盧金友，王志宏

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410000)

1 研究背景

當(dāng)前，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)的逐步成熟，“智慧水利”正在從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，水利信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展正迎來新的窗口期，推動(dòng)水利發(fā)展向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變的技術(shù)條件已經(jīng)具備[1-2]。水利部黨組高度重視智慧水利建設(shè)，將其作為推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六大實(shí)施路徑之一以及新階段水利高質(zhì)量發(fā)展最顯著的標(biāo)志之一，水利部部長(zhǎng)李國(guó)英親自布局頂層設(shè)計(jì)，要求按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，構(gòu)建數(shù)字孿生流域，并提出加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的智慧水利體系[3-4]。數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心，是提升國(guó)家水安全保障能力的重要支撐，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生流域的重要組成部分，也是數(shù)字孿生流域建設(shè)的切入點(diǎn)和突破點(diǎn)[5-8]。

數(shù)字孿生江埡皂市為“十四五”期間首批重點(diǎn)水利工程數(shù)字孿生建設(shè)項(xiàng)目之一。開展數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)，圍繞江埡、皂市工程運(yùn)行管理需求，在已有信息化基礎(chǔ)設(shè)施和已建應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)，完善工程數(shù)據(jù)底板，建設(shè)數(shù)字孿生平臺(tái)，提升信息化基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建智能業(yè)務(wù)應(yīng)用，建成物理空間與數(shù)字空間互饋的數(shù)字孿生水利工程體系，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程與物理工程的同步仿真運(yùn)行，支撐江埡皂市工程安全與調(diào)度運(yùn)行，保障江埡、皂市等水工程安全高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高水庫(kù)管理能力，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展和智慧水利建設(shè)提供有力支撐。

2 流域及工程概況

澧水為洞庭湖四大水系之一， 澧水流域河流密布， 支流眾多， 干流有南、 中、 北三源， 以北源為主干， 發(fā)源于桑植縣杉木界， 在桑植縣南岔以上會(huì)合， 流經(jīng)桑植、 大庸、 慈利、 石門、 澧縣、 津市6個(gè)縣市。 澧水沿途接納溇水、 渫水和道水等支流， 至津市小渡口注入洞庭湖。 一般稱河源至桑植縣城為上游，桑植至石門為中游， 石門至小渡口為下游。 小渡口以上干流全長(zhǎng)388 km，落差1 439 m，流域面積18 583 km2，占洞庭湖水系總集雨面積的7.1%。澧水流域示意圖見圖1。

圖1 澧水流域示意圖Fig.1 Map of the Lishui River Basin

澧水既是洞庭湖四水中干流長(zhǎng)度最短、流域面積最小的河流，也是洪水漲落最快、洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的河流之一[9]。江埡、皂市水庫(kù)分別位于澧水流域的支流溇水、渫水之上。溇水、渫水是典型的雨洪河流，暴雨強(qiáng)度大、面積廣，洪水過程陡漲陡落。江埡、皂市水庫(kù)的控制流域面積占澧水總流域面積的37%，防洪庫(kù)容占預(yù)留總防洪庫(kù)容的86%，是澧水控制性防洪工程，為保障澧水下游尾閭地區(qū)和洞庭湖的防洪安全，起到關(guān)鍵性作用[10]。

江埡水利樞紐主要由大壩、右岸地下電站廠房、左岸岸邊通航建筑物及灌溉渠首工程等建筑物組成。大壩及臨庫(kù)擋水建筑為一級(jí)建筑物，發(fā)電廠房為二級(jí)建筑物，其它為三級(jí)建筑物。大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，壩頂高程245 m，大壩全長(zhǎng)368 m，最大壩高131 m，壩頂寬12 m，共分為13個(gè)壩段，泄洪建筑物布置于大壩5#—7#溢流壩段。發(fā)電廠房位于右岸壩頭的山體內(nèi)。通航建筑物位于大壩左岸，灌溉取水口設(shè)置在大壩10#壩段。

皂市水利樞紐工程主要由大壩、消力池、右岸壩后式電站廠房等建筑物組成。大壩、泄洪建筑物為一級(jí)建筑物，電站廠房、消能建筑物為三級(jí)建筑物。大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程148 m，全長(zhǎng)351 m，最大壩高88 m，共分18個(gè)壩段，7#—12#壩段為溢流壩段。電站廠房布置在大壩右岸，左岸灌溉取水口布置在4#壩段，右岸灌溉取水口設(shè)在17#壩段。

