jù)上，如將移民、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)集成到遙感影像，將機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成到構(gòu)件級(jí)模型單元，根據(jù)業(yè)務(wù)需要選取適宜的時(shí)間跨度進(jìn)行數(shù)據(jù)同步更新。

3.4 構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)專業(yè)模型

針對(duì)陳蔡水庫(kù)構(gòu)建水文預(yù)報(bào)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度，集成預(yù)報(bào)降雨成果，延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期[6]，陳蔡水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度系統(tǒng)主要包括洪水預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)和水資源調(diào)配系統(tǒng)。

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用科學(xué)合理的預(yù)報(bào)模型，提供可靠有效的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，提供人機(jī)交互的手段，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷設(shè)定或修改相關(guān)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水情、工情模擬仿真，將工程整體防洪形勢(shì)展示在決策者面前，如圖3所示。

圖3 陳蔡水庫(kù)預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)界面

3.5 打造安全監(jiān)測(cè)知識(shí)圖譜

建立陳蔡水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)知識(shí)圖譜，分析監(jiān)測(cè)對(duì)象關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體抽取、關(guān)系抽取、屬性抽取，構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)圖譜。

3.6 擴(kuò)展升級(jí)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

基于人工智能技術(shù)，建立一套AI圖像識(shí)別能力，一套集數(shù)據(jù)標(biāo)注、算法訓(xùn)練、應(yīng)用部署的端到端的整體系統(tǒng)[7]。陳蔡水庫(kù)AI智能識(shí)別以水庫(kù)周邊視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船為信息感知入口，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像經(jīng)過(guò)后臺(tái)AI智能服務(wù)器分析，將庫(kù)水面漂浮物、挖泥船、庫(kù)區(qū)人員活動(dòng)、車輛活動(dòng)等信息進(jìn)行7×24h全天候的分析、報(bào)警。

3.7 完善網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)

陳蔡水庫(kù)工程數(shù)據(jù)中心主要部署在諸暨市大數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備部署總體方案為：控制區(qū)獨(dú)立組網(wǎng)，且物理隔離，暫不配置安全設(shè)備；管理網(wǎng)區(qū)邊界防火墻、上網(wǎng)行為管理等部署在管理房，其他安全設(shè)備、安全措施等按需租用大數(shù)據(jù)中心相關(guān)服務(wù)[8]。

3.8 統(tǒng)籌軟硬件一體化集成

在工程內(nèi)部軟硬件、數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，做好門戶一體化集成，分別定制大屏、桌面端、移動(dòng)端應(yīng)用效果，按照用戶權(quán)限配置相應(yīng)功能應(yīng)用。通過(guò)本次數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)業(yè)務(wù)流程集成、完成業(yè)務(wù)線上與線下相統(tǒng)一，支持在線開(kāi)展業(yè)務(wù)、工程資料整編、流程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)生成報(bào)表等功能。陳蔡未來(lái)數(shù)字孿生水庫(kù)大屏見(jiàn)圖4。

圖4 陳蔡數(shù)字孿生水庫(kù)

4 結(jié)語(yǔ)

陳蔡數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)符合水利部智慧水利總體要求，以運(yùn)管業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，融合智慧物聯(lián)、數(shù)字模型、大數(shù)據(jù)分析、AI智能等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程全自動(dòng)物聯(lián)感知覆蓋、工程業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、工程運(yùn)行維護(hù)聯(lián)動(dòng)、上下級(jí)業(yè)務(wù)協(xié)同4大目標(biāo)，可為水利行業(yè)數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)提供借鑒和參考，同時(shí)本次數(shù)字孿生水庫(kù)應(yīng)用仍存在一定不足，比如AI智能分析場(chǎng)景有限，針對(duì)人員、車輛、漂浮物具有較好效果，對(duì)于釣魚(yú)、游泳等其他場(chǎng)景還需進(jìn)一步探索；洪水預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)及工程安全監(jiān)測(cè)模型仍需進(jìn)一步優(yōu)化，本項(xiàng)目數(shù)字孿生建設(shè)中模型因?yàn)閿?shù)據(jù)量不足等問(wèn)題導(dǎo)致模型精度不夠，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度仍需進(jìn)一步提高。