趙國榮，歐陽宏

（1.甘肅水務(wù)節(jié)水科技發(fā)展有限責(zé)任公司，730000，蘭州；2.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，730000，蘭州）

引洮供水工程是甘肅省人民的圓夢工程，其投資規(guī)模、引水渠線長度、覆蓋區(qū)域均屬甘肅省歷史之最，工程受益區(qū)總面積1.97萬km2，涉及5個市轄屬的11個重點縣（區(qū)）約422.41萬人。引洮供水工程輸配水線路長達(dá)1200 km，其中一期總干渠長度的87%和二期總干渠長度的95%是隧洞，是名副其實的“人工地下長河”。針對工程水資源調(diào)度難度大、長久安全穩(wěn)定運行要求高等實際管理問題，本文圍繞水利行業(yè)數(shù)字孿生建設(shè)要求，擬通過聚焦行業(yè)監(jiān)管、單一水源的長距離輸水調(diào)度、應(yīng)急安全響應(yīng)處置、高效便民等業(yè)務(wù)需求，以水利數(shù)據(jù)共享和流程優(yōu)化為重點，建設(shè)互聯(lián)互通、信息共享及協(xié)同應(yīng)用的數(shù)字孿生引洮供水工程管理平臺。

一、引洮供水工程已有的信息化基礎(chǔ)

通過一期、二期工程建設(shè)，引洮供水工程已具備實施數(shù)字孿生工程的基礎(chǔ)，包括基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、模型平臺和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用等內(nèi)容；完成全線工程流量、水位、水質(zhì)等信息的監(jiān)測；完成1144 km光纜、約50 km電纜的敷設(shè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的傳輸；在215處現(xiàn)地測控站與10處安全監(jiān)測站分別配置了2套工業(yè)以太網(wǎng)交換機，通過光纜接入所屬管理所（站），在11處管理所（站）分別配置了2套匯聚交換機，用于匯聚現(xiàn)地測控站的信息并通過光纜接入會寧運行管理部或通渭運行管理部核心交換機。此外，形成了定西調(diào)度中心、通渭備災(zāi)中心、會寧運行管理中心和宏偉管理站、中川管理站、侯川通信站、太平店管理所、平頭川管理所、什川通信站、榜羅通信站、隴川管理站、王甫管理所、新塬通信站等現(xiàn)地管理中心三級管理模式，各管理中心配備了相應(yīng)的機房。

二、與數(shù)字孿生建設(shè)要求的差距

對照水利部印發(fā)的《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》，根據(jù)數(shù)字孿生工程模塊建設(shè)要求，在進(jìn)行數(shù)字孿生引洮供水工程建設(shè)時，需充分利用引洮供水目前在建的二期平臺，對基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、模型平臺等方面按要求針對性完善提升，補充知識平臺及數(shù)字化場景下的智能業(yè)務(wù)應(yīng)用等內(nèi)容，實現(xiàn)引洮供水高質(zhì)量發(fā)展。

1.基礎(chǔ)設(shè)施方面

數(shù)字孿生引洮供水工程建成后，需要與水利部、甘肅省水利廳及工程所經(jīng)區(qū)域的行政部門進(jìn)行充分對接，網(wǎng)絡(luò)安全要求提高。目前的二級信息安全等級保護(hù)已不能滿足要求，網(wǎng)絡(luò)安全等級需要進(jìn)一步提升以滿足網(wǎng)絡(luò)安全需求。

2.數(shù)字孿生平臺方面

對照數(shù)字孿生平臺建設(shè)要求，數(shù)據(jù)引擎需要完成數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容的建設(shè)。目前，引洮供水二期已建數(shù)據(jù)資源管理平臺已完成數(shù)據(jù)引擎整體建設(shè)要求，但在數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務(wù)等方面，還需要進(jìn)一步完善，補充數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)發(fā)布等相關(guān)建設(shè)要求，提升數(shù)據(jù)引擎性能。

（1）水利專業(yè)模型需要進(jìn)一步完善

需要根據(jù)引洮供水水資源管理目標(biāo)，針對性補充智能安全分析模型，實現(xiàn)工程安全和設(shè)備高效運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工程安全和設(shè)備健康診斷。

（2）缺少水利知識平臺

需要構(gòu)建可以將水資源調(diào)度、工程安全及工程日常維修養(yǎng)護(hù)管理進(jìn)行知識化處理的水利知識平臺，在預(yù)演時能夠有效地轉(zhuǎn)化知識。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用與可視化場景融合不深

