戚 波 趙文波 楊 軍

(1.嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161005;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048;3.西藏自治區(qū)拉洛水利樞紐及灌區(qū)管理局,西藏 拉薩 851414)

據(jù)《中國(guó)水利統(tǒng)計(jì)年鑒2020》,截至2016年,我國(guó)已建成各類水庫(kù)9.8萬(wàn)座,總庫(kù)容達(dá)9306億m3[1]。水庫(kù)在防汛減災(zāi)、民生保障、生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮了巨大作用,做好水庫(kù)運(yùn)行管理工作尤為重要。2021年,在“數(shù)字中國(guó)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)”戰(zhàn)略背景下,水利部提出開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè),并以此為核心構(gòu)建智慧水利體系,推動(dòng)水利高質(zhì)量發(fā)展[2]。從信息化角度看,水庫(kù)運(yùn)行管理具有工程分布范圍廣、業(yè)務(wù)類型眾多、信息來(lái)源復(fù)雜、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)龐大等特征,也存在基礎(chǔ)設(shè)施短缺、管理方法陳舊、技術(shù)人員缺口較大等問(wèn)題[3]。把數(shù)字孿生作為加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)行管理工作的關(guān)鍵點(diǎn)和突破口,具有較大的研究潛力與探索空間。

1 水庫(kù)運(yùn)行管理信息化現(xiàn)狀

1.1 監(jiān)測(cè)感知設(shè)備短板明顯

監(jiān)測(cè)信息采集種類不足,很多水庫(kù)缺乏對(duì)水質(zhì)、氣象、環(huán)境等信息的采集。據(jù)可靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在186座水庫(kù)中,自動(dòng)水位、雨量監(jiān)測(cè)覆蓋率為83.30%,視頻監(jiān)控覆蓋率為70.40%,工程安全監(jiān)測(cè)(包括變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變及其他)覆蓋率不足50%[3]。此外,安全監(jiān)測(cè)設(shè)備可靠性較差,數(shù)據(jù)采集設(shè)備可靠性偏低,安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障頻發(fā),造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性也受到較大影響[4]。

1.2 運(yùn)行管理信息化水平較低

傳統(tǒng)文檔記錄方式通常不具備信息完整性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性,紙質(zhì)文檔在傳達(dá)、流轉(zhuǎn)過(guò)程中,常常出現(xiàn)遺漏、損毀等現(xiàn)象,導(dǎo)致水庫(kù)運(yùn)行管理工作出現(xiàn)遲緩、停頓甚至錯(cuò)誤現(xiàn)象。一些具備基本信息化基礎(chǔ)的水庫(kù)大多建有工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)等多種信息化系統(tǒng),不同系統(tǒng)相互獨(dú)立,部署分散,且多為單體化應(yīng)用,缺乏統(tǒng)一綜合性應(yīng)用平臺(tái)和認(rèn)證機(jī)制,無(wú)法有效整合海量數(shù)據(jù),協(xié)同工作效率較低。此外,大多數(shù)水庫(kù)信息基礎(chǔ)設(shè)施薄弱,信息化監(jiān)測(cè)感知設(shè)備缺乏,數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)覆蓋深度和廣度不足[5-6]。多數(shù)水庫(kù)建設(shè)有基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)(包括4G網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)),但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,4G網(wǎng)絡(luò)常常出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象。隨著水利信息化建設(shè)的深入,覆蓋各級(jí)水行政主管部門和水庫(kù)管理單位的水利專網(wǎng)帶寬已基本建成,但西部地區(qū)仍然存在較大短板,東中部地區(qū)已建成的網(wǎng)絡(luò)還經(jīng)常處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸壅塞現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率下降,急需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。

1.3 智能化決策能力不足

數(shù)字孿生水利工程建設(shè)對(duì)水庫(kù)智能化決策、智慧化運(yùn)行提出了很高的要求?，F(xiàn)實(shí)情況是,很多大型水庫(kù)管理單位信息化智能化對(duì)運(yùn)行管理工作的支撐不足,高新技術(shù)應(yīng)用不夠,運(yùn)行管理全要素把控能力較低,核心業(yè)務(wù)可視化展示水平不高,尚未建立水庫(kù)全要素、全天候、全周期、可視化管理體系[7]。多數(shù)水庫(kù)管理單位尚缺乏對(duì)水庫(kù)基本信息、水利感知信息和運(yùn)管業(yè)務(wù)信息的深度挖掘和數(shù)據(jù)融合,部分水庫(kù)已開(kāi)發(fā)的運(yùn)行管理相關(guān)信息化系統(tǒng)集成度較低,未建設(shè)涵蓋工程安全監(jiān)測(cè)信息分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)、潰壩分析模型、水質(zhì)分析模型等的多功能全要素一體化運(yùn)維決策模型體系,無(wú)法提供精準(zhǔn)化決策的基礎(chǔ)支撐力[8-9]。

