梁 甜 魏雨鈞 何銀俊

（1.長江工程職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430212；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070；3.湖北省水利水電科技推廣中心，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著信息技術在水資源管理的進一步融合和滲透，當下水資源管理系統(tǒng)朝著數(shù)字化、智能化、智慧化方向發(fā)展，該水資源管理系統(tǒng)綜合運行數(shù)字孿生技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、遙感及通信等多種信息技術，有效解決目前水資源管理中存在的諸多問題，提高了水資源信息化管理和科學化決策水平。

2 數(shù)字孿生技術與水利融合

2.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一種融合模型和數(shù)據(jù)的數(shù)字化技術，即在計算機虛擬空間映射出物理對象的等價數(shù)字化模型，結合大數(shù)據(jù)、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、5G通信、云計算、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等多種信息技術，聯(lián)合傳感器運行更新數(shù)據(jù)、物理模型實現(xiàn)物理對象的多尺度、多學科、多物理量、多概率的仿真與優(yōu)化，從而模擬、控制、預測并驗證物理對象發(fā)展，最終完成物理對象的全生命周期過程管理并做到智能決策優(yōu)化閉環(huán)[1]。

2.2 融合理論基礎

數(shù)字孿生技術的組成部分包含虛體、映射和實體，虛體表現(xiàn)手法有仿真三維可視化模型、沙盤、動畫及圖片等；實體包括流域、江河、湖泊、河口及水庫等；映射是在虛體和實體之間建立起關聯(lián)關系，是最重要的部分，分為軟件和硬件映射兩種[2]。其中，硬件映射包括無人船、遙感、檢測站點、無人機以及機器人等感知設備；軟件映射包括生態(tài)模型、數(shù)值模型、水質(zhì)模型、數(shù)理統(tǒng)計大數(shù)據(jù)模型、泥沙運輸模型、二維三維水動力模型及氣象數(shù)值模型等。數(shù)字孿生可在虛擬空間中構建與物理實體相對應的數(shù)字孿生體，該孿生體和物理實體對象存在規(guī)則、物理、行為及幾何等多方面的精確映射關系且兩者之間保持實時交互從而模擬、預測、評估、決策和優(yōu)化水利工程運行過程。

2.3 數(shù)字孿生技術在水利的應用方案

數(shù)字化水資源管理以BIM應用支撐模塊為基礎，使用SOA架構，構建數(shù)字化、個性化、智慧化的應用展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)聯(lián)合使用BIM技術和數(shù)字化技術，實現(xiàn)水資源監(jiān)控類、水資源概要類、水資源防洪類、水資源維護類、水資源模型類、視頻類、空間類、水情類及預警類等信息服務功能，以此對多源信息進行重構、深度處理及分析統(tǒng)計，為水資源日常管理提供多樣化的數(shù)據(jù)查詢與多維展示服務[3]。在BIM三維模型的基礎上進行輕量化處理，結合信息化管理以實現(xiàn)三維模型在瀏覽器中快速清晰顯示，輕量化技術可實現(xiàn)唯一性表達幾何對象，剔除部分面和點進行圖元合并，同時根據(jù)級別與距離加載復雜程度構建模型流，在HTML5頁面上邊下載邊顯示三維模型。輕量化處理完成后，使用HTML5構建數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)，由此實現(xiàn)在瀏覽器上漫游、縮放、旋轉三維模型，與此同時還可以查看相對應的屬性信息。

數(shù)字孿生技術在水資源管理的具體應用過程：第一，為水資源管理建立三維模型。使用三維軟件構建水資源管理各場景的三維模型，從電氣、土建等專業(yè)角度建立與實際情況相符合的三維模型，通過數(shù)字孿生體建立虛實映射關系。三維模型可分成微觀、中觀及宏觀三個規(guī)模層次，其中宏觀級模型用來展現(xiàn)大范圍水資源流域的場景，在場景中盡數(shù)標記所管理的全部站點，不注重場景細節(jié)展現(xiàn)，力求全面；中觀級側重于水資源外部設施環(huán)境和管理區(qū)環(huán)境的總體展現(xiàn)，展示水資源管理的總體環(huán)境；微觀級則重點呈現(xiàn)水資源具體的設施設備布置及內(nèi)部環(huán)境等情況。第二，疊加重點屬性信息，三維模型是水資源數(shù)字化管理的載體，數(shù)據(jù)信息為水資源數(shù)字化管理提供服務支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。屬性信息同模型層級也分為微觀、中觀及宏觀三個層次，宏觀級信息多是概要類信息，是一類描述宏觀場景的基本信息；中觀級信息主要是水資源管理的基本信息，包括水資源管理的基本數(shù)據(jù)，如設施設備運行情況等；微觀級信息側重設施設備信息，包括設備實時運行情況、設備安裝信息等。第三，水資源管理系統(tǒng)運行維護管理的應用。對水資源管理的技術參數(shù)、設計指標、缺陷、工程加固和改造情況等分類統(tǒng)計和管理以便于添加、修改和查詢，為用戶提供多維空間的可視化動態(tài)展示。

