李慧瀅，楊鴿，楊磊，范振東，黃成家，傅春江

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，311122，杭州）

據(jù)《2020年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》，我國已建成各類水庫98 566座，總庫容9306億m3。水庫在供水保障、防汛減災(zāi)等方面承擔重要角色、發(fā)揮巨大作用。水庫管理既有分布范圍廣、業(yè)務(wù)內(nèi)容多、信息來源雜等特征，又有基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、管理手段落后、地理位置條件不佳、技術(shù)人員稀缺等問題，上述特征與問題使得水庫運行和監(jiān)督管理較為困難。

在“發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟”國家戰(zhàn)略背景下，水利部明確提出推進數(shù)字孿生水利建設(shè)，數(shù)字孿生水庫存在巨大的研究與應(yīng)用空間。

一、水庫管理關(guān)鍵問題

1.感知設(shè)備建設(shè)程度不高

信息采集不全面，感知設(shè)備可靠性較差，缺乏對水質(zhì)、氣象、生態(tài)環(huán)境等信息采集，同時感知設(shè)備可靠性得不到保障，故障頻發(fā)，造成大量數(shù)據(jù)丟失，無法保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.信息化水平較低

傳統(tǒng)“紙+筆”文檔記錄方式缺乏有效整理歸檔，不具備完整性、系統(tǒng)性、動態(tài)性和實時性，水庫運行調(diào)度管理不暢。有一定信息化基礎(chǔ)的水庫多存在已建信息化系統(tǒng)孤立、分散、單體化應(yīng)用的情況，缺乏統(tǒng)一工作平臺和統(tǒng)一認證機制，導(dǎo)致協(xié)同工作效率差。

3.智慧化決策能力不足

管理要素全局性掌握、核心業(yè)務(wù)可視化呈現(xiàn)水平不高，未打造水庫全生命周期可視化管理體系。缺乏對管理要素基本信息、各類監(jiān)測信息和業(yè)務(wù)信息的深度融合和挖掘，未建設(shè)包括大壩安全監(jiān)測信息分析評價系統(tǒng)、洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)、潰壩分析模型、水質(zhì)分析模型等一體化運維決策模型體系，對后續(xù)決策支撐力度有限。

4.庫區(qū)安防管理難度大

庫區(qū)存在非法闖入影響人員生命安全及水源安全情況。傳統(tǒng)安防模式采用人工巡查為主，存在巡檢頻次有限、效率低下問題，未充分利用現(xiàn)有先進技術(shù)提高水庫管理和庫區(qū)安防智能化水平。

二、數(shù)字孿生水庫關(guān)鍵技術(shù)

以數(shù)字孿生水庫為切入點，著重探究先進可視化技術(shù)及各種虛擬應(yīng)用場景，利用輔助決策模型、AI攝像頭、無人船等智慧點賦能水庫安全管理高效運轉(zhuǎn)，并搭建統(tǒng)一工作平臺打通業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息流與數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)水庫業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化、協(xié)同化管理。

1.智能感知設(shè)備

（1）GNSS變形監(jiān)測

針對傳統(tǒng)大壩外觀變形觀測依賴于人工，外業(yè)作業(yè)受限于天氣環(huán)境等問題，可使用GNSS位移監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)“全天候、全時空”大壩位移實時監(jiān)測。

（2）無人船水質(zhì)監(jiān)測

傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測受限于復(fù)雜工作環(huán)境，工作效率較低，存在從業(yè)人員危險系數(shù)高、數(shù)據(jù)實時性差、監(jiān)測水域有限等問題?？刹捎脽o人船搭載水質(zhì)監(jiān)測儀器，對水庫潛在水質(zhì)污染源風(fēng)險點及重要取水部位，實現(xiàn)全水域水質(zhì)實時監(jiān)控，提高效率，擴大監(jiān)測面積。

（3）無人機庫區(qū)巡查

傳統(tǒng)巡查多依賴人工，發(fā)現(xiàn)問題的時效性較差，且偏遠地區(qū)或者高陡邊坡處無法抵達，巡查范圍有限。針對上述問題可采用無人機巡查，高空巡查庫區(qū)水體、水面及非法入侵（垂釣、游泳）等，還可以對水利設(shè)施的健康情況進行巡檢查看，提高庫區(qū)巡查效率。

（4）無人船＋AI智能庫區(qū)安防

針對傳統(tǒng)安防巡檢頻次有限、效率低下問題，可采用無人船搭載AI視頻設(shè)備，對水庫水面進行全覆蓋監(jiān)控，對庫區(qū)容易出現(xiàn)人員進入點重點監(jiān)控，對庫區(qū)相關(guān)非法行為和危險活動進行警示、提醒和驅(qū)離，實現(xiàn)庫區(qū)安防從“人防”到“技防”轉(zhuǎn)變。

2.智慧輔助決策模型

以大壩安全診斷模型、洪水預(yù)測預(yù)報模型及潰壩模型、水污染動力模型、無人船水質(zhì)評價模型等為基礎(chǔ)，搭建智慧水庫運維決策模型體系，為大壩安全狀態(tài)分析、洪水調(diào)度決策、水質(zhì)管理提供有力支撐，促使傳統(tǒng)經(jīng)驗決策向科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。

