数字孪生引洮供水工程先行先试探索

赵国荣，欧阳宏

（1.甘肃水务节水科技发展有限责任公司，730000，兰州；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，730000，兰州）

引洮供水工程是甘肃省人民的圆梦工程，其投资规模、引水渠线长度、覆盖区域均属甘肃省历史之最，工程受益区总面积1.97万km2，涉及5个市辖属的11个重点县（区）约422.41万人。引洮供水工程输配水线路长达1200 km，其中一期总干渠长度的87%和二期总干渠长度的95%是隧洞，是名副其实的“人工地下长河”。针对工程水资源调度难度大、长久安全稳定运行要求高等实际管理问题，本文围绕水利行业数字孪生建设要求，拟通过聚焦行业监管、单一水源的长距离输水调度、应急安全响应处置、高效便民等业务需求，以水利数据共享和流程优化为重点，建设互联互通、信息共享及协同应用的数字孪生引洮供水工程管理平台。

一、引洮供水工程已有的信息化基础

通过一期、二期工程建设，引洮供水工程已具备实施数字孪生工程的基础，包括基础设施、数据底板、模型平台和智能业务应用等内容；完成全线工程流量、水位、水质等信息的监测；完成1144 km光缆、约50 km电缆的敷设，实现业务信息的传输；在215处现地测控站与10处安全监测站分别配置了2套工业以太网交换机，通过光缆接入所属管理所（站），在11处管理所（站）分别配置了2套汇聚交换机，用于汇聚现地测控站的信息并通过光缆接入会宁运行管理部或通渭运行管理部核心交换机。此外，形成了定西调度中心、通渭备灾中心、会宁运行管理中心和宏伟管理站、中川管理站、侯川通信站、太平店管理所、平头川管理所、什川通信站、榜罗通信站、陇川管理站、王甫管理所、新塬通信站等现地管理中心三级管理模式，各管理中心配备了相应的机房。

二、与数字孪生建设要求的差距

对照水利部印发的《数字孪生流域建设技术大纲》，根据数字孪生工程模块建设要求，在进行数字孪生引洮供水工程建设时，需充分利用引洮供水目前在建的二期平台，对基础设施、数据底板、模型平台等方面按要求针对性完善提升，补充知识平台及数字化场景下的智能业务应用等内容，实现引洮供水高质量发展。

1.基础设施方面

数字孪生引洮供水工程建成后，需要与水利部、甘肃省水利厅及工程所经区域的行政部门进行充分对接，网络安全要求提高。目前的二级信息安全等级保护已不能满足要求，网络安全等级需要进一步提升以满足网络安全需求。

2.数字孪生平台方面

对照数字孪生平台建设要求，数据引擎需要完成数据汇聚、数据治理、数据挖掘和数据服务等内容的建设。目前，引洮供水二期已建数据资源管理平台已完成数据引擎整体建设要求，但在数据治理和数据服务等方面，还需要进一步完善，补充数据治理、数据管理及数据发布等相关建设要求，提升数据引擎性能。

（1）水利专业模型需要进一步完善

需要根据引洮供水水资源管理目标，针对性补充智能安全分析模型，实现工程安全和设备高效运转，实现工程安全和设备健康诊断。

（2）缺少水利知识平台

需要构建可以将水资源调度、工程安全及工程日常维修养护管理进行知识化处理的水利知识平台，在预演时能够有效地转化知识。

（3）业务应用与可视化场景融合不深

数字孪生工程建设突出物理世界和数字世界的对比和联系，主要是在数字世界仿真模拟各类场景，并应用于物理世界。目前，引洮供水一期、二期建设业务应用范围已实现全面覆盖，智慧化水平较高，但是对照数字孪生工程建设要求，业务应用与可视化场景结合不高，需要在业务应用上进一步提升。

三、建设任务

按照水利部《数字孪生流域建设技术大纲》的建设要求，数字孪生引洮供水工程建设方案包括完善基础设施、搭建数字孪生平台、建设智能业务应用、升级网络安全体系和系统集成建设等内容。

1.完善基础设施建设

目前，通过引洮供水一期、二期的建设，已形成较为完备的水位、流量、水质、安全、视频等监测感知体系。数字孪生引洮供水基础设施完善主要建设内容为购买服务器、修复破坏光缆、改造通信网络、补充模型服务器和购置存储服务。

