金思凡，廖曉玉，2，高 遠

（1.松遼水利委員會水文局（信息中心），130021，長春；2.水利部松遼水利委員會，130021，長春）

松遼流域地處“東北振興”國家重大戰(zhàn)略區(qū)域，是我國重要的工業(yè)基地和商品糧基地， 屬于人口密集區(qū)、經(jīng)濟發(fā)展區(qū)、洪水風險區(qū)“三區(qū)”疊加區(qū)域。 進入新發(fā)展階段，流域人民對水旱無虞的美好生活有了更高期待，東北振興、糧食安全和高質(zhì)量發(fā)展對防范化解洪水和干旱風險提出更高要求。 大力推進數(shù)字孿生流域防洪“四預”應用建設，是提高松遼流域水安全保障能力、提升流域治理管理能力的重要支撐。

一、流域信息化建設概況

1.現(xiàn)狀

水利部松遼水利委員會（以下簡稱松遼委）防汛信息化建設經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，建成了由基礎(chǔ)設施和業(yè)務應用系統(tǒng)組成的綜合體系，有力支撐了流域防洪業(yè)務工作。 基礎(chǔ)設施方面， 整合了流域范圍內(nèi)實時雨水情、重要工程視頻、衛(wèi)星云圖以及氣象雷達等監(jiān)測信息， 已建成與水利部、流域4 ?。ㄗ灾螀^(qū)）和2 個直管水庫、3個水文水資源分中心的通信網(wǎng)絡，同時完成了對防汛會商室的升級改造。防汛業(yè)務應用方面，完成了對現(xiàn)有防汛業(yè)務數(shù)據(jù)的資源整合，建成了松遼水利“一張圖”，構(gòu)建了水文、水動力學等專業(yè)水利模型，形成了包括松花江、遼河流域超標準洪水防御預案及洪水調(diào)度方案，松花江水量應急調(diào)度預案等在內(nèi)的方案預案體系，陸續(xù)建成了松遼委防汛抗旱指揮系統(tǒng)、松花江洪水管理系統(tǒng)、山洪災害監(jiān)測預警信息管理系統(tǒng)、松遼流域洪水風險圖管理系統(tǒng)及松遼委水情查詢系統(tǒng)等業(yè)務應用系統(tǒng)。

2.存在的問題

雖然流域在防汛信息化建設方面取得了一定成績，但對照國家信息化總體要求及數(shù)字孿生流域整體要求，仍存在差距，在服務支撐流域水安全保障與現(xiàn)代化管理等方面還存在不足。

①業(yè)務系統(tǒng)功能無法滿足當前水旱災害防御工作需要。 現(xiàn)有系統(tǒng)各業(yè)務模塊存在重復開發(fā)情況，且自動化程度低、業(yè)務功能不夠完善；各系統(tǒng)獨立運行，缺乏統(tǒng)一管理，統(tǒng)籌各業(yè)務功能模塊較為困難，難以實現(xiàn)綜合分析。

②數(shù)據(jù)資源分散、質(zhì)量不高。 現(xiàn)有數(shù)據(jù)分散在防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期綜合數(shù)據(jù)庫、松花江洪水管理系統(tǒng)和松遼流域洪水風險圖管理系統(tǒng)等業(yè)務應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，不便于統(tǒng)一管理；大多數(shù)據(jù)未進行標準化和規(guī)范化處理，質(zhì)量不高。

③支撐平臺尚未完全發(fā)揮作用?，F(xiàn)有系統(tǒng)大多采用“垂直”開發(fā)模式，系統(tǒng)之間各自獨立，本應由支撐平臺實現(xiàn)的部分功能分散在不同的業(yè)務應用系統(tǒng)，如地圖服務、用戶管理、數(shù)據(jù)分析等，導致支撐平臺作用發(fā)揮不充分。