2 基于數(shù)字孿生的水庫(kù)運(yùn)行管理技術(shù)

按照數(shù)字孿生水利工程的總體要求,水庫(kù)運(yùn)行管理應(yīng)充分運(yùn)用5G物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI等新技術(shù),圍繞水庫(kù)實(shí)際需要,錨定防洪“四預(yù)”和大壩安全等目標(biāo)任務(wù),集成水庫(kù)雨水情、大壩安全監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),構(gòu)建智能協(xié)同、高效準(zhǔn)確的水庫(kù)運(yùn)行管理信息化平臺(tái),推動(dòng)水庫(kù)運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)信息化變革,全面提升水利工程運(yùn)行管理智能化水平[10-12]。

2.1 水庫(kù)監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)建設(shè)

整合利用水庫(kù)現(xiàn)有各類型監(jiān)測(cè)感知設(shè)備資源,包括雨量監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等,按照智能化要求進(jìn)行改造升級(jí),構(gòu)建基于5G的物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)水庫(kù)重要監(jiān)測(cè)感知信息的高效匯聚;配置水質(zhì)監(jiān)測(cè)、全景攝像監(jiān)控、庫(kù)區(qū)巡查安防等新型技術(shù)裝備,融合天基遙感數(shù)據(jù)和智能識(shí)別模型,利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法從遙感、視頻、音頻等數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別河湖“四亂”、漂浮物、地質(zhì)災(zāi)害、違規(guī)入侵、水體顏色、閘門啟閉、設(shè)備運(yùn)行異常等情況,構(gòu)建遙感識(shí)別模型、視頻識(shí)別模型和環(huán)境識(shí)別模型,搭建水庫(kù)監(jiān)測(cè)感知大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái),構(gòu)建水庫(kù)全域監(jiān)測(cè)感知系統(tǒng)。

2.2 構(gòu)建水庫(kù)綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)

依托感知網(wǎng)絡(luò)獲取海量數(shù)據(jù),面向水庫(kù)運(yùn)行管理業(yè)務(wù)應(yīng)用多目標(biāo)、多層次需求,構(gòu)建完整描述水庫(kù)空間特征、業(yè)務(wù)特征和時(shí)間特征的一體化數(shù)據(jù)模型。搭建涵蓋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯集、視頻級(jí)聯(lián)集控、遙感接收處理等數(shù)據(jù)管理平臺(tái),為模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。面向水庫(kù)運(yùn)行管理實(shí)際需求,依托信息化、智能化技術(shù)手段,針對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),全面構(gòu)建多方位獲取、多網(wǎng)絡(luò)匯聚、多維度整合的綜合數(shù)據(jù)治理平臺(tái),構(gòu)建海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、計(jì)算的水庫(kù)運(yùn)行管理大數(shù)據(jù)平臺(tái),有效支撐水庫(kù)水雨情預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、大壩安全智能分析、庫(kù)區(qū)高效安防巡查、梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度等主要運(yùn)行管理業(yè)務(wù)。

2.3 建設(shè)水庫(kù)運(yùn)行管理體系

建立涵蓋水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)、維修養(yǎng)護(hù)、庫(kù)區(qū)巡查、雨水情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、運(yùn)行調(diào)度、安保監(jiān)控、應(yīng)急管理等功能的水庫(kù)運(yùn)行管理應(yīng)用體系,以大壩安全智能診斷模型、洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警模型、水質(zhì)分析評(píng)價(jià)智慧模型等為基礎(chǔ),搭建智慧水庫(kù)運(yùn)維決策模型體系,提升水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、智能化管理能力。

a.大壩安全智能診斷模型。工程安全監(jiān)測(cè)主要覆蓋水工結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)建筑物和機(jī)電設(shè)備等對(duì)象,大型和重要中型水利工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形(表面變形及內(nèi)部變形)監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、專項(xiàng)監(jiān)測(cè)等,各類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編匯集到大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。巡檢執(zhí)行人員按既定計(jì)劃執(zhí)行巡檢任務(wù),在移動(dòng)端填報(bào)巡檢信息,發(fā)現(xiàn)異常立即報(bào)告。工程運(yùn)行安全管理人員及有關(guān)專家基于當(dāng)前大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料,進(jìn)行工程安全會(huì)商,依托大壩安全智能診斷模型進(jìn)行分析預(yù)演,研判是否進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。綜合大壩安全評(píng)價(jià)方法和專家經(jīng)驗(yàn)分析,綜合運(yùn)用定性、定量分析方法,建立大壩安全智能診斷模型,滿足水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常識(shí)別、工程安全預(yù)測(cè)預(yù)警、工程安全狀態(tài)評(píng)估等需求。