3 基于數(shù)字孿生的水資源管理系統(tǒng)的設計

3.1 系統(tǒng)需求與目標

傳統(tǒng)水資源管理方式多使用紙質(zhì)文件和部分電子文檔來管理與歸檔水資源管理信息，具有信息實時性低、管理難度大、查找不方便及協(xié)同性差等弊端。因此，需要借助先進信息技術來全方位掌控經(jīng)濟、社會及自然等方面的情況，構建多類型的底層數(shù)據(jù)庫；開發(fā)特定功能的應用模塊，如根據(jù)水資源管理相關制度計算對應指標并完成分析與評價；對于水功能區(qū)水質(zhì)條件發(fā)生變化或水資源需求立項，分析基本數(shù)據(jù)、預測診斷評估相關的影響，為科學決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐，提高水資源管理的信息化水平，滿足水資源的日常管理需要。

3.2 系統(tǒng)關鍵技術

對區(qū)域資源、經(jīng)濟、環(huán)境及社會現(xiàn)狀深入調(diào)查，尤其是水資源開發(fā)利用情況、水利發(fā)展狀況及水環(huán)境狀況，在此基礎上細分水資源分區(qū)并建立基本數(shù)據(jù)庫，綜合使用GIS、GPS、遙感及虛擬仿真技術來完善水資源監(jiān)控系統(tǒng)，建立數(shù)字化流域平臺。以水資源某區(qū)為例，建立安全評價體系，劃分基本安全、不安全和嚴重不安全三個安全類型，評價水資源安全并預警和綜合評估水資源安全風險從而制定水資源應急預案[5]。與此同時，根據(jù)節(jié)水型建設要求，設計入河排污許可和水權制度，優(yōu)化水資源調(diào)度系統(tǒng)以保護水資源環(huán)境和生態(tài)，具體技術線路見圖1。水資源管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫+電子文檔作為資料存儲管理模式，使用ASP.NET開發(fā)Web系統(tǒng)，用PHP開發(fā)相關訂閱號和企業(yè)號，同時借助百度最新地理信息資源來有效降低水資源管理系統(tǒng)的開發(fā)難度。

圖1 技術路線圖

3.3 系統(tǒng)總體架構

數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)的核心和基礎是數(shù)據(jù)庫群，設有水資源考核計算模塊、分析評價模塊、人機友好交互界面等核心模塊，聯(lián)合應用Web交互、移動APP交互及客戶端三維仿真交互等，同時結合微軟地圖數(shù)據(jù)源及百度地圖API等，無縫構建統(tǒng)一的包含地圖服務端數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、本地空間數(shù)據(jù)及高精度河道水系數(shù)據(jù)等多源的空間數(shù)據(jù)集，水資源管理系統(tǒng)的主要架構見圖2。

圖2 水資源管理系統(tǒng)總體架構圖

4 水資源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1 水資源管理系統(tǒng)實現(xiàn)

水資源管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務層、應用層及功能層構成，數(shù)據(jù)服務層用于提供基本數(shù)據(jù)服務和數(shù)據(jù)支撐，涉及水環(huán)境保護、水資源管理及防汛抗旱等核心業(yè)務場景，包含水資源公報數(shù)據(jù)庫、水功能區(qū)信息數(shù)據(jù)庫、水資源管理數(shù)據(jù)庫、空間信息數(shù)據(jù)庫、取水戶檢測數(shù)據(jù)庫、柵格數(shù)據(jù)以及圖片、影像和文檔數(shù)據(jù)七類數(shù)據(jù)庫，其中文件數(shù)據(jù)處理過程見圖3。

圖3 文檔數(shù)據(jù)處理過程

水資源公報數(shù)據(jù)庫用于存儲水質(zhì)狀況、水資源開發(fā)利用情況及水資源量等信息；水功能區(qū)信息數(shù)據(jù)庫對規(guī)定范圍內(nèi)的地表水，如水庫、湖泊、河流及大溝等，劃分功能區(qū)，同時劃分深層地表水、中層地表水及淺層地表水功能區(qū)；水資源管理數(shù)據(jù)庫根據(jù)水資源具體考核標準，收集整理、分析并集中管理水資源數(shù)據(jù)，如建成水資源基礎數(shù)據(jù)庫以管理某一或特定區(qū)域的用水定額信息、產(chǎn)品信息及取水許可戶信息等；空間信息數(shù)據(jù)庫用于收集并存儲湖、排污口、河、污水處理廠、水功能區(qū)等詳細空間地理數(shù)據(jù)；取水戶監(jiān)測數(shù)據(jù)庫用于存儲大規(guī)模農(nóng)田水利、企業(yè)及重點監(jiān)管取水戶的取水情況等信息；圖片、影像及文檔數(shù)據(jù)主要收集并存儲水資源方面發(fā)展戰(zhàn)略及治理方針、水資源管理用水、取水申報資料、管理服務指南資料、項目審批流程圖、水功能區(qū)檢測資料、視頻影像及審批電子檔案等資料；柵格數(shù)據(jù)整合現(xiàn)有的高程數(shù)據(jù)、遙感影像、地圖多源柵格數(shù)據(jù)，以此作為水資源三維數(shù)字模型的數(shù)據(jù)基礎[6]。

