周維平，秦 鑫

（1.馬鞍山市博望區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村水利局，安徽 馬鞍山 243131；2.四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072）

水庫在調(diào)蓄洪水、減免洪災(zāi)、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪補(bǔ)枯方面起著重要的作用，目前我國一些主要水庫均建立了安全監(jiān)測信息的收集和管理體系，能夠?qū)λ畮爝M(jìn)行信息采集和安全管理[1-3]。但由于水庫管理存在基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、管理人員與技術(shù)人員不足、監(jiān)管手段落后等問題，使得水庫在運(yùn)行以及監(jiān)督管理方面難以進(jìn)行[4-5]。為此，需要引進(jìn)新技術(shù)、新方法與新模式，改善水庫的運(yùn)行與安全管理體系。

依據(jù)“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)要求，為推動新時(shí)代水利高質(zhì)量發(fā)展，大力推進(jìn)流域智慧水利建設(shè)，水利部明確提出要加強(qiáng)數(shù)字孿生領(lǐng)域工程建設(shè)，數(shù)字孿生水庫存在著極大的研究與應(yīng)用空間。加快推進(jìn)數(shù)字孿生水庫建設(shè)，將為水庫的安全運(yùn)營和防汛調(diào)度提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的信息，輔助管理決策，做好水庫的管理工作，確保水庫良性運(yùn)轉(zhuǎn)，為新時(shí)期水利事業(yè)的發(fā)展注入有力動能。

1 數(shù)字孿生水庫建設(shè)意義

1.1 水利智慧化轉(zhuǎn)型的必然選擇

數(shù)字孿生水庫建設(shè)是按照智慧水利建設(shè)“全國一盤棋”思路，按照水利部相關(guān)規(guī)劃，進(jìn)行針對性建設(shè)的數(shù)字孿生先行先試工程，是響應(yīng)國家智慧水利建設(shè)的重要體現(xiàn)，具有技術(shù)攻關(guān)和示范引領(lǐng)作用，有助于水庫信息化向水庫智慧化轉(zhuǎn)變。

1.2 實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的必然階段

數(shù)字孿生水庫建設(shè)作為智慧水利建設(shè)的重要組成部分，通過“立體感知、互聯(lián)互通、科學(xué)決策、智能管理”，提升精細(xì)化管理能力，推動水利現(xiàn)代化進(jìn)程。

1.3 實(shí)現(xiàn)整合共享的必然途徑

數(shù)字孿生水庫建設(shè)按照“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建”的要求，整合現(xiàn)有水工程管理系統(tǒng)等的相關(guān)信息，共享水利部L1 級、省水利廳L2 級數(shù)據(jù)底板，結(jié)合數(shù)字化場景搭建、模型庫的建設(shè)，形成統(tǒng)一的數(shù)字孿生平臺。

2 建設(shè)原則與目標(biāo)

2.1 建設(shè)原則

一是堅(jiān)持需求牽引。要求數(shù)字孿生建設(shè)從水利事業(yè)發(fā)展的全局出發(fā)，立足部門職責(zé)，認(rèn)真開展業(yè)務(wù)需求分析，掌握水庫業(yè)務(wù)的目標(biāo)、流程、功能、數(shù)據(jù)等需求，將需求作為數(shù)字孿生建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理的基本依據(jù)。

二是堅(jiān)持應(yīng)用至上。數(shù)字孿生水庫建設(shè)要立足于水庫管理單位的管理職責(zé)，切實(shí)從工程管理和業(yè)務(wù)需求出發(fā)，充分采用數(shù)字化、智慧化手段為管理單位增效賦能，確保業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)用、管用、好用，為工程運(yùn)行管理提供科學(xué)、精準(zhǔn)的應(yīng)用和決策支持。

三是堅(jiān)持?jǐn)?shù)字賦能。數(shù)字孿生水庫建設(shè)要緊抓水庫業(yè)務(wù)與新一代信息技術(shù)融合創(chuàng)新，充分運(yùn)用新一代信息技術(shù)，激活數(shù)據(jù)要素潛能，賦能工程運(yùn)行精細(xì)化管理等重要領(lǐng)域，形成數(shù)字化管理新模式，切實(shí)解決實(shí)際問題，全面提升工程運(yùn)行管理現(xiàn)代化水平。

四是堅(jiān)持提升能力。要求在數(shù)字孿生工程建設(shè)的支撐下，提升對水庫的精細(xì)化運(yùn)行管理能力，確保工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮工程調(diào)蓄洪水、為民興利的功能。

2.2 建設(shè)目標(biāo)