④預報、調(diào)度兩大核心業(yè)務信息化系統(tǒng)耦合度低，未實現(xiàn)預報調(diào)度一體化。此外，預報系統(tǒng)仍為C/S 架構(gòu)，不適用于國產(chǎn)化環(huán)境，預報模型計算效率不高，無法支撐實時動態(tài)仿真預演。

二、數(shù)字孿生松遼平臺建設

數(shù)字孿生流域是以物理流域為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理流域全要素和流域治理管理活動全過程的數(shù)字化映射和智能化模擬，實現(xiàn)與物理流域的同步仿真運行、 虛實交互、迭代優(yōu)化。 數(shù)字孿生松遼平臺是松遼流域智慧水利建設的核心，是各項業(yè)務應用的基礎(chǔ)支撐，包括數(shù)據(jù)底板、 模型平臺以及知識平臺三部分，總體框架如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生松遼防洪應用總體框架

1.數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板的主要建設內(nèi)容包括數(shù)字化場景搭建、數(shù)據(jù)資源整合以及松遼流域水利“一張圖”平臺升級完善三部分。

①數(shù)字化場景搭建。共享全國L1級數(shù)據(jù)底板和流域4 ?。ㄗ灾螀^(qū)）建設的數(shù)據(jù)底板，整合覆蓋松遼流域的中等精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)（DEM）和高分辨率衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字正射影像（DOM）、高分立體測繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)。 建設嫩江、第二松花江、松花江干流、東遼河、西遼河、遼河干流、渾太河和洮兒河等重要支流，胖頭泡、月亮泡蓄滯洪區(qū)等重點區(qū)域L2 級數(shù)據(jù)底板。集成尼爾基、察爾森、豐滿、白山等重點水利工程和重點區(qū)域的L3 級數(shù)據(jù)底板。 整合水文水資源、水災害、水利工程、水生態(tài)等數(shù)據(jù)，共享氣象、自然資源、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境等流域相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建松遼流域數(shù)字化場景。

②數(shù)據(jù)資源整合。 在資源整合總體框架下推進全委數(shù)據(jù)梳理、 匯集、建庫、治理、更新等工作。 基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源， 深入開展數(shù)據(jù)資源的調(diào)查、梳理和規(guī)劃，完善松遼流域數(shù)據(jù)資源目錄。 構(gòu)建數(shù)據(jù)資源匯集體系，按照數(shù)據(jù)資源目錄，建立各類水利數(shù)據(jù)標準，明確數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、維護和更新方法，根據(jù)各級水利業(yè)務和綜合決策需要， 對各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實時與歷史數(shù)據(jù)進行匯集，構(gòu)建松遼委中心多層級數(shù)據(jù)庫。 對匯集后的多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、 規(guī)范管理，依據(jù)水利數(shù)據(jù)對象標準，梳理數(shù)據(jù)對象間的邏輯關(guān)系， 提升數(shù)據(jù)的規(guī)范性、可用性，避免數(shù)據(jù)冗余、重復和不一致。 建立健全“一數(shù)一源、一數(shù)一責”的數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制。 遵循相關(guān)共享標準與規(guī)范， 建立流域數(shù)據(jù)共享機制，實現(xiàn)水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等在松遼委各部門之間的共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在松遼委與水利部、流域省級水行政主管部門間的上報、下發(fā)與同步。

③松遼流域水利“一張圖”平臺升級完善。 建立松遼水利“一張圖”與水利業(yè)務應用之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動更新機制，建設數(shù)據(jù)同步更新、數(shù)據(jù)融合等功能，實現(xiàn)對水利“一張圖”中基礎(chǔ)地理、水利基礎(chǔ)空間、水利業(yè)務空間和衛(wèi)星遙感影像等數(shù)據(jù)的及時、持續(xù)和有效更新。 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)流域數(shù)據(jù)底板三維仿真全景展示以及水利工程BIM 模型的深度演示， 為防汛業(yè)務提供權(quán)威、現(xiàn)勢、安全的“一張圖”服務。 整合梳理流域各類數(shù)據(jù)，補充更新松遼流域水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)等水利工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合防汛業(yè)務需求，建設業(yè)務專題模塊，支撐流域治理管理工作。

