溫 鵬，劉 斌，李鎮(zhèn)江，甘郝新，劉 闖

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，530200，南寧）

智慧水利是新階段水利高質量發(fā)展的最顯著標志和六條實施路徑之一，數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心與關鍵，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生流域的重要組成部分。大藤峽水利樞紐是國務院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程的標志性項目之一，是珠江流域關鍵控制性工程，被水利部列為開展數(shù)字孿生建設先行先試的11個重大水利工程之一。推進數(shù)字孿生大藤峽建設是實現(xiàn)工程建設運行向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉變，充分發(fā)揮工程綜合效益的內在要求，也是筑牢珠海、澳門供水保障“第二道防線”，彰顯“六個重要”工程新定位（即流域防洪安全的重要保障、實施國家水網(wǎng)重大工程的重要結點、粵港澳大灣區(qū)水安全的重要屏障、建設珠江黃金水道的重要中樞、區(qū)域電力安全的重要支撐、地方鄉(xiāng)村振興的重要水源），支撐珠江流域“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一治理、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一管理”的迫切需要。廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司于2021年12月21日在水利行業(yè)率先啟動數(shù)字孿生大藤峽相關工作，2022 年5 月編制完成《“十四五”數(shù)字孿生大藤峽建設方案》（《數(shù)字孿生大藤峽建設先行先試實施方案》）并通過珠江委網(wǎng)信辦、水利部網(wǎng)信辦的審查，并于2022年下半年及2023年開展了數(shù)字孿生大藤峽建設（一期）項目實施。

一、方案設計

1.建設目標

數(shù)字孿生大藤峽建設的總體目標，是建設“一臺雙賦三化四預”，打造水利行業(yè)數(shù)字孿生工程標桿?！耙慌_”是指建設一個數(shù)字孿生平臺；“雙賦”是指對工程建設管理與工程運營管理雙向賦能；“三化”是指支撐公司標準化、專業(yè)化、精細化管理；“四預”是指開展預報、預警、預演、預案研究與應用。到2023年基本建成大藤峽數(shù)字孿生平臺和相關基礎設施，實現(xiàn)數(shù)字化場景與水利工程信息的動態(tài)交互，率先在防洪與水量調度、工程安全監(jiān)測預警實現(xiàn)“四預”應用突破；到2025年全面建成數(shù)字孿生大藤峽，實現(xiàn)對大藤峽工程全要素和工程管理全過程數(shù)字化映射、智慧化模擬、多方案優(yōu)選，與實體工程同步仿真運行、交互迭代，有力支撐工程調度運行精準決策。

2.建設范圍

數(shù)字孿生大藤峽涉及的業(yè)務范圍包括工程安全、防洪調度、水資源配置（補水壓咸）、發(fā)電生產(chǎn)、船閘通航、庫區(qū)運行、安全生產(chǎn)及工程建設等。地理范圍覆蓋工程管理和保護范圍（含壩區(qū)、庫區(qū)）及工程運行下游影響區(qū)域，以工程庫區(qū)200年一遇洪水淹沒范圍、防護工程、消落區(qū)及回水區(qū)臨時淹沒范圍，工程壩區(qū)重點施工區(qū)、核心生產(chǎn)區(qū)，工程下游影響區(qū)潯江防洪保護區(qū)等為重點。此外，模型建設內容應充分考慮流域上下游、左右岸、干支流的影響，建設邊界將超出上述地理范圍。

3.建設任務

以水利部印發(fā)的《智慧水利建設頂層設計》《數(shù)字孿生流域建設技術大綱（試行）》《數(shù)字孿生水利工程建設技術導則（試行）》為遵循，數(shù)字孿生大藤峽主要建設任務包括搭建數(shù)字孿生平臺、夯實信息化基礎設施、提升業(yè)務應用智能化水平、完善網(wǎng)絡安全體系、強化內外部系統(tǒng)集成等。數(shù)字孿生大藤峽總體框架見圖1。

圖1 數(shù)字孿生大藤峽總體框架

（1）搭建數(shù)字孿生平臺

以BIM+GIS+IoT技術為支撐，構建覆蓋大藤峽壩區(qū)、庫區(qū)及水庫運行影響區(qū)域的L2 級和L3 級數(shù)據(jù)底板，匯聚水雨情、工程安全監(jiān)測信息、上游工程調度信息、影響區(qū)域的經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)，承載工程規(guī)劃、設計、建設、運行、維護等階段產(chǎn)生的信息，實現(xiàn)工程全生命周期管理。圍繞工程防洪、通航、水資源配置、發(fā)電、灌溉等綜合效益發(fā)揮，深入開展模型庫、知識庫建設，包括水利專業(yè)模型、智能模型和可視化模型，以及工程防洪調度規(guī)則庫和歷史案例庫等，為日常業(yè)務和管理決策提供支撐。數(shù)字孿生大藤峽預報調度模型概化圖見圖2。