3 信息系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的差距

近年來，江埡皂市水利工程圍繞工程安全、運(yùn)行調(diào)度、電力生產(chǎn)、庫(kù)區(qū)巡查等業(yè)務(wù)需要，陸續(xù)建成了大壩安全監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化系統(tǒng)、水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電力生產(chǎn)管理系統(tǒng)、庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)與綜合管理系統(tǒng)、單點(diǎn)登錄系統(tǒng)等一系列自動(dòng)化及信息化系統(tǒng)，初步形成了信息化支撐的業(yè)務(wù)平臺(tái)體系，有效提高了電站生產(chǎn)運(yùn)行管理水平。

然而，江埡皂市水利工程總體上還處于智慧水利建設(shè)的起步階段[11]，對(duì)標(biāo)數(shù)字孿生工程建設(shè)技術(shù)要求，現(xiàn)有信息化建設(shè)仍存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)監(jiān)測(cè)感知體系范圍和監(jiān)測(cè)要素內(nèi)容不全面，需要進(jìn)一步升級(jí)。具體體現(xiàn)在：工程水雨情遙測(cè)站點(diǎn)不多、分析處理水平不足；皂市大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)已運(yùn)行10余年，物聯(lián)采集感知能力存在短板；視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要提檔升級(jí)，現(xiàn)有監(jiān)控點(diǎn)位密度不足，高清攝像機(jī)分布較少；監(jiān)測(cè)感知新技術(shù)應(yīng)用有限，基于新技術(shù)開展水利對(duì)象的特征屬性監(jiān)測(cè)還不夠全面。

(2)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分散在業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，尚未建成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源池，數(shù)據(jù)資源整合需要進(jìn)一步深化；亟需在數(shù)字孿生框架下建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)資源池，分級(jí)構(gòu)建數(shù)據(jù)底板，形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)匯集、治理、挖掘體系和數(shù)據(jù)資源利用機(jī)制。

(3)現(xiàn)有的水利專業(yè)模型類型不夠全面，尚缺失水動(dòng)力、防洪調(diào)度、工程安全預(yù)警等模型支持，專業(yè)模型“串聯(lián)”“并聯(lián)”等聯(lián)合運(yùn)用存在著短板；知識(shí)庫(kù)業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐水平存在明顯弱項(xiàng)，模型庫(kù)知識(shí)庫(kù)需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)相關(guān)的信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體上還處于智慧水利起步階段，與水利部打造數(shù)字孿生工程的要求相比，業(yè)務(wù)應(yīng)用智能水平需要進(jìn)一步提升。

(5)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)仍存在著安全隱患，目前的等級(jí)保護(hù)體系在對(duì)抗大規(guī)模有組織的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊仍面臨安全風(fēng)險(xiǎn)，網(wǎng)絡(luò)安全防控體系和防護(hù)水平需要進(jìn)一步完善。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)數(shù)字孿生江埡皂市，以工程安全運(yùn)行、管理能力提高、綜合效益提升的實(shí)際需求為導(dǎo)向，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)為支撐，通過開展信息化基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造、數(shù)字底板建設(shè)、模型庫(kù)與知識(shí)庫(kù)建設(shè)、智能應(yīng)用體系建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)安全體系與運(yùn)行保障體系建設(shè)，初步建成需求驅(qū)動(dòng)、實(shí)用先進(jìn)、安全可靠的數(shù)字孿生江埡皂市，通過“1個(gè)孿生平臺(tái)、5個(gè)智能應(yīng)用、3項(xiàng)數(shù)字賦能”實(shí)現(xiàn)保證工程安全穩(wěn)定、提高工程管理能力、提升工程綜合效益的建設(shè)目標(biāo)，為長(zhǎng)江流域數(shù)字孿生工程建設(shè)起到典型示范作用。其中，2023年數(shù)字孿生江埡皂市初見成效，2025年數(shù)字孿生江埡皂市全面完成。

1個(gè)孿生平臺(tái)，是指以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、專業(yè)模型、人工智能、三維可視化等技術(shù)為支撐，開展信息基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造，建設(shè)數(shù)據(jù)底板，建立知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)，形成數(shù)字孿生江埡皂市平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程與物理工程同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互和迭代優(yōu)化。

