大型数字孪生水库建设思路探索

张奇伟，赵树成

(1.杭州华辰电力控制工程有限公司，浙江 杭州 311100；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

1 概况

陈蔡水库位于诸暨市东南部，坝址位于浦阳江支流开化江上游东白湖镇。距诸暨市27km，流域面积187km2，河长17.5km。陈蔡水库总库容为1.15亿m3(原设计1.164亿m3)，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、养鱼等综合利用的大(2)型水利工程。

根据数字孪生水利工程总体目标，本工程按照场景全覆盖的建模原则，结合管控范围及管控精细度差异，从建设经济性角度出发，进行陈蔡水库空间差异化建模(综合应用GIS、RS、倾斜摄影、BIM等技术)，实现信息化数字资源化，满足水库精细化、元素化的数字化管理要求[2]。

2 陈蔡水库总体分析

2.1 需求分析

针对本项目工程情况、项目特点及高层级需求，数字孪生水库应用需求主要集中在：

(1)搭建数字孪生工程场景，进行信息基础设施建设，建立陈蔡水库数字资产；

(2)全面梳理陈蔡水库运行管理工作事项，围绕防洪、安全两大核心业务进行；

(3)开发建设数字孪生水库应用系统，供水库管理方实时掌握水库运行状况。

2.2 技术架构

陈蔡数字孪生水库建设将依托省政府数字化改革“四横四纵两端”总体框架，作为浙江省数字孪生流域的一个下沉场景，以“天空地水一体化”感知体系为基础，利用基础设施、数据资源和相关应用支撑[3]，属于“1+2+N”的浙江省数字孪生工程建设总体框架1个水利典型业务应用，技术架构如图1所示。

3 陈蔡水库建设思路

陈蔡数字孪生水库建设主要从以下几个方面进行应用：

(1)搭建数字孪生工程场景

(2)提档升级信息基础设施

(3)建立水利工程数据底板

(4)构建通用水利专业模型

(5)打造水利业务知识图谱

(6)扩展升级智能业务应用

(7)完善网络安全体系建设

(8)统筹软硬件一体化集成

图1 数字孪生工程技术架构图

3.1 搭建数字孪生工程场景

在水利部统建的数字孪生平台建设基础上，基于BIM+GIS技术构建工程区域天空地水连续空间数据，打造工程L3级数据底版，为建立精细化水利数字孪生场景提供数据支撑[4]。本次工程主要建筑物包括泄洪闸、引水闸、拦河坝、引水隧洞、电站厂房等，针对水库周边大场景进行高精度遥感建模，并对水库大坝及库区进行倾斜摄影测量，建立水利工程仿真三维模型，针对工程建设主体内容及原坝址区域进行BIM模型的建设，运用三维融合技术将遥感模型、BIM模型进行无缝集成，为工程数字孪生及智慧水库建设打下坚实基础。基于GIS技术，在高精度立体遥感影像的基础上，构建陈蔡水库周边大场景，建立包含以陈蔡水库工程为主体的流域范围(187km2)以及方圆不小于10km2周边的1∶1实体的三维立体虚拟空间。

3.2 提档升级信息基础设施

从陈蔡水库实际业务需求出发，充分利用物联感知技术，构建立体感知体系，结合现场实际，搭建安全高效的物联感知网络，利用计算机监控系统实现对运行过程的实时监视和控制[5]，如水雨情监测链路如图2所示。

图2 水雨情监测链路

3.3 建立陈蔡水库数据底板

陈蔡水库数字孪生建设依照标准规范，建设工程自身数据底板，具体包括：

(1)数字高程模型(DEM)数据

陈蔡水库坝区及库区大场景数字地形DSM格网尺寸为0.5m；平地高程中误差0.37m，丘陵高程中误差0.75m；山地高程精度中误差1.05m；高山高程精度中误差1.5m；DOM地面分辨率优于0.1m；平面精度不低于0.3m；数字正射影像图与相邻影像图接边误差不应大于1个像元。基于无人船等测量技术，在高精度立体影像的基础上，构建了陈蔡水库水下地形空间范围，完整地表现出工程水下地形附近的真实地理环境，包含了水体、地形、淤泥等，实体侧面纹理可见。