圖2 數(shù)字孿生大藤峽預報調度模型概化圖

（2）夯實信息化基礎設施

持續(xù)部署大壩安全監(jiān)測設施和水雨情監(jiān)測站點，構建覆蓋各類設施設備的工程物聯(lián)網(wǎng)，建設南寧、桂平、武宣三地高速互聯(lián)的光纖環(huán)網(wǎng)，提升發(fā)電廠、樞紐、船閘等工程自動化控制水平，完善桂平云平臺常規(guī)計算存儲能力，建設高性能計算能力和廣州異地備份中心，建設泄流預警設施，為數(shù)字孿生工程提供感知傳輸、計算存儲和運行環(huán)境支撐。

（3）提升業(yè)務應用智能化水平

聚焦工程綜合效益發(fā)揮，結合大藤峽工程建設與生產(chǎn)運行并行期現(xiàn)狀和未來全面投產(chǎn)后生產(chǎn)運行管理需求，構建工程防洪、補水壓咸等業(yè)務數(shù)字化模擬預演場景，開展防汛與水量調度“四預”系統(tǒng)、工程安全風險與健康評估系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、庫區(qū)岸線空天地立體監(jiān)管系統(tǒng)等建設，輔助生成決策建議方案，提升業(yè)務應用智能化水平。

（4）完善網(wǎng)絡安全體系

嚴格劃定網(wǎng)絡安全分區(qū)和物理隔離，構建大藤峽集中安全管理控制平臺。建立制度、規(guī)范、流程等構成的大藤峽網(wǎng)絡安全管理制度標準體系，建設上下協(xié)同、內外聯(lián)動的威脅感知預警系統(tǒng)，提升網(wǎng)絡安全預警和處置能力，建設適應企業(yè)業(yè)務發(fā)展進程的安全管理體系。重點對管理信息大區(qū)安全防護體系進行完善。

（5）強化內外部系統(tǒng)集成

依托數(shù)字孿生平臺強化業(yè)務應用內部集成，打造多尺度分級優(yōu)化、支持業(yè)務應用橫向擴展的大藤峽數(shù)字孿生體。圍繞數(shù)字孿生大藤峽推進已建、在建信息化項目集成，通過大藤峽數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)各類基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)的全域、全時、全量匯集與管理；通過一體化門戶，搭建“智慧工地”“智慧運營”“智慧企業(yè)”“智慧園區(qū)”四大業(yè)務板塊，充分整合現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)功能；研發(fā)船舶智能過閘系統(tǒng)、三維仿真培訓系統(tǒng)、智能巡檢機器人，提升運行管理智能化水平。

二、技術突破

數(shù)字孿生大藤峽實施過程中，大藤峽公司始終把推動業(yè)務應用、解決痛點難題作為根本出發(fā)點和落腳點。結合方案設計、業(yè)務需求調研和初期技術探索，數(shù)字孿生大藤峽項目組梳理出以下痛點難題：防洪與水量調度“四預”方面，主要體現(xiàn)為河道型水庫預報調度受上游水庫影響且預見期不足，已率定模型參數(shù)面向未來新場景預報精度不理想，復雜調度場景下庫區(qū)蓄水情況模擬難度高等；工程安全監(jiān)測預警方面，主要體現(xiàn)為傳統(tǒng)監(jiān)測預警模型易收斂為局部最優(yōu)，安全監(jiān)測預警指標體系覆蓋面不足且統(tǒng)一特征性不強，安全監(jiān)測要素表征不夠直觀等；庫區(qū)管理方面，主要體現(xiàn)為傳統(tǒng)巡查監(jiān)管手段耗時耗力，遙感無人機等技術門檻高且難以深度應用等；數(shù)字孿生工程可視化方面，主要體現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS平臺三維效果差，辦公終端配置較低，難以滿足高保真可視化需求，不同業(yè)務場景可視化功能分散建設，集成難度大等。

針對以上痛點難題，組織經(jīng)驗豐富、業(yè)務能力強的項目負責人、技術專家、業(yè)務骨干，組建工作專班，通過聯(lián)絡會議制度和現(xiàn)地集中開發(fā)模式，確保數(shù)字孿生建設與一線生產(chǎn)業(yè)務深度融合。對外開展多輪技術交流調研，邀請院士及行業(yè)內外權威專家提供全過程咨詢，確保項目建設科學、實用、安全。目前已取得多項技術突破。