5個(gè)智能應(yīng)用，是指在數(shù)字孿生江埡皂市平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查、綜合決策支持5個(gè)重點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，建成具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生工程體系。

3項(xiàng)數(shù)字賦能，是指通過數(shù)字孿生江埡皂市的深度應(yīng)用，保障工程安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升工程運(yùn)行管理能力、發(fā)揮工程綜合效益，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)有力的示范引領(lǐng)和支撐驅(qū)動(dòng)。

4.2 建設(shè)任務(wù)

數(shù)字孿生江埡皂市主要建設(shè)任務(wù)包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造、數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，以及保障體系與網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)。其中，數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)包括數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、孿生引擎。具體建設(shè)任務(wù)如下：

(1)信息化基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)。結(jié)合江埡皂市電站現(xiàn)階段在監(jiān)測(cè)感知體系的短板與痛點(diǎn)問題，重點(diǎn)開展水雨情遙測(cè)系統(tǒng)升級(jí)、大壩安全監(jiān)測(cè)采集設(shè)備提檔、視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造等方面的工作，補(bǔ)足工程管理工作中的信息監(jiān)測(cè)短板；整合江埡皂市電站監(jiān)測(cè)感知資源，建立電站數(shù)據(jù)分中心；完善計(jì)算存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全等信息化基礎(chǔ)設(shè)施。

(2)數(shù)據(jù)底板建設(shè)。整合長(zhǎng)江水利委員會(huì)、湖南省水利廳，以及澧水公司、江埡電站、皂市電站已有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)，重點(diǎn)開展傾斜攝影、DOM(數(shù)字正射模型)、DEM(數(shù)字高程模型)、水下地形數(shù)據(jù)等現(xiàn)場(chǎng)采集與工程BIM(建筑信息模型)，形成多維多尺度數(shù)據(jù)底板，完成各類數(shù)據(jù)的匯聚、治理等工作。

(3)模型庫(kù)與知識(shí)庫(kù)建設(shè)。建設(shè)防洪興利調(diào)度、工程安全分析預(yù)警等兩大類水利專業(yè)模型，以及智能識(shí)別模型和可視化模型；建設(shè)預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)、工程安全知識(shí)庫(kù)、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)等知識(shí)庫(kù)。

(4)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。在數(shù)字孿生工程數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，結(jié)合模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)成果，充分利用現(xiàn)有信息系統(tǒng)，在孿生引擎的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)揮數(shù)字孿生水利工程的數(shù)字化映射、智能化模擬、精準(zhǔn)化決策作用，以江埡、皂市工程為核心目標(biāo)，建設(shè)工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查、綜合決策支持5項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，并結(jié)合工程管理的實(shí)際需求持續(xù)擴(kuò)展和升級(jí)完善。

(5)系統(tǒng)集成與部署。建立江埡、皂市電站分中心，部署數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)推送以及本地化數(shù)據(jù)查詢服務(wù)；基于湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限公司長(zhǎng)沙總部的虛擬化服務(wù)資源，部署數(shù)字孿生江埡皂市平臺(tái)，按照單點(diǎn)登錄集成規(guī)范與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

(6)運(yùn)行保障體系。制定數(shù)字孿生江埡皂市在建設(shè)期和運(yùn)維期的關(guān)于數(shù)據(jù)管理、模型管理、算力資源管理、軟件集成、門戶集成、運(yùn)行維護(hù)等方面的管理制度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(7)網(wǎng)絡(luò)安全體系。遵循“安全、實(shí)用”原則，建立和完善全要素信息安全技術(shù)體系、全方位信息安全管理體系和全過程閉環(huán)信息安全運(yùn)營(yíng)體系，提高數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力。

4.3 總體框架

數(shù)字孿生江埡皂市的整體框架包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和運(yùn)行保障體系五大部分，可實(shí)現(xiàn)江埡皂市工程的物理實(shí)體與數(shù)字孿生體之間的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)結(jié)合、迭代優(yōu)化，以及對(duì)工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查、綜合決策支持等業(yè)務(wù)的有效支撐?？傮w框架如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生江埡皂市總體框架Fig.2 Framework of digital twin of Jiangya and Zaoshi water conservancy project