數(shù)字孿生水庫建設(shè)在現(xiàn)有信息采集、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算存儲等基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維建模技術(shù)建設(shè)數(shù)字化孿生模型，構(gòu)建水利工程L3 級數(shù)字底板；強(qiáng)化感知和傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，夯實(shí)信息基礎(chǔ)設(shè)施；共享調(diào)用水利部Ll 級和省水利廳L2 級數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)水利信息化資源集約節(jié)約利用；融合水位、流量、視頻等在線監(jiān)測信息和可視化模型，實(shí)現(xiàn)水庫運(yùn)行狀態(tài)的可視化展示；通過優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度；利用安全監(jiān)測設(shè)備采集的閘門、電機(jī)、金結(jié)設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)信息，結(jié)合各組件的精細(xì)化模型，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行的智能化管理，切實(shí)提高運(yùn)行管理效率，保障工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，確保水庫防洪、調(diào)水等功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 建設(shè)思路

數(shù)字孿生水庫的建設(shè)充分整合已建的信息化系統(tǒng)，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，對物理場景進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射；建立并逐步完善具有智能分析和決策支持服務(wù)的數(shù)字孿生平臺，在此基礎(chǔ)上以流域防洪為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)建設(shè)數(shù)字孿生水庫展示平臺，協(xié)同構(gòu)成以水庫為核心的實(shí)用、綜合、智能的應(yīng)用系統(tǒng)，支持智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策，推動水資源、水安全的良性發(fā)展。

4 總體設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施主要包括水利感知網(wǎng)、水利信息網(wǎng)和水利計(jì)算存儲三個(gè)方面。水利感知網(wǎng)主要為數(shù)字孿生工程提供數(shù)據(jù)，水利信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和流轉(zhuǎn)，水利計(jì)算存儲主要為系統(tǒng)運(yùn)行提供計(jì)算存儲資源。

4.2 數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生平臺是智能中樞，具體包括數(shù)據(jù)底板的搭建，模型庫和基礎(chǔ)支撐等內(nèi)容。通過數(shù)據(jù)底板的搭建，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)接入、共享和治理，為后期平臺擴(kuò)展提供標(biāo)準(zhǔn)要素；模型庫主要為可視化模型，實(shí)現(xiàn)水庫的三維可視化展現(xiàn)；基礎(chǔ)支撐主要利用已建的支撐平臺收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.3 智能業(yè)務(wù)運(yùn)用

智能業(yè)務(wù)應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可看、可查及管理，將工程的各類信息在三維場景下展現(xiàn)，并注重水庫智能化運(yùn)行管理建設(shè)，具體包括智能供水發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水雨情及工程防洪管理系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)、決策會商支持系統(tǒng)、工程運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)、綜合辦公系統(tǒng)等。

4.4 交互

以PC 端和移動端的方式為用戶提供友好的界面展示效果和交互手段。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

優(yōu)化調(diào)度。系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、效益最大為目標(biāo)，充分在現(xiàn)有調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，引入優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合數(shù)字孿生工程，進(jìn)行不同情形下的調(diào)度優(yōu)化計(jì)算，并在三維場景下展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度推演，形成優(yōu)化調(diào)度預(yù)案，輔助科學(xué)、經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

5.2 社會效益分析

信息動態(tài)實(shí)時(shí)更新上圖，實(shí)現(xiàn)了掛圖作戰(zhàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，減少損失。數(shù)字孿生水庫的建設(shè)利用了BIM+GIS 融合技術(shù)，在可視化大屏中結(jié)合各樞紐的三維模型展示各類監(jiān)測信息，并進(jìn)行問題預(yù)警，通過可視化平臺工作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)整改問題，加強(qiáng)問題源點(diǎn)管控，減少損失，實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行的精細(xì)化管理，保障工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。

提高效率，充分利用在線監(jiān)測、移動監(jiān)測等手段，降低人工監(jiān)管成本、提高監(jiān)管實(shí)效性。通過布設(shè)監(jiān)測設(shè)備以及實(shí)時(shí)共享已建的監(jiān)測信息，使各種監(jiān)測信息能夠?qū)崟r(shí)上傳，避免了人工監(jiān)測的繁瑣、精度無法保證、時(shí)效性差等問題出現(xiàn)，從而為工程運(yùn)行管理、故障及時(shí)處理等創(chuàng)造了條件，提高工程運(yùn)行的安全性。

5.3 生態(tài)效益分析

通過工程運(yùn)行精細(xì)化管理平臺的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)水利工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障工程分洪、調(diào)水、灌溉等功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，維持區(qū)域生態(tài)用水，具有一定的生態(tài)效益。

6 結(jié)論

數(shù)字孿生水庫的出現(xiàn)響應(yīng)了數(shù)字現(xiàn)代化的要求，為提升水庫運(yùn)行管理水平提供了新途徑與新思路。工程在建設(shè)時(shí)可以水庫為重點(diǎn)，著重考慮工程運(yùn)行管理方面的業(yè)務(wù)職責(zé)，以業(yè)務(wù)管理需求為導(dǎo)向，采集、共享數(shù)據(jù)為底板，水庫三維可視化建模為支撐，建設(shè)“可看、可用、可管”的數(shù)字孿生水庫工程■