2.模型平臺

按照“標準統(tǒng)一、接口規(guī)范、快速組裝、敏捷復用”思路，在復用共享水利部模型庫和模擬仿真引擎的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域特色，定制建設松遼模型平臺。 主要任務包括建設水利模型庫、智能模型庫和可視化模型庫等。

①建設水利模型庫。 結(jié)合流域特色建設松遼委通用水利模型庫和專用水利模型庫，通用水利模型主要包括適用于松遼流域的水文模型、水動力模型、多模式降雨預報模型、水工程模型等；專用水利模型主要包括寬淺河道洪水演進、 水工程聯(lián)合調(diào)度、水利工程安全運行評估及調(diào)度智能決策等模型。

②建設智能模型庫。 通過訓練學習算法，建立一套能夠利用計算機智能分析和理解音頻、圖像及視頻的模型庫，為應用層提供能夠在大規(guī)模場景下替代人類進行監(jiān)聽監(jiān)視音視頻內(nèi)容，并提取感興趣信息進行結(jié)構(gòu)化分析的能力。 其中包括洪災監(jiān)測、災后評估等遙感識別模型以及水尺水位、工程運行狀態(tài)等視頻識別模型。

③建設可視化模型庫。 可視化模型為模擬仿真提供實時渲染和可視化呈現(xiàn)，主要基于業(yè)務過程和決策支持中的仿真模擬需求，利用成熟的商業(yè)建模工具，建設自然背景、流場動態(tài)、水利工程、水利機電設備、“四預”過程5 大類可視化模型。

3.知識平臺

采用統(tǒng)分結(jié)合的方式沉淀水利知識和松遼流域治水經(jīng)驗，定制建設松遼知識平臺。 在復用共享水利部知識庫和水利知識引擎的基礎(chǔ)上，定制符合流域特色的調(diào)度預案規(guī)則庫、歷史場景模式庫、專家經(jīng)驗庫等水利知識庫，為數(shù)字孿生流域應用提供統(tǒng)一的服務支撐。 具體建設內(nèi)容包括：

①建設調(diào)度預案規(guī)則庫。 在收集已有調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)松遼流域特點、水利工程情況、影響區(qū)域范圍等， 新建或修編所需洪水預報方案、徑流預報方案等，并實現(xiàn)調(diào)度預案的信息自動化、文本化和知識化處理， 結(jié)合預案關(guān)鍵信息檢索與索引，構(gòu)建預報方案調(diào)度庫，包括河道水文站預報方案、 水庫水文站預報方案、蓄滯洪區(qū)洪水預報方案、河系預報方案和中長期預報方案等。 通過將業(yè)務文檔內(nèi)容結(jié)構(gòu)化處理，形成一系列可組合應用的結(jié)構(gòu)化規(guī)則集，全面梳理各類水工程的相關(guān)調(diào)度方式，提出其邏輯化、 數(shù)字化表達和存儲方式，形成服務于防洪調(diào)度和應急水量調(diào)度的規(guī)則庫。

②建設歷史場景模式庫。 針對松遼流域典型歷史洪水和特定調(diào)度過程進行復盤， 基于場景目標確定主題， 采用通用方式記錄氣象水文信息、調(diào)度決策信息、水工程運行過程、控制對象狀態(tài)以及涉及的各項調(diào)度效果，挖掘提取由歷史過程相似性形成的歷史事件典型時空屬性及專題的特征指標組合，通過推演分析不同場景下的演變場景，為相似事件的精準決策提供依據(jù)。

③建設專家經(jīng)驗庫。 基于專家經(jīng)驗決策的歷史過程，針對暴雨、干旱、區(qū)域淹沒等特定工況， 通過文字、公式、 圖形圖像等形式固化專家經(jīng)驗，提出合理有效的防洪風險應對措施，形成專家經(jīng)驗主導下便于讀取、可供參考的認知知識，實現(xiàn)經(jīng)驗的有效復用和持續(xù)積累。 專家經(jīng)驗庫建設主要包括重點流域歷史場景預報調(diào)度經(jīng)驗挖掘、過程再現(xiàn)、經(jīng)驗驗證、經(jīng)驗修正等。