2.搭建数字孪生平台

按照数字孪生工程的建设要求，从数据底板、模型平台、知识平台等方面搭建数字孪生平台。以已有的数据资源管理平台为基础，完善数据底板，进一步整合升级数据资源，并按照数据汇聚、数据治理、数据挖掘和数据服务等方面，完善数据引擎建设，完成数据整合升级、数据管理、数据治理、数据发布服务和数据管控服务等内容的建设。针对引洮供水水资源调度和工程安全预测分析等业务管理要求，构建需水预测模型、退水渠渠系一维水动力模型、工程安全智能分析模型等，为引洮供水水资源调度“四预”应用和工程安全智能分析提供支撑；构建智能识别模型，实现视频AI识别。

3.建设智能业务应用

主要是在已有业务应用的基础上，加强水资源调度“四预”应用，实现水利工程及工程设备的安全监测分析和预警、智能运维和决策分析支持等功能，使水资源调度更加科学、合理、高效，工程和设备运转更加健康、有效，减少人工运维，提高运维效率，提升工程精细化管理水平。具体建设内容包括综合信息管理、水资源调度管理、工程安全智能分析、智能运维、管控一体化及决策可视化系统等功能模块。

四、建设方案

1.数字孪生平台

（1）数据底板

数字孪生引洮供水工程数据底板应具备完备的数据资源，包括数据类型、数据范围、数据质量，能够按照数字孪生建设要求，对基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据等数据类型进行完善。应具备数据融合、分析计算等功能，形成处理各类数据的数据引擎，主要包括数据汇聚、数据治理、数据挖掘、数据服务等内容。为实现工程数据底板充分完善，在已有数据资源的基础上，需按照《数字孪生流域建设技术大纲》进一步优化，补充共享格网大小优于30 m的DEM数据，分辨率优于2 m的DOM数据以及包括雨量、温度、风力、风向等指标的区域气象数据，其他整合数据还包括后期与其他系统对接的业务数据等内容。

（2）数据引擎

根据引洮供水二期工程数据资源管理平台已建情况和《数字孪生流域建设技术大纲》数据引擎建设要求，引洮供水工程数字孪生平台建设需在数据交换集成、数据资源管理及数据服务的基础上，充分利用已有的数据资源规划设计、地理空间数据建设、数据汇聚、数据更新、数据资源目录升级、数据共享服务及数据服务平台的基础上，进行数据库整合升级及数据管理、数据治理、数据发布服务、新建数据管控服务等模块。

（3）模型平台

数字孪生引洮供水工程模型平台主要包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎。水利专业模型按照水资源调度、工程安全智能分析等业务应用场景，建设水资源配置模型、水资源调度模型、设备健康诊断模型和工程安全智能分析预警模型等水利专业模型，满足水资源调度“四预”应用和工程、设备安全智能分析预警；智能识别模型主要利用引洮供水已有的视频监测功能，开发建设视频AI智能识别模型，辅助水环境、闸门调度仿真和渠系冲刷影响分析的应用；数字孪生引洮供水工程要达到物理世界的数字化映射，需要建设工程所在区域的三维可视化模型、重点区域的倾斜摄影模型和重点工程的BIM模型，为数字化应用提供基础支撑。此外，为保证各类模型能够有序应用，在进行数字孪生引洮供水工程建设时需要开展模型管理和场景配置建设。

目前，通过引洮供水二期建设，已实现水资源配置模型、水量平衡模型和输水优化调度模型及仿真模型等模型的建设。水资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，在满足工程受水区用水单位用水需求的情况下，基于二期工程的可供水量，依据水量分配的基本原则，对可分配水量进行受水区水量划分，水量分配方案完成后将依据水量分配方案进行水量调度计划的编制。

水量平衡模型是基于引洮供水二期工程的渠系、水闸、泵站、调蓄水池之间的拓扑关系结构，建立引洮供水二期工程的拓扑结构图，实现工程各个节点的水量平衡计算。

仿真模型主要是通过构建引洮供水二期工程的拓扑结构图，利用拓扑结构及输水模型进行调度计划的工程仿真模拟，可以通过模型演算得知该调度计划下各个节点的实时水量、水位、流量等，从而实现对各个调度运行方案的分析比较，提高供水的安全性和效益，为决策者提供多样化的调度选择。

（4）知识平台

数字孪生引洮供水工程知识平台主要包括水利知识和水利知识引擎，水利知识引擎是组织知识、进行推理的技术工具，水利知识经知识引擎组织、推理后形成支撑研判、决策的信息。知识平台应关联到可视化模型和模拟仿真引擎，实现各类结果的可视化。数字孪生引洮供水工程需要利用知识平台完成水资源配置调度规则、调度方案、专家经验及典型历史场景等知识的积累，完成工程安全智能分析的评价分析方法、应急预案等知识的积累，完成运维经验知识积累并在此基础上建设水利知识引擎。