b.洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警模型。圍繞防洪、供水、發(fā)電等調(diào)度實(shí)際需求,開(kāi)發(fā)相關(guān)水庫(kù)運(yùn)行管理專業(yè)模型,具體為洪水預(yù)報(bào)模型、水庫(kù)調(diào)度模型、河道推演模型、發(fā)電調(diào)度模型等。結(jié)合實(shí)際水雨情狀況,開(kāi)展?jié)文Ｐ鸵约昂樗A(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型推演,可模擬設(shè)置不同降雨條件下、不同運(yùn)行工況的洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度預(yù)案。建立數(shù)字化大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案,同專業(yè)模型相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩突發(fā)事件監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急處置等水庫(kù)大壩應(yīng)急管理功能,提高水庫(kù)大壩應(yīng)急管理智能化水平。

c.水質(zhì)分析評(píng)價(jià)智慧模型。傳統(tǒng)的水質(zhì)模型利用歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模,由于技術(shù)能力不足,基礎(chǔ)參數(shù)并不準(zhǔn)確,對(duì)于超過(guò)其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的輸出結(jié)果難以準(zhǔn)確分析。根據(jù)水庫(kù)水質(zhì)管理特點(diǎn),全面梳理水庫(kù)水質(zhì)污染潛在風(fēng)險(xiǎn)源,結(jié)合水庫(kù)實(shí)際水深、流速、流向等情況,建立水污染動(dòng)力模型,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)實(shí)時(shí)變化情況預(yù)測(cè)及污染源在水庫(kù)中的演進(jìn)發(fā)展預(yù)測(cè),結(jié)合水庫(kù)水質(zhì)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)體系,為水質(zhì)管理決策提供支撐。

通過(guò)上述模型的構(gòu)建,為大壩安全性態(tài)分析、流域洪水調(diào)度、庫(kù)區(qū)水質(zhì)管理提供信息化支撐,推動(dòng)水庫(kù)運(yùn)行管理由單一傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)決策向綜合科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。

2.4 數(shù)字孿生水庫(kù)可視化展示

以3DGIS、BIM、MixedReality等模型與實(shí)景表現(xiàn)技術(shù)為基本支持,根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)特征,面向具體水庫(kù)項(xiàng)目,通過(guò)定制化研發(fā)基于科學(xué)計(jì)算的可視化建模處理、整合、開(kāi)發(fā)和控制的工程數(shù)字化方法,為建設(shè)多維度、多情景工程可視化模型提供了工具支持?？梢酝ㄟ^(guò)該工具,進(jìn)一步針對(duì)水庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理各要素在空間劃分與演變進(jìn)程中產(chǎn)生的空間變化規(guī)律,搭建可視化應(yīng)用場(chǎng)景,為水庫(kù)大壩以及流域提供可視化的應(yīng)用場(chǎng)景,為水庫(kù)工程和流域進(jìn)行重建模仿、真實(shí)呈現(xiàn)和可視化展示,在大數(shù)據(jù)空間進(jìn)行區(qū)域—流域—工程—斷面的宏細(xì)觀多維度、多空間尺度的高精度數(shù)字化映射。

依托數(shù)字孿生水利工程數(shù)據(jù)底板,構(gòu)建水利工程自然環(huán)境演變、工程上下游水動(dòng)力狀態(tài)、水利機(jī)電設(shè)備運(yùn)行性狀等高精度可視化模型,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示大壩運(yùn)行狀態(tài),展示水庫(kù)工情和運(yùn)行管理情況,直觀、快速、全面掌握水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài),獲取關(guān)鍵信息,結(jié)合大壩安全綜合評(píng)價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià),及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩潛在危險(xiǎn)源,提高水庫(kù)大壩運(yùn)行管理水平。

3 結(jié) 語(yǔ)

推進(jìn)智慧水利建設(shè),是實(shí)現(xiàn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實(shí)施路徑。通過(guò)基于數(shù)字孿生的水庫(kù)運(yùn)行管理系統(tǒng)建設(shè),構(gòu)建多源感知系統(tǒng)信息化平臺(tái),搭建涵蓋大壩安全智能診斷、洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警、水質(zhì)分析評(píng)價(jià)等模型的智慧水庫(kù)運(yùn)維決策模型體系,建立具有“四預(yù)”功能的水庫(kù)運(yùn)行管理信息化系統(tǒng),賦能工程安全管理、水旱災(zāi)害防御、水資源集約利用、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度等主要業(yè)務(wù),將有力提高水庫(kù)運(yùn)行管理信息化水平,有效保障水庫(kù)安全運(yùn)行和效益充分發(fā)揮。