5 建設(shè)內(nèi)容

5.1 搭建數(shù)字孿生平臺(tái)

數(shù)字孿生江埡皂市平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和孿生引擎四部分。

5.1.1 數(shù)據(jù)底板

在共享水利部本級(jí)L1級(jí)數(shù)據(jù)底板、 澧水流域L2-1級(jí)數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上， 集成水利一張圖、 數(shù)字孿生澧水等數(shù)據(jù)， 基于BIM+GIS、 傾斜攝影測(cè)量等技術(shù)， 建設(shè)江埡皂市工程L2-2和L3級(jí)數(shù)據(jù)底板， 整合多數(shù)據(jù)源接入、自動(dòng)化數(shù)據(jù)萃取、 分布數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)， 匯聚江埡皂市工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、 地理空間數(shù)據(jù)、 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、 業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)等水利全要素信息， 搭建數(shù)字孿生場(chǎng)景， 展現(xiàn)江埡皂市工程全貌和水工程運(yùn)行狀態(tài)， 完成水利工程物理實(shí)體與數(shù)字孿生體的鏡像化描述， 構(gòu)建工程多時(shí)態(tài)、 全要素地理空間數(shù)字化映射。 數(shù)據(jù)底板建設(shè)范圍見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)底板建設(shè)范圍Fig.3 Construction scope of the data backplane for the Jiangya and Zaoshi project

5.1.2 模型庫(kù)

在共享水利部本級(jí)、流域管理機(jī)構(gòu)各類計(jì)算模型或計(jì)算成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水利專業(yè)模型、智能識(shí)別模型及可視化模型，支撐工程優(yōu)化調(diào)度、安全監(jiān)測(cè)等智慧化模擬。

其中， 水利專業(yè)模型主要包括防洪興利模型庫(kù)和工程安全模型， 見表1。 防洪興利模型庫(kù)基于江埡、 皂市工程防洪調(diào)度的需求， 通過完善或開發(fā)水文模型、 水動(dòng)力模型、 水庫(kù)防洪調(diào)度模型、 水庫(kù)發(fā)電調(diào)度模型、 潰堤模型及防洪風(fēng)險(xiǎn)與效益評(píng)估模型， 支撐水庫(kù)防洪興利智能預(yù)報(bào)調(diào)度， 實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)匯流—調(diào)度—演進(jìn)—評(píng)估”全過程模擬， 通過各種防洪興利模型的組件式耦合， 實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景靈活構(gòu)建及預(yù)演快速計(jì)算。 工程安全模型針對(duì)江埡、 皂市工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 結(jié)合長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)資料， 以環(huán)境量為自變量， 以變形、 滲流、 應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)效應(yīng)量為因變量， 基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法， 構(gòu)建工程安全監(jiān)測(cè)分析模型， 定量分析工程關(guān)鍵效應(yīng)量的變化規(guī)律， 并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)； 基于置信區(qū)間與典型小概率法擬定監(jiān)控指標(biāo)， 并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警； 同時(shí)， 建立基于多源信息融合的大壩安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系， 構(gòu)建江埡、 皂市工程安全狀態(tài)綜合診斷模型， 提升工程安全評(píng)價(jià)與在線監(jiān)控能力， 為工程安全運(yùn)行提供決策支持。

表1 江埡皂市數(shù)字孿生平臺(tái)水利專業(yè)模型庫(kù)Table 1 Model library of water conservancy profession for the digital twin platform of Jiangya and Zaoshi project

智能識(shí)別模型充分利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、視頻識(shí)別等智能技術(shù)，研發(fā)河湖四亂(亂占、亂采、亂堆、亂建)遙感AI識(shí)別模型、基于人工智能的高精度水尺視頻圖像識(shí)別模型、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的水面漂浮物視頻圖像智能識(shí)別模型、基于時(shí)間序列數(shù)據(jù)記憶性的徑流預(yù)報(bào)智能模型和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大壩安全智能分析模型等。

可視化模型以BIM、GIS、VR/AR/MR等技術(shù)為支撐，構(gòu)建多尺度、多維度可視化模型，滿足數(shù)字孿生工程仿真模擬等需要。

5.1.3 知識(shí)庫(kù)

