楊 榕

(廣東粵水信息科技有限公司，廣東 廣州 510610)

堤防可以防御洪水泛濫，保護(hù)居民、田廬和各種建設(shè)，限制分洪區(qū)(蓄洪區(qū))、行洪區(qū)的淹沒范圍，圍墾洪泛區(qū)或海灘，增加土地開發(fā)利用的面積，抵擋風(fēng)浪或抗御海潮，約束河道水流，控制流勢，加大流速，以利于泄洪排沙[1]。近年來，政府加大了堤防建設(shè)改造力度，提高了部分堤段的防洪能力。但由于堤線漫長，影響堤防安全的因素復(fù)雜，不僅僅只有洪水等自然因素，還包括地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、環(huán)境和人為因素等[2]，堤防安全管理的難度很大，潰堤事件也時有發(fā)生。因此，堤防安全監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施就顯得尤為重要。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體全生命周期過程[3]。

本文旨在探討數(shù)字孿生技術(shù)在堤防安全管理上的應(yīng)用，重點(diǎn)從變形和滲流兩方面對堤防的安全進(jìn)行分析和預(yù)警。依托孿生系統(tǒng)強(qiáng)大的技術(shù)支撐，可以更加全面精準(zhǔn)地掌握堤防運(yùn)行狀況及變化趨勢，仿真模擬預(yù)測各種變化情景下的后果，優(yōu)化選擇最優(yōu)決策方案。首先，本文將介紹基于數(shù)字孿生技術(shù)的堤防安全監(jiān)管系統(tǒng)的總體架構(gòu)，然后從數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺及堤防安全“四預(yù)”應(yīng)用4個方面介紹系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的堤防安全監(jiān)管系統(tǒng)總體框架具體組成部分涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、智慧應(yīng)用等內(nèi)容，同時，通過建立貫穿各個層次的信息安全保障體系、標(biāo)準(zhǔn)體系，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定。信息化基礎(chǔ)設(shè)施是智慧水利建設(shè)的基礎(chǔ)，包括監(jiān)測感知網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器資源等基礎(chǔ)設(shè)施；數(shù)字孿生平臺是智慧水利建設(shè)的核心與關(guān)鍵，包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺和知識平臺[4]；智慧應(yīng)用主要包括堤防“四預(yù)”應(yīng)用[5]，調(diào)用數(shù)字孿生平臺和信息化基礎(chǔ)設(shè)施提供的算據(jù)、算法、算力等資源，實(shí)現(xiàn)堤防安全預(yù)報(bào)預(yù)測、堤防安全監(jiān)控預(yù)警、堤防安全調(diào)度模擬演練和堤防安全預(yù)案管理，發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在工程安全管理方面的重要作用。本文重點(diǎn)從數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺、堤防安全“四預(yù)”應(yīng)用幾個方面來論述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的堤防安全監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 邊坡累積位移-時間曲線

2 數(shù)據(jù)底板

2.1 數(shù)據(jù)資源

2.1.1地理空間數(shù)據(jù)

地理空間數(shù)據(jù)作為可視化場景展示的底座和模型計(jì)算的基礎(chǔ)，主要任務(wù)包括采用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)掃描建模等技術(shù)，構(gòu)建管理區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)、正射影像圖(DOM，Digital Orthophoto Map)、傾斜攝影模型、水下地形等，采用BIM技術(shù)[6]構(gòu)建堤防及其附屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備的BIM模型。

2.1.2物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)

物聯(lián)感知設(shè)備采集的物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對物理世界的狀態(tài)感知，并為機(jī)理模型構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括水位、流量、雨量、變形、滲流、閘門啟閉、視頻等數(shù)據(jù)。

2.1.3業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)

業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對物理世界的運(yùn)行感知，也為工程安全評估分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要包括運(yùn)行管理數(shù)據(jù)、巡查養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、監(jiān)督檢查數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)等。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)“智能感知”的承上啟下作用，對下接入各種感知設(shè)備終端，對上支撐各個智慧應(yīng)用，成為一個監(jiān)測信息的聚合地，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一收集統(tǒng)一分發(fā)的能力。

物聯(lián)網(wǎng)平臺[7]為工程全生命周期提供支撐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對各種智能感知設(shè)備，包括水位、雨量、變形、滲流、視頻的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一管理，同時接收和存儲接收到各種感知監(jiān)測數(shù)據(jù)，為上層的智慧應(yīng)用提供有力的支撐。

2.3 大數(shù)據(jù)平臺

隨著系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，通過建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺，從而具備對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、治理、分析、可視化展現(xiàn)的能力。主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)治理兩大塊功能。

2.3.1數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能負(fù)責(zé)從外部系統(tǒng)按配置接入數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)清洗、校驗(yàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等操作以保證采集的數(shù)據(jù)正確、可靠、有效；支持結(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)、流式數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)采集與接入。