1.防汛與水量調度“四預”方面

以擴展預報內容、提高預報精度、延長預見期為目標，在構建降雨—產(chǎn)流—匯流—演進等全鏈條預報調度模型基礎上，探索多源雨量融合的氣象水文耦合關鍵技術，強化預報誤差實時自動校正技術和預報精度評價機制，提升實時預報精度?；趯ξ鹘畮烊簞屿o庫耦合模型、大藤峽單庫動庫容調洪模型、大藤峽單庫靜庫容調洪模型等的動態(tài)耦合組網(wǎng)，建立大藤峽分散型入庫一維非恒定流數(shù)學模型，將上游控制站遷江、柳州與對亭至壩址的無控區(qū)間劃分為17個子區(qū)間，鋪設庫區(qū)129 個計算斷面，進行水庫動庫調洪計算和入庫洪水推演。在調度模型內部實現(xiàn)11種調度模式動態(tài)組裝，實現(xiàn)復雜調度指令實時計算。

在調度模型參數(shù)率定方面，系統(tǒng)基于最新的河道下墊面狀態(tài)與動態(tài)水文預報成果，從水動力學模型糙率參數(shù)庫中初步選擇與未來洪水量級相適應的糙率參數(shù)，并利用與未來洪水量級相同的最新監(jiān)測水文資料，對初選糙率參數(shù)進行率定與驗證，實現(xiàn)模型參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化更新，使其更加符合當前河道特征與水情特點。

2.工程安全風險與健康評估方面

針對水利工程常態(tài)運行場景及極端工況下的超前應對場景，以根據(jù)水位變化趨勢對工程變形、滲流、應力應變等安全態(tài)勢作出預測預報為目標，建立了基于有限元模型和隨機森林算法的工程安全風險與健康評估技術體系。采用隨機森林算法，建立輸入變量（滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)、壩基揚壓力、應力應變、溫度和預應力錨索錨固力）與目標值（大壩安全預警指標閾值）之間的關系，以現(xiàn)場安全監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結果為樣本庫，綜合考慮溫度、雨量、水位等特征分量影響，模型訓練后可準確表征大壩安全趨勢。

以有限元法安全穩(wěn)定系數(shù)分析為框架，結合隨機森林法篩選出的監(jiān)測指標體系及歷史同期數(shù)據(jù)庫，對壩體安全性及其影響參數(shù)進行相關性分析，模擬大壩安全監(jiān)測效應量與環(huán)境量之間的復雜函數(shù)關系，實現(xiàn)大量相關因素的非線性學習，從而構建“點-斷面-工程”分類預警指標體系。

3.庫區(qū)岸線空天地一體化監(jiān)管方面

面向庫區(qū)巡查監(jiān)管需求，建立了以遙感影像智能識別解譯技術為核心的庫區(qū)岸線空天地一體化監(jiān)管技術體系。通過采集庫區(qū)范圍國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，針對岸線異常、滑坡、崩塌、浸沒以及河湖“四亂”（亂占、亂采、亂堆、亂建）問題定制訓練遙感AI智能識別模型，相比基于通用數(shù)據(jù)集的模型提升了針對大藤峽庫區(qū)問題識別發(fā)現(xiàn)的精度和效率。結合無人機航拍技術實現(xiàn)了問題發(fā)現(xiàn)、復核、處置、歸檔等全流程閉環(huán)管理。同時基于長時序影像建立了可追溯的庫區(qū)數(shù)字岸線，實現(xiàn)了庫區(qū)淹沒預演分析與庫區(qū)監(jiān)管業(yè)務融合。

4.可視化平臺和集成框架方面

數(shù)字孿生大藤峽可視化平臺承擔著流域場景全景展示、工程場景高保真呈現(xiàn)、業(yè)務功能多視角智能仿真模擬、業(yè)務應用一體化集成等多項重點支撐性功能，在水利行業(yè)內缺少成熟的技術案例。面向以上需求構建了GIS+UE 雙引擎的可視化平臺，以及多時空尺度多源異構BIM+GIS數(shù)據(jù)融合鑲嵌技術，在宏觀場景下滿足數(shù)據(jù)快速加載、地理定位及空間分析需求，在局部場景下實現(xiàn)真三維高保真渲染，滿足構件級BIM數(shù)據(jù)人機交互需求。采用云端渲染的技術路線，地理空間數(shù)據(jù)在高性能GPU服務器端渲染為三維場景，用戶終端以視頻流的方式展示應用，滿足系統(tǒng)在圖形計算性能較低的辦公終端訪問、使用需求的同時，實現(xiàn)了多角色用戶并發(fā)控制和地理空間數(shù)據(jù)集中管理。此外通過與業(yè)務應用研發(fā)團隊協(xié)同攻關，構建了可擴展的數(shù)字孿生大藤峽可視化集成框架，實現(xiàn)同一可視化場景下業(yè)務應用功能靈活切換和跨領域協(xié)同聯(lián)動，充分體現(xiàn)了“數(shù)字孿生體”的概念。