在共享水利部、長(zhǎng)江水利委員會(huì)相關(guān)知識(shí)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，梳理江埡皂市水利工程相關(guān)知識(shí)對(duì)象，建設(shè)以工程安全和防洪興利調(diào)度為主體的知識(shí)庫(kù)，通過對(duì)水利知識(shí)的建模、抽取、存儲(chǔ)和融合等技術(shù)，構(gòu)建預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)、工程安全知識(shí)庫(kù)、業(yè)務(wù)規(guī)則庫(kù)，為工程安全、防洪興利調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供智能化基礎(chǔ)支撐。

5.1.4 孿生引擎

構(gòu)建數(shù)字孿生引擎，通過模擬仿真引擎、知識(shí)引擎、數(shù)據(jù)引擎等方式，將數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)與知識(shí)庫(kù)的信息有效地融合，在數(shù)字化場(chǎng)景中驅(qū)動(dòng)工程孿生運(yùn)行。數(shù)據(jù)引擎主要由數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務(wù)組成，通過數(shù)據(jù)治理實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生江埡皂市工程的數(shù)據(jù)裝載、檢查、管理功能，通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與管控；知識(shí)引擎以管理和驅(qū)動(dòng)工程知識(shí)數(shù)據(jù)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)語義提取、知識(shí)推理、知識(shí)更新、集成應(yīng)用等服務(wù)能力。模擬仿真引擎分為模型引擎和仿真引擎兩部分，模型引擎主要驅(qū)動(dòng)模型庫(kù)的參數(shù)率定、版本管理、加載調(diào)用和迭代升級(jí)等功能；仿真引擎以數(shù)據(jù)底板為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字孿生三維建模成果，實(shí)現(xiàn)江埡皂市工程全場(chǎng)景要素可視化表達(dá)、實(shí)時(shí)三維渲染、空間分析、業(yè)務(wù)模擬仿真等功能。

5.2 完善信息化基礎(chǔ)設(shè)施

水利信息基礎(chǔ)設(shè)施是提升“算力”的基礎(chǔ)。主要包括水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云三部分。

水利感知網(wǎng)。針對(duì)江埡水電站和皂市水電站在水利感知體系存在的短板與問題，數(shù)字孿生江埡皂市根據(jù)“急用先建、分步實(shí)施”的建設(shè)原則，從雨水情監(jiān)測(cè)、工程安全監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控3個(gè)方面對(duì)感知體系進(jìn)行升級(jí)改造，重點(diǎn)解決江埡皂市工程運(yùn)行管理過程中的短板問題，提高調(diào)度精度，強(qiáng)化工程安全。

水利信息網(wǎng)。結(jié)合先行先試階段工作的實(shí)際情況，江埡電站、皂市電站到長(zhǎng)沙總部之間的視頻寬帶為100 M，江埡水電站和皂市水電站的發(fā)電機(jī)組、閘門控制設(shè)施部署在網(wǎng)絡(luò)安全Ⅰ區(qū)，初步滿足數(shù)字孿生水利工程建設(shè)要求。

水利云。結(jié)合江埡皂市水電站擬開展的雨水情遙測(cè)系統(tǒng)升級(jí)、工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造和視頻監(jiān)控系統(tǒng)改造，新購(gòu)置數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采購(gòu)國(guó)產(chǎn)化服務(wù)器硬件，并組建虛擬化服務(wù)器集群。針對(duì)湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限公司長(zhǎng)沙總部，將對(duì)現(xiàn)有的機(jī)房環(huán)境進(jìn)行升級(jí)改造，擴(kuò)展計(jì)算資源與存儲(chǔ)資源，形成長(zhǎng)沙數(shù)據(jù)中心，部署數(shù)字孿生平臺(tái)與各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。

5.3 構(gòu)建智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

基于數(shù)字孿生江埡皂市平臺(tái)及信息化基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查、綜合決策支持5個(gè)重點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(1)工程安全分析預(yù)警。在已建成的江埡皂市大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)以及湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限公司大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺(tái)，開展工程安全智能分析預(yù)警應(yīng)用建設(shè)，實(shí)現(xiàn)大壩安全信息采集、存儲(chǔ)、處理、分析、監(jiān)控及預(yù)警全生命周期業(yè)務(wù)應(yīng)用；同時(shí)，開展工程安全“四預(yù)”功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)預(yù)測(cè)、在線監(jiān)控預(yù)警、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)演和預(yù)案智能響應(yīng)，提升大壩安全保障能力，為工程安全管理及調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