2.3.2數(shù)據(jù)治理功能

數(shù)據(jù)治理功能對各類元數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的集中管理及數(shù)據(jù)質(zhì)量治理服務(wù)，同時提供元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理以及數(shù)據(jù)生命周期管理，包括元數(shù)據(jù)采集、血緣影響分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量校驗(yàn)、質(zhì)量分析評估、過期數(shù)據(jù)刪除等能力。

3 模型平臺

3.1 堤防安全評估分析模型

對堤防安全現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行評估分析，需從其滲透穩(wěn)定性、滑坡位移變形同時結(jié)合動力學(xué)特性進(jìn)行多層次的分析評估，綜合運(yùn)用滲透穩(wěn)定性評價(jià)模型和形變模型評價(jià)模型兩種模型，通過兩種模型對滲透壓力、位移等相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算分析，最終達(dá)到準(zhǔn)確評估堤防安全穩(wěn)定性。

3.1.1滲透穩(wěn)定性評價(jià)模型

堤壩是擋水建筑物，它和滲流并存，有堤壩就有滲流。滲透變形是一種復(fù)雜的水文地質(zhì)現(xiàn)象，滲透變形不僅取決于土的不均勻系數(shù)、土粒直徑和顆粒級配，而且也和土的密度、滲透性有關(guān)。

堤壩的壩體和壩基滲流監(jiān)測是堤壩運(yùn)行監(jiān)測中不可缺少的重要內(nèi)容。在壩體和壩基的適當(dāng)部位對壩體各點(diǎn)滲透壓力的大小進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，以及堤防典型斷面的滲流狀況?；跐B透穩(wěn)定性評價(jià)模型，構(gòu)建滲透穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)、預(yù)警關(guān)鍵指標(biāo)體系。對堤壩的浸潤線、滲透規(guī)律、滲透壓力數(shù)據(jù)及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，將實(shí)測的浸潤線與設(shè)計(jì)浸潤線進(jìn)行比較，對堤壩的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

3.1.2形變穩(wěn)定性評價(jià)模型

對于堤防安全問題，位移變形監(jiān)測是重要的一環(huán)。堤防滑坡的產(chǎn)生發(fā)展是一個由量變到質(zhì)變的漸進(jìn)式演變過程，其累積位移-時間曲線具有3階段演化特征：初始變形、等速變形和加速變形階段。

形變穩(wěn)定性評價(jià)模型是解決基于多點(diǎn)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡變形空間評價(jià)和預(yù)測的方法。針對堤防滑坡形變演化規(guī)律，通過相對位移速率比的方法對位移相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究判定滑坡體上各點(diǎn)變形階段的相對位移速率比標(biāo)準(zhǔn)，判斷演化階段，為堤防的安全評估提供工具。

3.2 模擬仿真引擎

模擬仿真引擎是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)底板、堤防安全評估分析模型在應(yīng)用中使用的主要工具。

基于數(shù)字孿生應(yīng)用場景的智能模擬仿真引擎，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真、算法訓(xùn)練及驗(yàn)證，支撐模型算法的版本管理、參數(shù)配置、組合裝配、加載調(diào)用、計(jì)算跟蹤、訓(xùn)練優(yōu)化、模型迭代管理，面向不同業(yè)務(wù)、不同場景、不同目標(biāo)，指導(dǎo)賦能業(yè)務(wù)場景。

模擬仿真引擎提供數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)加載、場景管理、仿真建模、空間分析、仿真計(jì)算、三維渲染、特效處理、模型輕量化等服務(wù)能力，具備以數(shù)字驅(qū)動虛擬對象運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，實(shí)現(xiàn)物理工程的同步直觀表達(dá)、工程運(yùn)行全過程高保真模擬，支撐數(shù)字孿生體與物理體的交互分析，支持工程安全評估分析模擬仿真、工程安全前瞻預(yù)演、工程安全應(yīng)急預(yù)案動態(tài)模擬等。

模擬仿真引擎基于可動態(tài)拓展的云端與邊緣端服務(wù)，高效利用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、分布式計(jì)算等計(jì)算機(jī)資源，提供的SDK以標(biāo)準(zhǔn)接口的方式對已構(gòu)建的模型進(jìn)行封裝并注冊至模型庫，實(shí)現(xiàn)利用模型編排進(jìn)行模型功能耦合，包括計(jì)算拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)對接等，并可進(jìn)行服務(wù)發(fā)布?；谶吘壎?云端協(xié)同體系的仿真模擬引擎，可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型的實(shí)例化驗(yàn)證與不斷迭代生長。

