基于数字孪生水利工程的对象编码探究与实践

中国长江电力股份有限公司 杨旭 张玉柱

推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的实施路径之一，构建数字孪生流域是建设智慧水利的核心。长江三峡流域智慧水利体系建设还不完备，三峡是我国重要的水利枢纽工程，水资源管理难度较大，防洪形势严峻。如何高效利用和管理指定流域内的水资源，运用现代化的信息手段构建有效的预报、预警、预演、预案的四预体系是当前三峡流域水利信息化过程中亟待解决的关键问题。本文梳理了三峡流域概况、四预体系建设基础，基于拥有自主知识产权的贵仁模型云平台提出了长江三峡数字孪生水利工程体系的具体构建方法，可为三峡数字孪生智慧水利建设、研究数字孪生对象编码体系提供相关参考。

国家智慧水利的建设发展是我国水利事业高速化发展的重要标志之一，数字孪生水利工程体系是当前我国智慧水利的核心组成部分[1]。数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分，理清数字连胜流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础，对流域智慧化管理具有重要意义[2]，推进数字孪生技术在智慧水利建设中的应用，加速建立具备四预功能的智能流域体系和水工程，可有助于有关部门更精准、科学地制定防洪减灾措施，在洪涝灾害之前做好充足的准备，减少对人民的生命财产安全造成的损失，构建起完备的数字孪生智慧水利体系，促进水利事业在新阶段快速发展[3]。

随着近年来该流域内水利工程的修建与不断完善，河道所在的下垫面特征发生了一定程度的变化，进行洪水预报的难度加大[4]，全球气候的改变和陆地表面生态环境的演化，对极端天气状况下进行多尺度水文预报是水文气象领域的焦点问题[5]，长江三峡流域水文形式复杂，需要合理配置水资源，减少洪涝灾害造成的损失，亟待相关人员研发基于贵仁模型云平台的数字孪生水利工程编码体系。

1 研究背景

随着现代信息技术在工业领域中应用的不断推进，数字孪生技术趋向于在系统建模技术和仿真应用的辅助下演化成为复合的应用技术，加上采集和信息传输、大数据技术、云计算、人工智能等包含的海量数据分析存储、超强的分析计算、数据分析推理能力，基于大模型的数字孪生技术具有广阔的应用前景。

智慧水利工程的运行管理是一项复杂的系统工程，水利工程运行监测、质量监测、调度运行、设备运维等是其主要的组成部分，各个组成部分又相互联系。其中设备运行管理主要是运用数字流域映射技术对流域内各类水利工程的监测运行数据进行综合管理。具体来说，就是利用三维建模技术完成针对系统工程内的水利工程进行实时数据采集从而完成智慧水利工程的系统建设。数字孪生技术正逐步应用于智慧水利的系统建设，并且实现了对各类水利工程真实运行状态的记录归档。

2 应用实践

2.1 水利工程数字孪生体系

水利工程数字孪生体系中类型多样，通常包括智能预警平台、智能感知平台、水利枢纽监测系统、水库调度监测系统、电站运营监测平台、工程建设监测系统、流域综合态势监测系统、大屏数据可视化等。基于数字孪生的水利工程编码体系架构需要考虑水利枢纽监测系统、水库调度监测系统、电站运营监测平台、流域综合态势监测系统、工程建设监测系统等的具体设计流程。