(2)防洪興利調(diào)度。統(tǒng)籌考慮防洪安全、發(fā)電興利等需求，根據(jù)工程防洪、發(fā)電、生態(tài)等調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建數(shù)字化場(chǎng)景，強(qiáng)化防洪“四預(yù)”等功能，支撐水庫(kù)防洪興利智能預(yù)報(bào)調(diào)度，保障水庫(kù)防洪安全，提升水庫(kù)調(diào)度效率。防洪調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用主要包括專題管理、洪水預(yù)報(bào)、防洪預(yù)警、防洪預(yù)演、防洪預(yù)案等5個(gè)大功能模塊。在“四預(yù)”能力的支撐下，一方面根據(jù)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)物理工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控或優(yōu)化調(diào)度方案，另一方面依據(jù)實(shí)時(shí)采集的物理工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)空間數(shù)據(jù)來完善數(shù)字工程的仿真算法，從而對(duì)物理工程的后續(xù)運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)度提供更加精準(zhǔn)的決策支持，最終確保水利決策方案的科學(xué)性、有效性和指導(dǎo)性。發(fā)電調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用從溇水、渫水支流水能資源優(yōu)化利用出發(fā)，考慮防洪、灌溉、生態(tài)等綜合利用要求，結(jié)合多尺度入庫(kù)水量預(yù)報(bào)(對(duì)于江埡水電站考慮上游江坪河下泄流量和區(qū)間入庫(kù)徑流預(yù)測(cè)信息)，建立江埡、皂市水電站發(fā)電調(diào)度模型，制定電站長(zhǎng)中短期多尺度調(diào)度計(jì)劃方案，充分發(fā)揮水電站及水庫(kù)的作用及功能，為電站發(fā)電調(diào)度提供技術(shù)支撐。功能具體分為基礎(chǔ)信息管理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息管理、年發(fā)電計(jì)劃編制、月發(fā)電計(jì)劃編制、日發(fā)電計(jì)劃編制、電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化分配、發(fā)電調(diào)度方案評(píng)價(jià)和發(fā)電調(diào)度方案管理，為發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)部門提供方案決策支撐。

(3)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理。按照水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，在生產(chǎn)管理、內(nèi)部管理等已有系統(tǒng)或功能的基礎(chǔ)上，按照工程管理單位相關(guān)管理制度規(guī)定，突出不同業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同，打造智慧綜合管理系統(tǒng)，促進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，支撐水利工程標(biāo)準(zhǔn)化、智慧化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

(4)庫(kù)區(qū)巡查。在庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)及管理信息系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，整合運(yùn)用視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航飛等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)河湖四亂識(shí)別、庫(kù)區(qū)巡查、問題處置全流程管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提高庫(kù)區(qū)智能化管理水平。

(5)綜合決策支持。以數(shù)字孿生江埡皂市的數(shù)字化場(chǎng)景為基礎(chǔ)，融合數(shù)據(jù)底板中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建工程全景可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程管理綜合決策支持業(yè)務(wù)應(yīng)用。結(jié)合江埡水利樞紐工程和皂市水利樞紐工程防洪、發(fā)電、生態(tài)供水的調(diào)度業(yè)務(wù)，統(tǒng)籌自身運(yùn)行調(diào)度過程中的管理決策需求，以日常會(huì)商決策和應(yīng)急指揮調(diào)度2個(gè)模塊支撐綜合會(huì)商決策。

5.4 強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全體系

根據(jù)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)政策要求，遵循水利網(wǎng)絡(luò)安全頂層設(shè)計(jì)，建立和完善以縱深防御為基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)預(yù)警為核心、應(yīng)急響應(yīng)為抓手的全要素信息安全技術(shù)體系，涵蓋管理制度、管理機(jī)構(gòu)、管理人員在內(nèi)的全方位信息安全管理體系，貫穿運(yùn)營(yíng)構(gòu)架、威脅防護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、安全事件分析、安全應(yīng)急響應(yīng)處置、威脅預(yù)防的全過程閉環(huán)信息安全運(yùn)營(yíng)體系，全方位提升數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)安全保障能力。