4 知識平臺

4.1 知識庫

構(gòu)建業(yè)務(wù)規(guī)則、專家經(jīng)驗(yàn)、歷史案例、調(diào)度方案預(yù)案等知識庫，并不斷積累更新。

業(yè)務(wù)規(guī)則庫主要包括相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)章制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理辦法、規(guī)范規(guī)程等，專家經(jīng)驗(yàn)庫主要包括括堤防隱患分析、設(shè)備檢修、堤防安全評估分析等專業(yè)知識，歷史案例庫主要包括重要控制斷面流量小于最小下泄流量、超標(biāo)洪水、潰堤等經(jīng)典案例，調(diào)度方案預(yù)案主要包括堤防和水閘工程防汛預(yù)案、水閘工程調(diào)度預(yù)案、堤防和水閘防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案、堤防和水閘超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案等。

4.2 知識圖譜

理清各類水利對象基礎(chǔ)信息及其相互之間的空間關(guān)系、水流關(guān)系、管理關(guān)系等，并在知識庫構(gòu)建的基礎(chǔ)上，利用知識圖譜技術(shù)，經(jīng)過知識表示、抽取、融合、推理和存儲等過程，提取出水利知識要素，構(gòu)建知識圖譜，利用可視化的圖譜形象地展示堤防運(yùn)行過程中的核心實(shí)體對象結(jié)構(gòu)、從預(yù)報(bào)調(diào)度到模擬過程中關(guān)聯(lián)的知識結(jié)構(gòu)以及整體知識架構(gòu)，達(dá)到多學(xué)科融合目的，服務(wù)于堤防安全管理。

4.3 知識引擎

知識引擎主要實(shí)現(xiàn)將知識庫與業(yè)務(wù)應(yīng)用緊密結(jié)合，為工程安全分析和供水調(diào)度決策提供支撐。應(yīng)實(shí)現(xiàn)知識語義提取、知識推理、知識更新、集成應(yīng)用等。

水利知識引擎主要實(shí)現(xiàn)水利知識表示、抽取、融合、推理和存儲等功能。

知識表示利用人機(jī)協(xié)同的方式構(gòu)建水利領(lǐng)域基礎(chǔ)本體和業(yè)務(wù)本體，實(shí)現(xiàn)陳述性和過程性知識表示；知識抽取采用統(tǒng)計(jì)模型和監(jiān)督學(xué)習(xí)等方法，結(jié)合場景配置需求和數(shù)據(jù)供給條件，構(gòu)建實(shí)體—關(guān)系三元組知識，并抽取各類水利對象實(shí)體的屬性，對水利領(lǐng)域?qū)嶓w類別及相互關(guān)系、領(lǐng)域活動和規(guī)律進(jìn)行全方位描述；知識融合針對多源知識的同一性與異構(gòu)性，構(gòu)建實(shí)體連接、屬性映射、關(guān)系映射等融合能力；知識推理通過監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法，構(gòu)建水利推理性知識；知識存儲采用圖計(jì)算引擎管理和驅(qū)動水利知識，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲。

5 堤防安全“四預(yù)”應(yīng)用

5.1 堤防安全預(yù)報(bào)

5.1.1工程安全預(yù)報(bào)預(yù)測

結(jié)合水文預(yù)報(bào)結(jié)果，通過水位、流量的預(yù)報(bào)，基于堤防安全評估分析模型，對工程安全的態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測，包括滲透狀態(tài)、形變狀態(tài)隨時間的變化過程預(yù)報(bào)預(yù)測。

5.1.2預(yù)報(bào)結(jié)果模擬仿真

將水位、流量過程動態(tài)的展示在二維地圖或三維空間模型上，同時展示堤防滲透狀態(tài)、形變的變化過程?；贐IM模型，可通過在BIM模型上進(jìn)行不同顏色的渲染，孿生展示堤防浸潤線的變化過程，位移的變化過程。

5.1.3預(yù)報(bào)成果管理

對歷次預(yù)報(bào)成果進(jìn)行管理存檔，具有增刪查改等多種功能，并可導(dǎo)出電子文檔。通過實(shí)時監(jiān)測結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果的對比分析，評估預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性，對模型參數(shù)進(jìn)行自動校正。

5.2 堤防安全預(yù)警

5.2.1堤防安全預(yù)警信息展示

預(yù)警是基于定義好的閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配并得出結(jié)論。針對當(dāng)前堤防安全監(jiān)測數(shù)據(jù)及堤防安全分析模型預(yù)報(bào)預(yù)測的結(jié)果，在地圖上顯示監(jiān)測站點(diǎn)的空間分布，并基于預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)展示監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化范圍，顯示在地圖上，通過對超警斷面的不同顏色渲染以呈現(xiàn)預(yù)警效果。

可查看堤防安全監(jiān)測站點(diǎn)列表，并針對每個站點(diǎn)展示實(shí)時及預(yù)報(bào)時段內(nèi)的滲流、位移等信息，以表格或圖表方式進(jìn)行展示，對于超警情況進(jìn)行突出顯示。