三、應用成效

數(shù)字孿生大藤峽歷經(jīng)一年多的建設，形成了“1+N”的技術成果體系，數(shù)字孿生平臺基本成型，防汛與水量調度“四預”系統(tǒng)、工程安全風險與健康評估系統(tǒng)、安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)（圖3）、庫區(qū)岸線空天地立體監(jiān)管系統(tǒng)等逐步投用，已取得較好的應用成效。

圖3 安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)

1.2022年年初抗旱保供水

2022年年初，珠江流域發(fā)生近60年來最嚴重干旱，特別是2月16日，磨刀門水道馬角水閘出現(xiàn)最高潮位，并疊加6～7級東北風，不利于取用淡水。大藤峽防汛與水量調度“四預”系統(tǒng)初步成果于2022年2月及時上線，密切監(jiān)視水庫及下游河道水情、三角洲咸情等信息，通過短期水量調度模型預演調水過程，輔助制定工程調度方案。2月13日至18日，通過大藤峽水利樞紐工程調度，補水近2億m3，水庫最大水位降幅1.82 m，有效控制了西北江咸潮影響，下游主要取水口含氯度峰值大幅度降低，發(fā)揮了大藤峽水利樞紐作為珠海、澳門供水保障“第二道防線”的重要作用。

2.2022年西江編號洪水防御

在2022年西江第4號洪水期間，利用數(shù)字孿生大藤峽防汛與水量調度“四預”系統(tǒng)較為準確地預測大藤峽的入庫洪峰過程，通過模型計算科學制定工程調度方案，預演工程上下游淹沒情況。根據(jù)方案提前騰空庫容，成功攔蓄約7億m3洪量，最大削減洪峰3500 m3/s，并將洪水出峰時間推后一天，成功避免了西江、北江洪水遭遇，為北江洪水宣泄創(chuàng)造了有利條件，以建設期有限的防洪庫容實現(xiàn)了最大防洪效益。

3.大藤峽工程61 m蓄水驗收

提前上線工程安全風險與健康評估系統(tǒng)，基于數(shù)字大壩“一張圖”，實現(xiàn)工程重點部位位移變形、應力應變、滲流滲壓等安全監(jiān)測信息的可視化展示與分析；基于有限元模型和隨機森林算法，構建“點-斷面-工程”分類預警指標體系，快速模擬指標與安全監(jiān)測量之間的函數(shù)關系，分析工程安全性態(tài)及其演化趨勢。在大藤峽水庫蓄水至61 m正常蓄水位過程中，通過系統(tǒng)全程監(jiān)視分析大壩安全狀態(tài)，保障工程安全運行。

4.大藤峽公司智慧生產(chǎn)運營

船舶智能過閘系統(tǒng)大大提高了大藤峽船閘通航效率，降低了人為操作風險，保障了船閘24小時不間斷安全運行；三維仿真智慧生產(chǎn)系統(tǒng)在高保真映射的虛擬環(huán)境中開展設備巡檢、操作、檢修、故障處理等工作，滿足了生產(chǎn)一線對高效培訓的迫切需求；智能巡檢機器人大大降低了高壓電纜廊道、高壓出線場巡回檢查的工作強度，提高了設備監(jiān)測的連續(xù)性與實時性，有效提升了運行管理的自動化與智能化水平。

四、總結與展望

數(shù)字孿生大藤峽工程是一項融合流域、區(qū)域、工程等多個層級，服務于防洪、航運、發(fā)電、水資源配置、灌溉等多領域綜合效益發(fā)揮的復雜系統(tǒng)工程，具有顯著的綜合性、探索性、創(chuàng)新性、迭代性，實施過程中應當始終將支撐業(yè)務發(fā)展、促進業(yè)務深度融合作為根本出發(fā)點和落腳點，充分整合已有信息化資源，集中優(yōu)勢力量開展技術探索和研發(fā)。下一步將聚焦工程高質量運行和綜合效益發(fā)揮，在已建系統(tǒng)迭代優(yōu)化、進一步深化業(yè)務融合的基礎上，擴展“2+N”業(yè)務應用，強化跨領域業(yè)務協(xié)同聯(lián)動和多目標模型研發(fā)，打造數(shù)字孿生大藤峽“2.0 版本”，為保障珠江流域和粵港澳大灣區(qū)水安全、推動珠江水利高質量發(fā)展提供強有力支撐。