數(shù)字孿生工程建設(shè)突出物理世界和數(shù)字世界的對比和聯(lián)系，主要是在數(shù)字世界仿真模擬各類場景，并應(yīng)用于物理世界。目前，引洮供水一期、二期建設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍已實現(xiàn)全面覆蓋，智慧化水平較高，但是對照數(shù)字孿生工程建設(shè)要求，業(yè)務(wù)應(yīng)用與可視化場景結(jié)合不高，需要在業(yè)務(wù)應(yīng)用上進(jìn)一步提升。

三、建設(shè)任務(wù)

按照水利部《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》的建設(shè)要求，數(shù)字孿生引洮供水工程建設(shè)方案包括完善基礎(chǔ)設(shè)施、搭建數(shù)字孿生平臺、建設(shè)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、升級網(wǎng)絡(luò)安全體系和系統(tǒng)集成建設(shè)等內(nèi)容。

1.完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

目前，通過引洮供水一期、二期的建設(shè)，已形成較為完備的水位、流量、水質(zhì)、安全、視頻等監(jiān)測感知體系。數(shù)字孿生引洮供水基礎(chǔ)設(shè)施完善主要建設(shè)內(nèi)容為購買服務(wù)器、修復(fù)破壞光纜、改造通信網(wǎng)絡(luò)、補充模型服務(wù)器和購置存儲服務(wù)。

2.搭建數(shù)字孿生平臺

按照數(shù)字孿生工程的建設(shè)要求，從數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺等方面搭建數(shù)字孿生平臺。以已有的數(shù)據(jù)資源管理平臺為基礎(chǔ)，完善數(shù)據(jù)底板，進(jìn)一步整合升級數(shù)據(jù)資源，并按照數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)服務(wù)等方面，完善數(shù)據(jù)引擎建設(shè)，完成數(shù)據(jù)整合升級、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)和數(shù)據(jù)管控服務(wù)等內(nèi)容的建設(shè)。針對引洮供水水資源調(diào)度和工程安全預(yù)測分析等業(yè)務(wù)管理要求，構(gòu)建需水預(yù)測模型、退水渠渠系一維水動力模型、工程安全智能分析模型等，為引洮供水水資源調(diào)度“四預(yù)”應(yīng)用和工程安全智能分析提供支撐；構(gòu)建智能識別模型，實現(xiàn)視頻AI識別。

3.建設(shè)智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

主要是在已有業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，加強水資源調(diào)度“四預(yù)”應(yīng)用，實現(xiàn)水利工程及工程設(shè)備的安全監(jiān)測分析和預(yù)警、智能運維和決策分析支持等功能，使水資源調(diào)度更加科學(xué)、合理、高效，工程和設(shè)備運轉(zhuǎn)更加健康、有效，減少人工運維，提高運維效率，提升工程精細(xì)化管理水平。具體建設(shè)內(nèi)容包括綜合信息管理、水資源調(diào)度管理、工程安全智能分析、智能運維、管控一體化及決策可視化系統(tǒng)等功能模塊。

四、建設(shè)方案

1.數(shù)字孿生平臺

（1）數(shù)據(jù)底板

數(shù)字孿生引洮供水工程數(shù)據(jù)底板應(yīng)具備完備的數(shù)據(jù)資源，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)質(zhì)量，能夠按照數(shù)字孿生建設(shè)要求，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)類型進(jìn)行完善。應(yīng)具備數(shù)據(jù)融合、分析計算等功能，形成處理各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)引擎，主要包括數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容。為實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)底板充分完善，在已有數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，需按照《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》進(jìn)一步優(yōu)化，補充共享格網(wǎng)大小優(yōu)于30 m的DEM數(shù)據(jù)，分辨率優(yōu)于2 m的DOM數(shù)據(jù)以及包括雨量、溫度、風(fēng)力、風(fēng)向等指標(biāo)的區(qū)域氣象數(shù)據(jù)，其他整合數(shù)據(jù)還包括后期與其他系統(tǒng)對接的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

（2）數(shù)據(jù)引擎

根據(jù)引洮供水二期工程數(shù)據(jù)資源管理平臺已建情況和《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》數(shù)據(jù)引擎建設(shè)要求，引洮供水工程數(shù)字孿生平臺建設(shè)需在數(shù)據(jù)交換集成、數(shù)據(jù)資源管理及數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)上，充分利用已有的數(shù)據(jù)資源規(guī)劃設(shè)計、地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)資源目錄升級、數(shù)據(jù)共享服務(wù)及數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫整合升級及數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)、新建數(shù)據(jù)管控服務(wù)等模塊。