(2)遥感影像

按照一般工程倾斜遥感设计要求，工程库区及水库运行下游影响区宜采用无人机获取优于20cm精度的倾斜摄影，坝区宜采用无人机获取优于10cm精度的倾斜摄影[6]。陈蔡水库项目中，倾斜航摄系统的下视影像航向重叠度高于80%，旁向重叠度高于80%；飞行航高保证获取的建模区域倾斜影像的空间分辨率3cm，外围非建模区域倾斜影像的空间分辨率在8cm，均高于浙江省相关要求。

(3)BIM数据

陈蔡水库BIM模型创建主要包括拦河坝(主坝、副坝及原非常溢洪道改建的副坝)、泄洪闸、输水放空洞、新建输水建筑物、泄洪渠、电站厂房、管理区建筑物等。工程主体及附属建筑物各专业构件精度均按照LOD300创建，不包括钢筋、永久缝、止水等细部结构，其中机电及金属结构专业主要设备构件精度部分参照LOD400，录入主要的维保信息。

(4)其他数据

基础数据、监测数据、外部共享数据等，根据业务需要集成到地理空间数据上，如将移民、社会经济等数据集成到遥感影像，将机电设备基础数据集成到构件级模型单元，根据业务需要选取适宜的时间跨度进行数据同步更新。

3.4 构建洪水预报专业模型

针对陈蔡水库构建水文预报调度模型，实现水库实时预报调度，集成预报降雨成果，延长预见期[6]，陈蔡水库洪水预报及调度系统主要包括洪水预报、洪水演进和水资源调配系统。

洪水预报系统采用科学合理的预报模型，提供可靠有效的预报数据，提供人机交互的手段，可以根据经验判断设定或修改相关参数，并实现水库水情、工情模拟仿真，将工程整体防洪形势展示在决策者面前，如图3所示。

图3 陈蔡水库预报调度系统界面

3.5 打造安全监测知识图谱

建立陈蔡水库安全监测知识图谱，分析监测对象关系，对结构化数据、半结构化数据、非结构化数据进行实体抽取、关系抽取、属性抽取，构建安全监测基础知识图谱。

3.6 扩展升级智能业务应用

基于人工智能技术，建立一套AI图像识别能力，一套集数据标注、算法训练、应用部署的端到端的整体系统[7]。陈蔡水库AI智能识别以水库周边视频监控、无人机、无人船为信息感知入口，通过采集现场图像经过后台AI智能服务器分析，将库水面漂浮物、挖泥船、库区人员活动、车辆活动等信息进行7×24h全天候的分析、报警。

3.7 完善网络安全体系建设

陈蔡水库工程数据中心主要部署在诸暨市大数据中心，网络安全设备部署总体方案为：控制区独立组网，且物理隔离，暂不配置安全设备；管理网区边界防火墙、上网行为管理等部署在管理房，其他安全设备、安全措施等按需租用大数据中心相关服务[8]。

3.8 统筹软硬件一体化集成

在工程内部软硬件、数据集成的基础上，做好门户一体化集成，分别定制大屏、桌面端、移动端应用效果，按照用户权限配置相应功能应用。通过本次数字孪生水库建设，实现水库业务流程集成、完成业务线上与线下相统一，支持在线开展业务、工程资料整编、流程数据存储、自动生成报表等功能。陈蔡未来数字孪生水库大屏见图4。

图4 陈蔡数字孪生水库

4 结语

陈蔡数字孪生水库建设符合水利部智慧水利总体要求，以运管业务需求为导向，融合智慧物联、数字模型、大数据分析、AI智能等前沿技术，实现了工程全自动物联感知覆盖、工程业务流程优化、工程运行维护联动、上下级业务协同4大目标，可为水利行业数字孪生水库建设提供借鉴和参考，同时本次数字孪生水库应用仍存在一定不足，比如AI智能分析场景有限，针对人员、车辆、漂浮物具有较好效果，对于钓鱼、游泳等其他场景还需进一步探索；洪水预报、洪水演进及工程安全监测模型仍需进一步优化，本项目数字孪生建设中模型因为数据量不足等问题导致模型精度不够，预报精准度仍需进一步提高。