數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)期內(nèi)，根據(jù)數(shù)字孿生水利工程“同步規(guī)劃、同步建設(shè)、同步運(yùn)行”的“三同步”要求，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全體系基礎(chǔ)上，主要建設(shè)內(nèi)容包括提升核心網(wǎng)絡(luò)冗余能力、優(yōu)化分區(qū)分域安全架構(gòu)、完善網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)維管理制度。

5.5 健全運(yùn)行保障體系

按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”原則，參考引用水利部、長(zhǎng)江水利委員會(huì)、湖南省等相關(guān)行業(yè)與地方標(biāo)準(zhǔn)，在本項(xiàng)目建設(shè)單位已有的項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)管理制度基礎(chǔ)上，梳理、編制數(shù)字孿生江埡皂市在建設(shè)期和運(yùn)維期的管理制度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

管理制度方面，需結(jié)合采集制作的大量?jī)A斜攝影、DEM、DOM和BIM模型，以及搜集整理的各類數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理辦法，提高數(shù)據(jù)使用效能；根據(jù)數(shù)字孿生江埡皂市的網(wǎng)絡(luò)安全要求，圍繞系統(tǒng)的建設(shè)與使用等環(huán)節(jié)建立網(wǎng)絡(luò)安全管理辦法；針對(duì)數(shù)字孿生江埡皂市多層級(jí)用戶類型和權(quán)限職責(zé)，建立平臺(tái)運(yùn)行管理辦法；針對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要，建立平臺(tái)維護(hù)管理辦法。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，結(jié)合海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合以及定期更新的實(shí)際應(yīng)用需求，建立數(shù)據(jù)底板標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)采集規(guī)范、數(shù)據(jù)接入規(guī)范、數(shù)據(jù)處理規(guī)范、數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范等；數(shù)字孿生江埡皂市使用的水利專業(yè)模型類別多、數(shù)量多，需建立專業(yè)模型標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以統(tǒng)一各類模型的輸入輸出接口、管理與調(diào)用方式，實(shí)現(xiàn)模型的組件式耦合，支撐多場(chǎng)景靈活構(gòu)建及預(yù)演快速計(jì)算；結(jié)合數(shù)字孿生江埡皂市的系統(tǒng)性與復(fù)雜性，建立硬件集成、軟件集成、門戶集成等系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

5.6 實(shí)現(xiàn)成果共建共享

共建共享是解決“信息孤島”、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同的必由之路[12]。數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)擬實(shí)現(xiàn)與水利部、長(zhǎng)江水利委員會(huì)、湖南省水利廳之間數(shù)字孿生平臺(tái)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。

數(shù)字孿生江埡皂市的主要共建對(duì)象為數(shù)字孿生長(zhǎng)江、數(shù)字孿生澧水。主要共建任務(wù)包括3個(gè)方面：一是數(shù)字孿生平臺(tái)，二是信息化基礎(chǔ)設(shè)施，三是業(yè)務(wù)應(yīng)用。其中，數(shù)字孿生平臺(tái)的共建任務(wù)包括數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)；信息化基礎(chǔ)設(shè)施包括水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)、水利云；業(yè)務(wù)應(yīng)用包括防洪興利調(diào)度、庫(kù)區(qū)巡查等業(yè)務(wù)。

數(shù)字孿生江埡皂市的主要共享對(duì)象為數(shù)字孿生長(zhǎng)江、湖南水利一張圖。針對(duì)不同數(shù)據(jù)和模型成果，采用數(shù)據(jù)庫(kù)接口、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)文件、組件服務(wù)或應(yīng)用服務(wù)等方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生江埡皂市與水利部、流域管理機(jī)構(gòu)、省級(jí)水利部門管理的外部系統(tǒng)之間的基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用的共享。

數(shù)字孿生江埡皂市與外部系統(tǒng)的共建共享架構(gòu)見圖4。

圖4 數(shù)字孿生江埡皂市共建共享總體架構(gòu)Fig.4 Framework of co-construction and sharing for the digital twin of Jiangya and Zaoshi project