（3）模型平臺

數(shù)字孿生引洮供水工程模型平臺主要包括水利專業(yè)模型、智能識別模型、可視化模型和模擬仿真引擎。水利專業(yè)模型按照水資源調(diào)度、工程安全智能分析等業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，建設(shè)水資源配置模型、水資源調(diào)度模型、設(shè)備健康診斷模型和工程安全智能分析預(yù)警模型等水利專業(yè)模型，滿足水資源調(diào)度“四預(yù)”應(yīng)用和工程、設(shè)備安全智能分析預(yù)警；智能識別模型主要利用引洮供水已有的視頻監(jiān)測功能，開發(fā)建設(shè)視頻AI智能識別模型，輔助水環(huán)境、閘門調(diào)度仿真和渠系沖刷影響分析的應(yīng)用；數(shù)字孿生引洮供水工程要達(dá)到物理世界的數(shù)字化映射，需要建設(shè)工程所在區(qū)域的三維可視化模型、重點區(qū)域的傾斜攝影模型和重點工程的BIM模型，為數(shù)字化應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。此外，為保證各類模型能夠有序應(yīng)用，在進(jìn)行數(shù)字孿生引洮供水工程建設(shè)時需要開展模型管理和場景配置建設(shè)。

目前，通過引洮供水二期建設(shè)，已實現(xiàn)水資源配置模型、水量平衡模型和輸水優(yōu)化調(diào)度模型及仿真模型等模型的建設(shè)。水資源配置模型所研究的水量分配的核心是制定合理可行的水量分配方案，在滿足工程受水區(qū)用水單位用水需求的情況下，基于二期工程的可供水量，依據(jù)水量分配的基本原則，對可分配水量進(jìn)行受水區(qū)水量劃分，水量分配方案完成后將依據(jù)水量分配方案進(jìn)行水量調(diào)度計劃的編制。

水量平衡模型是基于引洮供水二期工程的渠系、水閘、泵站、調(diào)蓄水池之間的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)，建立引洮供水二期工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，實現(xiàn)工程各個節(jié)點的水量平衡計算。

仿真模型主要是通過構(gòu)建引洮供水二期工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及輸水模型進(jìn)行調(diào)度計劃的工程仿真模擬，可以通過模型演算得知該調(diào)度計劃下各個節(jié)點的實時水量、水位、流量等，從而實現(xiàn)對各個調(diào)度運行方案的分析比較，提高供水的安全性和效益，為決策者提供多樣化的調(diào)度選擇。

（4）知識平臺

數(shù)字孿生引洮供水工程知識平臺主要包括水利知識和水利知識引擎，水利知識引擎是組織知識、進(jìn)行推理的技術(shù)工具，水利知識經(jīng)知識引擎組織、推理后形成支撐研判、決策的信息。知識平臺應(yīng)關(guān)聯(lián)到可視化模型和模擬仿真引擎，實現(xiàn)各類結(jié)果的可視化。數(shù)字孿生引洮供水工程需要利用知識平臺完成水資源配置調(diào)度規(guī)則、調(diào)度方案、專家經(jīng)驗及典型歷史場景等知識的積累，完成工程安全智能分析的評價分析方法、應(yīng)急預(yù)案等知識的積累，完成運維經(jīng)驗知識積累并在此基礎(chǔ)上建設(shè)水利知識引擎。

2.基礎(chǔ)設(shè)施

（1）完善視頻監(jiān)控體系

以資源充分利用為原則，根據(jù)運行和實際工作需求，規(guī)劃補充40套視頻監(jiān)控，在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際使用需求進(jìn)行針對性安裝。

（2）改造部分重要計量節(jié)點

依托數(shù)字孿生引洮供水規(guī)劃建設(shè)，對引洮供水工程全線進(jìn)行了摸排，并對引洮供水工程重要節(jié)點計量設(shè)備設(shè)施進(jìn)行了梳理，目前，總干渠#9隧洞出口、總干渠3干渠分水口、總干渠#2節(jié)制閘、總干渠2干渠#46斗口、總干渠2干渠3支分水口、玻璃房分水口的計量設(shè)備存在無計量設(shè)施、啟閉不精準(zhǔn)等問題，需對以上點位的計量設(shè)備進(jìn)行改造。

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用

數(shù)字孿生引洮供水工程智能業(yè)務(wù)應(yīng)用主要以引洮供水需求為主體，結(jié)合水利部“2+N”的建設(shè)要求，在引洮供水二期信息化平臺的水資源調(diào)度、智慧建設(shè)運行管理、智慧運維、水費收繳、水資源調(diào)度“四預(yù)”、工程安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)急管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水資源“四預(yù)”與工程安全監(jiān)測應(yīng)用等方面的建設(shè)。