5.2.2預(yù)警配置

提供圖形化界面來設(shè)置超警設(shè)置的閾值。包括確定預(yù)警要素、預(yù)警等級、預(yù)警閾值等，支持通過固定值或通過簡單邏輯來進(jìn)行預(yù)警設(shè)定。

5.2.3預(yù)警發(fā)布

根據(jù)預(yù)警配置，自動選擇發(fā)送的信息模板、范圍和對象，可以設(shè)定在特定的條件下自動發(fā)送，也可以在特定情況下手動設(shè)定發(fā)送的信息內(nèi)容、范圍和對象并發(fā)送。可實(shí)現(xiàn)短信、微信等多種信息發(fā)布渠道的預(yù)警發(fā)布。

5.2.4信息模板設(shè)置

可以對信息模板進(jìn)行編輯，根據(jù)不同的預(yù)警情況，可以選擇不同的信息模板，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布的靈活定制。

5.2.5堤防安全預(yù)警事件管理

記錄堤防安全預(yù)警事件，根據(jù)其預(yù)警條件、響應(yīng)級別、預(yù)警處置事件結(jié)果和善后處置方法進(jìn)行統(tǒng)一歸檔管理，支撐知識庫的優(yōu)化迭代。

5.3 堤防安全預(yù)演

5.3.1堤防安全預(yù)演

在歷史洪水或設(shè)計(jì)洪水條件下，結(jié)合水文模型、GIS地圖和三維建模成果，以洪水動態(tài)演進(jìn)的過程為背景，基于堤防安全評估分析模型，展示堤防安全等級的變化過程，以不同顏色的圖標(biāo)標(biāo)注區(qū)分不同區(qū)域的安全狀況，更直觀的展示風(fēng)險(xiǎn)范圍的變化情況?；贐IM模型，可在堤段的三維可視化環(huán)境下直觀展示浸潤線的變化過程、位移的變化過程、安全等級的變化過程，通過三維渲染技術(shù)，以不同顏色的渲染體現(xiàn)堤防的風(fēng)險(xiǎn)程度。

5.3.2預(yù)演結(jié)果后評價(jià)數(shù)據(jù)

利用實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)及洪水后評價(jià)分析數(shù)據(jù)，對預(yù)演過程進(jìn)行復(fù)盤分析，分析模型的誤差，方便用戶提取誤差產(chǎn)生的原因，為后期預(yù)演優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

5.4 堤防安全預(yù)案

5.4.1預(yù)案電子化

將管理單位的紙質(zhì)版預(yù)案進(jìn)行電子化管理，方便管理部門不受時間和空間限制，快速查閱預(yù)案。

5.4.2預(yù)案職責(zé)管理

梳理各業(yè)務(wù)部門的職責(zé)，建立各部門與預(yù)案中對應(yīng)職責(zé)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，方便業(yè)務(wù)部門通過系統(tǒng)提供的各類檢索功能，快速檢索本部門的職責(zé)及工作范圍，有效加強(qiáng)部門間協(xié)作。

5.4.3調(diào)度方案智能比選

基于結(jié)構(gòu)化的電子方案預(yù)案、業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史案例及專家經(jīng)驗(yàn)，利用知識引擎，智能篩選最優(yōu)的幾個調(diào)度方案供用戶參考，為調(diào)度決策及實(shí)施提供理論依據(jù)。

5.4.4預(yù)案運(yùn)用分析

對預(yù)案的歷史使用記錄進(jìn)行管理，及歷史調(diào)度記錄，數(shù)據(jù)來源包括紙質(zhì)調(diào)度記錄及系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)。

支持對調(diào)度信息的錄入、查詢，并可查看詳細(xì)的調(diào)度方案。結(jié)合歷史場景進(jìn)行綜合分析，對預(yù)案運(yùn)用的效果進(jìn)行評估。

6 結(jié)語

基于數(shù)字孿生技術(shù)的具有“四預(yù)”功能的堤防安全監(jiān)管系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于以三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界中堤防安全狀況的高保真映射，以專業(yè)模型為基礎(chǔ)在三維空間模型上模擬仿真堤防安全演變趨勢，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)仿真預(yù)演、超前預(yù)警，防患于未然，從而全面提升管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平[8-10]，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動。

在系統(tǒng)實(shí)施的過程中，應(yīng)當(dāng)重視和加強(qiáng)新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合。需重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)底板的加載性能問題，探索智能算法及深度學(xué)習(xí)等非線性數(shù)學(xué)模型在安全評估分析上的應(yīng)用[11]，加強(qiáng)安全評估分析模型的實(shí)時計(jì)算能力，提升專業(yè)知識庫的深化應(yīng)用，切實(shí)滿足堤防安全管理的智慧化管理需要。