6 預(yù)期成果

通過數(shù)字孿生江埡皂市先行先試建設(shè)，開展技術(shù)攻關(guān)，可在產(chǎn)品成果、技術(shù)成果和標(biāo)準(zhǔn)制度成果三個(gè)方面形成具有代表性的亮點(diǎn)成果。首先，研發(fā)的通用化工程安全智能分析預(yù)警技術(shù)與平臺(tái)，可為流域水利工程安全在線監(jiān)控及預(yù)測(cè)預(yù)警提供技術(shù)支撐；構(gòu)建的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用，綜合考慮了水工維護(hù)、電力運(yùn)行、安全生產(chǎn)、水利工程標(biāo)準(zhǔn)化等內(nèi)容，能夠?yàn)楣こ躺a(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供示范參考。其次，研發(fā)一系列國(guó)產(chǎn)自主可控的多尺度、多維度、高精度、高效率的水利專業(yè)模型,可耦合的組件式模型及其構(gòu)建技術(shù)，支持實(shí)現(xiàn)防洪多場(chǎng)景靈活構(gòu)建、在線快速計(jì)算，可為實(shí)現(xiàn)防洪“預(yù)演”功能提供算法支撐，經(jīng)過本項(xiàng)目的應(yīng)用驗(yàn)證后，形成通用水利專業(yè)模型服務(wù)平臺(tái)，推廣提供給其他孿生項(xiàng)目使用。此外，通過項(xiàng)目的實(shí)施，形成水利專業(yè)模型、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工作制度，可為其他數(shù)字孿生建設(shè)提供參考與借鑒。

通過數(shù)字孿生建設(shè)， 重點(diǎn)構(gòu)建生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用， 全面提升工程運(yùn)行管理效能， 可為水利工程管理系統(tǒng)化、 科學(xué)化、 智能化提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐； 錨定精準(zhǔn)調(diào)度等目標(biāo)， 構(gòu)建防洪興利調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用， 基于智慧化模擬， 開展防洪興利科學(xué)調(diào)度， 提升洪水資源利用率， 有效增加發(fā)電量和發(fā)電效益， 有利于充分發(fā)揮水庫(kù)綜合效益； 構(gòu)建工程安全分析預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用， 降低工程發(fā)生重大安全風(fēng)險(xiǎn)的概率， 守住工程安全底線， 保障工程安全平穩(wěn)運(yùn)行。 以數(shù)字孿生技術(shù)賦能洪澇災(zāi)害防御， 實(shí)現(xiàn)防洪“預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化、 預(yù)警超前化、 預(yù)演數(shù)字化、 預(yù)案科學(xué)化”， 增強(qiáng)防洪應(yīng)對(duì)能力， 為防汛會(huì)商決策提供科學(xué)依據(jù)， 能有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全， 減少洪水災(zāi)害損失。 在數(shù)字孿生技術(shù)層面， 從感知體系、 數(shù)據(jù)底板、 模型庫(kù)、 知識(shí)庫(kù)到智能業(yè)務(wù)應(yīng)用， 形成一套完整的模型和技術(shù)， 可有效推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。 試點(diǎn)建設(shè)的開展， 有利于充分發(fā)揮江埡和皂市工程防洪與興利功能， 滿足下游河道生態(tài)需水基本要求， 促進(jìn)澧水流域各項(xiàng)社會(huì)功能和自然功能的可持續(xù)發(fā)展， 保障沿江地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 為社會(huì)主義生態(tài)文明建設(shè)提供有利條件， 具有顯著的社會(huì)、 經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

7 結(jié) 語

本文闡述了數(shù)字孿生江埡皂市工程先行先試總體設(shè)計(jì)及主要建設(shè)內(nèi)容：數(shù)字孿生江埡皂市建設(shè)按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，圍繞江埡皂市工程管理業(yè)務(wù)的實(shí)際需要，充分利用現(xiàn)有各類信息化資源和共享數(shù)字孿生流域建設(shè)成果，精準(zhǔn)發(fā)力、協(xié)同攻關(guān)，開展信息化基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造、數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字工程與物理工程同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互和迭代優(yōu)化，構(gòu)建工程安全分析預(yù)警、防洪興利調(diào)度、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、庫(kù)區(qū)巡查和綜合決策支持業(yè)務(wù)應(yīng)用，建成物理空間與數(shù)字空間互饋的數(shù)字孿生工程體系。

現(xiàn)階段按照“先行先試”原則，預(yù)期在2023年底數(shù)字孿生江埡皂市初見成效，工程安全保障能力、工程運(yùn)行管理能力得到初步提升。遠(yuǎn)期全面完成數(shù)字孿生江埡皂市，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)有力的示范引領(lǐng)和支撐驅(qū)動(dòng)。