2.基础设施

（1）完善视频监控体系

以资源充分利用为原则，根据运行和实际工作需求，规划补充40套视频监控，在现场调研的基础上，根据实际使用需求进行针对性安装。

（2）改造部分重要计量节点

依托数字孪生引洮供水规划建设，对引洮供水工程全线进行了摸排，并对引洮供水工程重要节点计量设备设施进行了梳理，目前，总干渠#9隧洞出口、总干渠3干渠分水口、总干渠#2节制闸、总干渠2干渠#46斗口、总干渠2干渠3支分水口、玻璃房分水口的计量设备存在无计量设施、启闭不精准等问题，需对以上点位的计量设备进行改造。

3.业务应用

数字孪生引洮供水工程智能业务应用主要以引洮供水需求为主体，结合水利部“2+N”的建设要求，在引洮供水二期信息化平台的水资源调度、智慧建设运行管理、智慧运维、水费收缴、水资源调度“四预”、工程安全监测预警系统及应急管理等业务应用的基础上，进行水资源“四预”与工程安全监测应用等方面的建设。

（1）数字孪生引洮供水智能业务应用

根据引洮供水业务需求，数字孪生引洮供水需要在引洮供水信息化平台的基础上进行升级，并实现安全智能分析和闸泵的管控一体化建设。具体建设内容包括综合信息管理、水资源调度管理、工程安全智能分析、智能运维、决策可视化系统及管控一体化等功能模块。

（2）决策可视化系统

决策可视化系统利用各种常见图表，直观展现信息化改造的各项关键指标，便于各级工作人员实时掌握工程全局、分管业务的情况，通过各种图表（速度表、音量柱、预警雷达、雷达球）及驾驶舱仪表盘等方式形象展示关键绩效指标数据，并可以对异常关键指标预警和比较分析，便于及时发现水资源调度、工程安全、建设运行及维护管理等各模块中可能出现的问题，并能够针对出现的问题有效、及时地作出决策。主要包括水资源管理专题、工程安全监测预警专题、供水安全智能指挥专题、工程建设维修监控专题、智能运维专题。

（3）水资源调度“四预”系统

水资源调度将对输水调度管理及水资源智能调度等模块进行融合，并根据渠系退水水动力模型及仿真模型等模型的应用，实现引洮供水水资源“四预”管理。主要包括水资源预测预报、水资源预警、水资源预演、水资源预案和水资源监督管理等模块。

（4）工程安全监测预警系统

工程安全智能分析主要是对引洮供水二期供水安全智能指挥系统的升级，数字孪生引洮供水工程主要对象是引洮供水工程涉及的水闸、泵站、水库大坝等建筑物的主体结构，利用工程安全监测信息，对各建筑物的变形、渗流、应力应变等进行监测、预警、分析和展示，具体包括监测量分类展示、监测量分区展示、工程安全监测预警、安全分析预警等功能。

五、结 语

数字孪生引洮供水工程2022年5月开工，按照2022年年度任务，已基本完成数据底板、水资源调度、基础设施和网络设施建设，围绕工程水资源调度与管理和工程运行管理的业务需求，初步建立了引洮供水工程水资源管理与调配、工程运行管理业务的“四预”体系。针对引洮供水工程长距离多隧洞全年运行调度的工况，推进数字孪生引洮工程平台优化建设，构建涵盖引洮供水工程总干渠渠首至斗农口末端的智慧化管理系统，采取异构交错感知+多源数据融合、BIM+GIS一体化嵌套还原、视频AI与测控单元耦合等技术，结合空间数据相关计算、分析，实现了工程全生命周期可视化管理，提升完善系统性能，强化数字化场景展现能力，将安全事故、险情处置等还原到虚拟世界中，搭配多人联机系统实现多人实时交互训练，提升险情处置能力，提高工程安全运行、科学调度能力。

引洮供水工程输配水线路长、隧洞多、建筑物种类复杂，需要通过建设数字孪生引洮供水工程，构建多时间尺度嵌套来水预报模型、受水区多尺度需水模型、多工程多尺度多目标联合优化调度模型，解决长距离引调水工程分散、供水对象多变与多区域时空交错的供水矛盾，同时还需兼顾隧洞、暗渠、管道、倒虹吸、渡槽等不同建筑物运行特性带来的管护难题，做到来水有“预报”、缺水有“预警”、调度有“预案”、效能有“预演”，实现水资源管理“四预”，推动传统输配水业务向智能化过渡，建设出能“量好水”“控好水”的“智慧引洮”，为全国数字孪生工程建设提供可借鉴的经验。