（1）电站运营监测平台主要是通过三维建模，对坝体、电站、闸门等要素的外观、复杂机械结构等信息进行三维仿真显示，并可集成视频监控、设备运行监测、环境监测以及其他传感器实时上传的监测数据，动态展示闸门状态启闭开度状态、下泄流量、闸门开启次数、闸门排序等枢纽信息，对机组运行时间、出力特征值、水位、负荷等数据进行可视化分析，支持设备运行异常实时告警、设备详细信息查询，辅助管理者直观掌握电站运行状态；（2）水利枢纽监测系统是基于数字孪生技术，对具体水库坝体、地形地貌、水情态势、闸门开闭、设备（电站机组/排涝泵/水文站等）运行态势等要素信息进行真实复现，对库区天气、水情、浸润线及位置、视频监控等信息进行实时监测；同时结合专业模型算法、AI 应用，对水库水雨情、流量水量、有功出力、坝体位移、发电负荷等关键指标进行多维度综合分析，对异常态势进行实时预警告警，辅助用户进行水库防洪“四预”精准决策和研判；（3）水库调度监测系统集成各水库监测管理系统数据，基于地理信息系统，对水库的位置、范围、状态等信息进行直观展示，对入库径流量、水库蓄水量、防洪库容、可用水量等数据指标进行多维度分析研判，对水库调蓄能力不足、水位超限等异常态势进行可视化预警告警，提升水库运行监管力度，为防洪、兴利等工作提供决策支持。

2.2 编码对象类型

三峡流域水利工程众多且工况复杂，在进行基于贵仁模型云平台的数字孪生水利工程对象编码之前首先需要对流域内各个类型的水利工程进行分类并进行定义。三峡范围内水利工程的对象主要包括水库、水电站、子水电站、机组、闸门等，在完成了对上述水利工程对象的分类定义之后，考虑到水利工程对象是相关属性及其操作的封装体，需要参考编程领域面向对象思想及数字孪生中孪生体建模方法规范对水利工程物理对象进行数字化表达。

如图1 所示，水库对象类型结构主要包括水库的基础属性、数据属性、组成对象、关联对象与业务行为。其中基础属性主要指对象的静态属性信息，包括基础信息、空间位置、特征曲线等不同类型的基础属性；数据属性是对象的动态数据信息，一般为时序数据，按照业务场景可以划分为雨量、水位、流量、出力、气温、综合等六大类型，系统支持按需增补；组成对象包含子对象信息，如水库包含水电站、水库大坝、水闸、船闸等组成对象；关联对象是与当前对象有关联关系的对象，如区间流域与其来水流域之前构成关联关系；业务行为是与当前对象有关的业务事件或行为，如流域的径流预报、水库的调度、河道的淹没分析、水质扩散等。

另外，针对小流域预报调度编码业务，制定水库防洪优化调度方案需要考虑流域内的水库调度和下游的防洪要求，需要的资料主要包括以下几个方面：水库的工程概况、水库特征、调度规则等资料；流域的降雨资料，包括日降雨资料与汛期时段降雨资料，一般现有的降雨资料是流域内各雨量站点的实测数据资料，而在实际预报中应用的是流域的面平均雨量，因此需要流域内雨量站的分布情况及其权重资料；前期影响雨量是洪水产流预报的重要影响因素，因此需要用于确定洪水预报模型蒸发量等参数，以计算场次洪水的前期影响雨量；相应于时段降雨资料的流域场次洪水流量过程资料。为了考虑水库泄洪对下游防洪对象的影响，要对重点预报断面进行水位预报，为保证水位预报精度需对水库下游的预报断面重新测定水位流量关系；针对小流域洪水预报调度方案，需要充分研究历史暴雨洪水资料，基于暴雨洪水分布规律对预报调度方案进行适当修正。总体上，现有水文资料有各水库各年的日降雨资料、入库流量以及温度数据，可以用来计算场次洪水的前期影响雨量。同时，各年汛期的时段降雨资料和洪水资料匹配度也非常高，可满足小流域洪水预报、防洪优化调度对水文资料的要求。

在具体实施中可运用三水源新安江模型、改进POA对各水库进行水文预报、防洪优化调度计算，通过实测水位反推的入库流量作为水库实测流量。根据《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008）（以下简称《规范》）规定，选用径流总量相对误差RE(%)、洪峰合格率DQm以及峰现时差合格率DT 三个指标来评定水库入库径流预报方案的精度。