應用層作為數(shù)字化水資源管理系統(tǒng)的核心組成部分，為用戶以Web、移動端、客戶端三種方式提供數(shù)據(jù)查看及業(yè)務管理服務，主要用作接收前端命令與數(shù)據(jù)，并將參數(shù)傳遞給數(shù)據(jù)服務層進行處理。應用層有自動響應和自定義事務要求兩類工作模式，前者為很多事件預先做好情景預案與功能模塊，在達到觸發(fā)條件時，水資源管理系統(tǒng)觸發(fā)并響應和反饋相應結果，如公眾號，先預設一些關鍵詞，當用戶輸入某一關鍵詞時，系統(tǒng)響應對應結果；后者是像數(shù)據(jù)挖掘、交互分析處理及水資源輔助決策等不同用戶根據(jù)實際要求進行自定義的事務，系統(tǒng)為用戶提供水資源決策的技術支撐和數(shù)據(jù)依據(jù)[7]。

功能層包含Web交互、移動APP交互及三維數(shù)字仿真等模塊，Web交互使用瀏覽器/服務器結構，為用戶提供水資源信息查詢和合理配置、科學管理等功能服務，綜合使用地理信息系統(tǒng)、水文水資源、通信及數(shù)字化等方面的技術，并將webGIS功能融入水資源管理和日常業(yè)務中，使用統(tǒng)一后臺為不同權限不同客戶端的客戶提供各種水資源管理服務；移動APP交互可用于3G、4G和5G網(wǎng)絡條件下，當水資源管理人員需要外出辦公時，僅需要訪問手機上移動APP就可查詢水資源管理信息及輔助決策等信息；三維數(shù)字仿真實現(xiàn)時序DEM地形數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像等基礎數(shù)據(jù)的集中管理，可多維度動態(tài)呈現(xiàn)河道、排污口、取水口等基本信息。

4.2 核心功能

水資源管理系統(tǒng)的核心功能有電子文檔處理、圖片處理、符合查詢等，由于管理系統(tǒng)涉及的檔案資料多是Word類型文件，因此，實現(xiàn)Word文件的錄入、統(tǒng)計、修改及檢索具有重要意義[8]。具體步驟是：第一，開發(fā)工具中啟動Word，若內(nèi)存存在Word程序則調(diào)用，如果不存在則啟動Word；第二，從數(shù)據(jù)庫讀取文件數(shù)據(jù)到本地磁盤或?qū)⒈镜卮疟P數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。圖片處理用來處理紙質(zhì)文件經(jīng)掃描后生成的圖片數(shù)據(jù)，隨著大容量硬盤的出現(xiàn)，對于這類數(shù)據(jù)采用直接存儲的方式足以滿足系統(tǒng)圖片存儲的需要。另外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了檔案號、目錄號、簽發(fā)人及標題等信息的多重復合查詢和模糊查詢。

4.3 應用效果

本文以某清水江干流為例，應用水資源管理系統(tǒng)，構建相應的數(shù)字孿生平臺并得到可視化示意圖（見圖4）。

圖4 某清水江干流可視化示意圖

該數(shù)字孿生平臺融合壩體BIM模型、庫區(qū)水下地形、實時水雨工情及三維實景模型等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時集成水資源配置、水文預報等水利專業(yè)模型。其中，供需分析作為水資源管理與科學調(diào)配的關鍵與核心內(nèi)容，由此對某清水江干流2023年的供水能力進行預測（見表1）。

表1 某清水江干流2023年供水能力預測（單位：萬m3）

利用水資源管理系統(tǒng)來分析不同區(qū)域的水資源供需平衡情況，可以得到某區(qū)域的供水能力、需水量，從而判斷該區(qū)域是否缺水，什么時間缺水多少等，進而制定并采取有針對性的供需平衡措施。

5 結語

本文所設計的基于數(shù)字孿生的水資源管理系統(tǒng)具有用戶界面簡單友好、兼容性強及可靠性高等優(yōu)點，其有望為水資源管理部門提供一個高效、便利、快捷的水資源信息查詢與數(shù)據(jù)管理平臺，未來重點放在實現(xiàn)該水資源管理系統(tǒng)以期盡早在水資源管理領域投入使用，提高水資源管理效率、科學決策水平及信息管理水平。