（1）數(shù)字孿生引洮供水智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

根據(jù)引洮供水業(yè)務(wù)需求，數(shù)字孿生引洮供水需要在引洮供水信息化平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，并實現(xiàn)安全智能分析和閘泵的管控一體化建設(shè)。具體建設(shè)內(nèi)容包括綜合信息管理、水資源調(diào)度管理、工程安全智能分析、智能運維、決策可視化系統(tǒng)及管控一體化等功能模塊。

（2）決策可視化系統(tǒng)

決策可視化系統(tǒng)利用各種常見圖表，直觀展現(xiàn)信息化改造的各項關(guān)鍵指標(biāo)，便于各級工作人員實時掌握工程全局、分管業(yè)務(wù)的情況，通過各種圖表（速度表、音量柱、預(yù)警雷達(dá)、雷達(dá)球）及駕駛艙儀表盤等方式形象展示關(guān)鍵績效指標(biāo)數(shù)據(jù)，并可以對異常關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)警和比較分析，便于及時發(fā)現(xiàn)水資源調(diào)度、工程安全、建設(shè)運行及維護(hù)管理等各模塊中可能出現(xiàn)的問題，并能夠針對出現(xiàn)的問題有效、及時地作出決策。主要包括水資源管理專題、工程安全監(jiān)測預(yù)警專題、供水安全智能指揮專題、工程建設(shè)維修監(jiān)控專題、智能運維專題。

（3）水資源調(diào)度“四預(yù)”系統(tǒng)

水資源調(diào)度將對輸水調(diào)度管理及水資源智能調(diào)度等模塊進(jìn)行融合，并根據(jù)渠系退水水動力模型及仿真模型等模型的應(yīng)用，實現(xiàn)引洮供水水資源“四預(yù)”管理。主要包括水資源預(yù)測預(yù)報、水資源預(yù)警、水資源預(yù)演、水資源預(yù)案和水資源監(jiān)督管理等模塊。

（4）工程安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

工程安全智能分析主要是對引洮供水二期供水安全智能指揮系統(tǒng)的升級，數(shù)字孿生引洮供水工程主要對象是引洮供水工程涉及的水閘、泵站、水庫大壩等建筑物的主體結(jié)構(gòu)，利用工程安全監(jiān)測信息，對各建筑物的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警、分析和展示，具體包括監(jiān)測量分類展示、監(jiān)測量分區(qū)展示、工程安全監(jiān)測預(yù)警、安全分析預(yù)警等功能。

五、結(jié) 語

數(shù)字孿生引洮供水工程2022年5月開工，按照2022年年度任務(wù)，已基本完成數(shù)據(jù)底板、水資源調(diào)度、基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)，圍繞工程水資源調(diào)度與管理和工程運行管理的業(yè)務(wù)需求，初步建立了引洮供水工程水資源管理與調(diào)配、工程運行管理業(yè)務(wù)的“四預(yù)”體系。針對引洮供水工程長距離多隧洞全年運行調(diào)度的工況，推進(jìn)數(shù)字孿生引洮工程平臺優(yōu)化建設(shè)，構(gòu)建涵蓋引洮供水工程總干渠渠首至斗農(nóng)口末端的智慧化管理系統(tǒng)，采取異構(gòu)交錯感知+多源數(shù)據(jù)融合、BIM+GIS一體化嵌套還原、視頻AI與測控單元耦合等技術(shù)，結(jié)合空間數(shù)據(jù)相關(guān)計算、分析，實現(xiàn)了工程全生命周期可視化管理，提升完善系統(tǒng)性能，強化數(shù)字化場景展現(xiàn)能力，將安全事故、險情處置等還原到虛擬世界中，搭配多人聯(lián)機系統(tǒng)實現(xiàn)多人實時交互訓(xùn)練，提升險情處置能力，提高工程安全運行、科學(xué)調(diào)度能力。

引洮供水工程輸配水線路長、隧洞多、建筑物種類復(fù)雜，需要通過建設(shè)數(shù)字孿生引洮供水工程，構(gòu)建多時間尺度嵌套來水預(yù)報模型、受水區(qū)多尺度需水模型、多工程多尺度多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，解決長距離引調(diào)水工程分散、供水對象多變與多區(qū)域時空交錯的供水矛盾，同時還需兼顧隧洞、暗渠、管道、倒虹吸、渡槽等不同建筑物運行特性帶來的管護(hù)難題，做到來水有“預(yù)報”、缺水有“預(yù)警”、調(diào)度有“預(yù)案”、效能有“預(yù)演”，實現(xiàn)水資源管理“四預(yù)”，推動傳統(tǒng)輸配水業(yè)務(wù)向智能化過渡，建設(shè)出能“量好水”“控好水”的“智慧引洮”，為全國數(shù)字孿生工程建設(shè)提供可借鑒的經(jīng)驗。