三、防洪“四預”應用建設

業(yè)務應用是數(shù)字孿生流域建設的出發(fā)點和落腳點，防洪“四預”應用是業(yè)務應用建設的重點內(nèi)容。 松遼流域防洪“四預”的實現(xiàn)是在松遼委國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程、松遼流域國家水資源監(jiān)控能力建設（二期）等現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，以數(shù)字孿生松遼平臺為支撐，以水旱災害防御為業(yè)務核心，建設具備預報、預警、預演、預案功能的綜合業(yè)務平臺，其業(yè)務流程如圖2 所示。

圖2 松遼流域防洪“四預”應用總體業(yè)務流程

1.預報——流域洪水預測

預報是利用數(shù)字孿生流域提供的豐富數(shù)據(jù)和各類模型， 做好短期、中期、 長期的定性分析和定量計算，包括預報方案配置、降水預報、洪水預報以及預報成果評估等模塊。

①預報方案配置。 根據(jù)防洪調(diào)度需要， 以數(shù)字孿生松遼平臺為基礎(chǔ)，將預報方案配置流程標準化、 模塊化。 同時，預置松遼委已有的預報方案，如尼爾基水庫預報方案、察爾森水庫預報方案等。

②流域降水預報。降水預報包括短臨、短期、中期及長期降水預報。短臨、 短期和中期降水預報利用云圖、雷達圖、降水模式預報等信息，對嫩江干流、松花江吉林省段干流、遼河干流等重點防洪區(qū)域進行1～10 d降水預報，實現(xiàn)數(shù)值預報產(chǎn)品顯示、降水預報產(chǎn)品制作以及模式降水預報檢驗。 長期降水預報采用回歸分析等統(tǒng)計學方法以旬、月等尺度進行預報。

③流域洪水預報。 結(jié)合重點防洪區(qū)域的降水預報成果， 開展尼爾基、察爾森、白山、豐滿等重點水庫和59處站點的實時洪水預報，為流域防洪預警、 干流洪水預演等提供數(shù)據(jù)支撐。 同時，基于預報成果評估結(jié)果，動態(tài)修正預報成果。

④預報成果評估。 結(jié)合專家經(jīng)驗，對重點水庫和控制性斷面等關(guān)鍵調(diào)度節(jié)點正式發(fā)布的預報成果進行精度評價，統(tǒng)計誤差概率，為會商決策提供依據(jù)。

2.預警——防汛形勢分析

預警是綜合雨水情監(jiān)測、工情監(jiān)測、視頻監(jiān)控以及預報成果等多源信息，判斷是否發(fā)生洪水，并發(fā)布警示信息，包括監(jiān)測告警以及預報預警。

①監(jiān)測告警。 根據(jù)松遼流域當前的雨水情監(jiān)測、雨情預報、工情信息和視頻監(jiān)控信息，通過閾值分析或經(jīng)驗分析， 自動判斷是否發(fā)布防洪預警，在數(shù)字孿生松遼平臺中動態(tài)展示告警信息。

②預報預警。 若依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗來判定流域防洪形勢，可能會存在主觀性問題， 而水文模型存在耗時長、所需資料多的短板，因此根據(jù)嫩江干流、 松花江吉林省段干流等重點防洪區(qū)域的預報降雨自動快速判別松花江流域防洪整體形勢，對增加調(diào)度空間尤為重要。 應基于區(qū)域的成災特性及已有數(shù)據(jù)資源確定閾值，結(jié)合降雨預報成果與雨水情監(jiān)測信息分析流域防洪形勢，確定防災重點。