（1）大壩安全診斷模型

將大壩安全評價方法和專家經(jīng)驗相結(jié)合，通過定性—定量—定性體系轉(zhuǎn)換，建立大壩病險嚴重性評價指標體系和綜合評價模型。

（2）洪水預(yù)測預(yù)報模型

洪水預(yù)測預(yù)報模型可模擬設(shè)置不同降雨量、限泄工況、引供水量情況的洪水預(yù)報及調(diào)度，為防汛調(diào)度做好預(yù)案準備，為應(yīng)急管理爭取時間。

（3）水質(zhì)分析評價模型

①水污染動力模型。根據(jù)水庫水質(zhì)管理特點，全面梳理水庫水質(zhì)潛在污染源，建立水污染動力模型，可根據(jù)水質(zhì)實時變化情況預(yù)測污染源在水庫中的發(fā)展，為水質(zhì)管理決策提供支撐。

②無人船水質(zhì)評價模型。無人船攜帶移動式水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，可實現(xiàn)全庫水質(zhì)動態(tài)實時監(jiān)測。在獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)后，建立起基于無人船采集水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的水質(zhì)評判模型，此模型可對各項污染物監(jiān)測值進行評價。

3.BIM+GIS數(shù)字孿生水庫

通過將關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與BIM+GIS模型融合，圖形化展示大壩實時運行形態(tài)，并列出各類告警事件、關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)等信息，展示水庫工情和管理情況，幫助用戶直觀、快速概覽水庫運行全局，掌握關(guān)鍵信息。

將BIM模型與大壩安全診斷模型深度融合，通過大壩安全綜合評價模型實現(xiàn)對大壩實時工作狀態(tài)的綜合評價，及時發(fā)現(xiàn)大壩病險情況，為決策提供支持。搭建水庫工程設(shè)備設(shè)施BIM模型，進行BIM模型編碼及屬性數(shù)據(jù)加載，可實現(xiàn)對水庫工程設(shè)施設(shè)備的“可視化”管理。

4.工作質(zhì)量智能考核

傳統(tǒng)工作考核存在考核體系評價標準模糊、評價結(jié)果差且說服力不強等不足，針對上述問題，可對水庫運行管理工作進行業(yè)務(wù)場景深度分析，挖掘水庫運行管理工作考核指標，并根據(jù)考核指標建立水庫運行管理工作考核體系層次結(jié)構(gòu)模型以及評分模型。

三、典型應(yīng)用

將上述關(guān)鍵技術(shù)進行實際應(yīng)用，打造一款能夠橫向打通各項水庫管理業(yè)務(wù)、縱向貫穿各層級水庫管理用戶的數(shù)字孿生水庫管理系統(tǒng)產(chǎn)品。此系統(tǒng)可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資料的自動化采集、編輯錄入、計算分析和資料整編等全流程信息化融合業(yè)務(wù)。同時通過信息集成、共享以及多部門間的業(yè)務(wù)協(xié)同，將信息管理向業(yè)務(wù)管理延伸。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，系統(tǒng)主要包含的功能模塊見圖2。

圖1 數(shù)字孿生水庫管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 數(shù)字孿生水庫管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.水庫運行全景

水庫運行全景基于BIM+GIS數(shù)字孿生水庫，主要從實時監(jiān)測、大壩安全、設(shè)備狀態(tài)、實時告警、閘門工況、庫區(qū)水質(zhì)等方面展示水庫工情和管理情況，幫助用戶快速全面掌握庫區(qū)信息。

2.工作臺

水庫管理系統(tǒng)工作臺模塊定位為用戶處理待辦事項的辦公平臺、接收通知新聞的消息平臺、查閱技術(shù)文檔的知識平臺。通過該模塊對個人任務(wù)、相關(guān)通知、水庫新聞、文檔資料等進行歸集，使用戶快速、充分了解所需開展工作及當前工作進度，提高工作效率。

3.安全管理

安全管理模塊涵蓋工程安全、水源安全、庫區(qū)安全及安全生產(chǎn)，滿足大壩安全全面管理需求，其中工程安全模塊運用大壩安全診斷模型為用戶決策提供輔助支撐作用。按照水庫功能定位，實現(xiàn)水量安全和水質(zhì)安全管理；庫區(qū)安防使用AI攝像頭及無人船巡庫等手段，實現(xiàn)了庫區(qū)安全的綜合管控，同時提供游客預(yù)約功能，基于現(xiàn)場的AI攝像頭布設(shè)，對游客行蹤進行規(guī)范化監(jiān)控?；谙冗M的安全生產(chǎn)考核體系，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的綜合管控。

4.調(diào)度管理

調(diào)度管理模塊涵蓋防汛管理、水量管理、水質(zhì)管理、應(yīng)急管理、調(diào)令管理及設(shè)備設(shè)施管理6大二級模塊，實現(xiàn)水庫運維調(diào)度的精準化管理。其中水質(zhì)管理借助水污染動力模型、洪水預(yù)測預(yù)報模型、水質(zhì)評價模型等為用戶決策提供輔助支撐。

5.綜合管理

實現(xiàn)了高效文檔管理、執(zhí)法管理、考核管理、資產(chǎn)管理、工程建設(shè)管理及行政監(jiān)管，并通過細化考核方案、量化考核指標實現(xiàn)水庫管理工作通盤考慮。