2.3 对象类型结构

水利工程编码体系对象结构由6 级编码构成，分为公共属性和私有属性，不同对象类型的公共属性编码部分保持一致，而私有编码部分有所差别，例如，水库和相关水文测站都有流量属性，在流量属性部分的编码规则要保持一致，其他水库库容、汛限水位等是水库的私有属性，其编码体现私有性质。三峡相关水利工程具体编码格式如图2 所示。

图2 对象结构类型编码格式Fig.2 Object structure type coding format

2.4 实例编码

依据编码对象类型定义与结构定义规则，以三峡水库、水电站、子水电站、机组、闸门为例进行实例编码，具体对象类型及其编码简码对应格式可参考相关标准。

对于不同的水利工程对象而言，某个水利工程对象如水库等包含了不同的属性条目，例如，在进行水库入库流量预报时，采用分布式水文模型和新安江模型预报出的入库流量为不同的属性条目。属性条目代表某对象的某个属性的具体时序数据集合，具有唯一性，不存在有多种数据来源的可能性，如果有多种数据来源，应将其归纳为属性，每种数据来源作为该属性下的一个条目，具体形式参考三峡相关文本。

表结构中针对各字段的描述如下：各类测针编码具有唯一性，均由数字和大写字母组成的8 位字符串表示，严格按《全国水文测站编码》执行。具体来讲，测站名、河流、水系、流域称通常用中文字符表示；经纬度采用测站代表点的东经、北纬度，精确到6 位小数；站址的描述一般用地县级详细地址；其余行政区划码、基面名称、基面高程均按照当地相关规定制定。

依托贵仁模型云平台建立交互式编码模块，提供模型组件的在线构建能力。数据中台设计应能接入水调自动化系统、气象业务系统、泥沙管理系统、文档系统、水工程系统、外部互联网数据等结构化与非结构化数据；通过数据清洗、整合、转换等方式建立数据仓库，根据业务建立数据集市；进行数据治理，建立元数据管理、数据资产管理、数据规范以及数据安全管理；建立算法、模型、规则、指标等计算要素库；建立标准化计算能力，能够使用数据分析、数据挖掘、机器学习、人工智能等方式进行气象、水文、调度、防洪、发电、生态、航运等方面科研计算。

3 结语

我国水系状况复杂，利用数字孪生等先进技术能够有效提升对水资源的综合管理效率。为完成新时期我国的水利管理任务，无人机、人工智能等技术逐渐成为先进智慧水利体系的重要组成部分。

三峡基于贵仁模型云平台的数字孪生水利工程编码体系统一流域内的各类水利工程的编码规则，整合了各类水利工程编码资源，有助于进一步加快数字孪生水利工程体系的建设，提升三峡智慧水利体系的建设水平。编码体系的构建有利于三峡流域以自然地理、水利工程、经济社会信息为主要内容，对物理流域全要素进行数字化映射，并实现物理流域与数字流域之间的动态实时信息交互和深度融合，保持两者的同步性、孪生性，从而实现对水利系统数字资源整合、数据互通、数据共享，加快统一服务支撑体系构建，实现政务管理集约化、高效化。

引用

[1] 李国英.加快建设数字孪生流域提升国家水安全保障能力[J].水利建设与管理,2022,42(9):1-2.

[2] 冶运涛,蒋云钟,梁犁丽,等.数字孪生流域:未来流域治理管理的新基建新范式[J].水科学进展,2022,33(5):683-704.

[3] 黄立锴.浅谈数字孪生技术在智慧水利工程中的应用[J].珠江水运,2022(16):46-48.

[4] 赵庆鲁,刘新征,杨绪超,等.浅析平原区水利工程调度对水文预报精度的影响[J].地下水,2021,43(3):205-206+220.

[5] 刘佳,邱庆泰,李传哲,等.降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展[J].水科学进展,2020,31(1):129-142.