3.預演——調(diào)洪方案制定

預演是針對預警風險，綜合考慮調(diào)度應用規(guī)則和邊界條件，設定不同情景目標，進行模擬推演，為科學調(diào)度提供決策支持，包括調(diào)度方案生成、調(diào)度成果仿真以及調(diào)度方案管理。

①調(diào)度方案生成。 根據(jù)預警信息，輸入預報結(jié)果，以數(shù)字孿生松遼平臺為基礎(chǔ)， 動態(tài)建立尼爾基水庫、察爾森水庫、豐滿水庫、白山水庫、嫩江干流、第二松花江、月亮泡蓄滯洪區(qū)、胖頭泡蓄滯洪區(qū)、大賚、扶余、齊齊哈爾、哈爾濱等重要調(diào)度節(jié)點的拓撲關(guān)系，構(gòu)建由水庫、河道、蓄滯洪區(qū)、 調(diào)度節(jié)點組成的動態(tài)調(diào)洪模型，實現(xiàn)洪水調(diào)度方案的快速生成，同時通過人機交互進一步修改水庫、蓄滯洪區(qū)等防洪工程的運用參數(shù)，完成調(diào)度方案試算，生成一個或多個洪水調(diào)度方案。

②洪水調(diào)度成果仿真。 以數(shù)字孿生松遼平臺為基礎(chǔ)，尼爾基水庫、察爾森水庫等防洪調(diào)度節(jié)點為邊界，構(gòu)建尼爾基水庫—哈爾濱市河段、胖頭泡及月亮泡蓄滯洪區(qū)等流域重點防洪區(qū)域的一維、二維水動力學耦合模型，實現(xiàn)對調(diào)度成果的一維、二維、三維可視化表達以及動態(tài)洪水風險分析。

③防洪調(diào)度方案管理。 將松花江、 遼河流域超標準洪水防御預案，松花江、 遼河流域洪水調(diào)度方案，松花江水量應急調(diào)度預案等方案預案進行數(shù)字化處理，完成歷史調(diào)洪方案及相關(guān)文本、圖形圖像等信息的上傳與管理。

4.預案——調(diào)度方案優(yōu)選

預案依據(jù)預演反饋結(jié)果，考慮工程狀態(tài)、 經(jīng)濟社會發(fā)展需要等因素，評估后形成最優(yōu)方案或計劃，并根據(jù)工作進展及時調(diào)整，包括調(diào)度方案綜合評估和調(diào)度方案優(yōu)選。

①調(diào)度方案綜合評估。 考慮尼爾基水庫、察爾森水庫、豐滿水庫、白山水庫及月亮泡與胖頭泡蓄滯洪區(qū)的狀態(tài)，結(jié)合齊齊哈爾、哈爾濱等重點城市的動態(tài)洪水風險分析結(jié)果，以數(shù)據(jù)挖掘和關(guān)聯(lián)分析技術(shù)為支撐，對防洪、水量、水質(zhì)、水生態(tài)等調(diào)度效益疊加評判，多方面綜合評估調(diào)度方案。

②調(diào)度方案優(yōu)選。 以數(shù)字孿生松遼平臺為基礎(chǔ)，利用水利專業(yè)服務分析、大數(shù)據(jù)平臺自主學習能力提出方案優(yōu)選及推薦解決方案。

四、結(jié) 論

數(shù)字孿生松遼流域是松遼流域智慧水利建設的核心， 探索建設防洪“四預”應用是推動數(shù)字孿生松遼流域建設的重要實踐， 能夠顯著提高流域抵御洪澇災害水平， 同時也為水資源管理與調(diào)配等其他業(yè)務領(lǐng)域的智能化建設提供借鑒。 目前，松遼流域在基礎(chǔ)建設、人才隊伍、資金保障等方面仍存在短板弱項，迫切需要增強意識，抓住發(fā)展契機，按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總體要求，以防洪“四預” 應用為切入點， 舉全委之力推進數(shù)字孿生松遼流域建設， 提升流域水利數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，為松遼流域水利高質(zhì)量發(fā)展提供支撐保障。 ■