基于数字孪生技术的水资源管理系统设计

2023-11-13魏雨钧何银俊

电脑与电信 2023年7期

梁甜魏雨钧何银俊

（1.长江工程职业技术学院，湖北武汉 430212；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北武汉 430070；3.湖北省水利水电科技推广中心，湖北武汉 430070）

1 引言

随着信息技术在水资源管理的进一步融合和渗透，当下水资源管理系统朝着数字化、智能化、智慧化方向发展，该水资源管理系统综合运行数字孪生技术、物联网技术、遥感及通信等多种信息技术，有效解决目前水资源管理中存在的诸多问题，提高了水资源信息化管理和科学化决策水平。

2 数字孪生技术与水利融合

2.1 数字孪生

数字孪生是一种融合模型和数据的数字化技术，即在计算机虚拟空间映射出物理对象的等价数字化模型，结合大数据、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、5G通信、云计算、人工智能及物联网等多种信息技术，联合传感器运行更新数据、物理模型实现物理对象的多尺度、多学科、多物理量、多概率的仿真与优化，从而模拟、控制、预测并验证物理对象发展，最终完成物理对象的全生命周期过程管理并做到智能决策优化闭环[1]。

2.2 融合理论基础

数字孪生技术的组成部分包含虚体、映射和实体，虚体表现手法有仿真三维可视化模型、沙盘、动画及图片等；实体包括流域、江河、湖泊、河口及水库等；映射是在虚体和实体之间建立起关联关系，是最重要的部分，分为软件和硬件映射两种[2]。其中，硬件映射包括无人船、遥感、检测站点、无人机以及机器人等感知设备；软件映射包括生态模型、数值模型、水质模型、数理统计大数据模型、泥沙运输模型、二维三维水动力模型及气象数值模型等。数字孪生可在虚拟空间中构建与物理实体相对应的数字孪生体，该孪生体和物理实体对象存在规则、物理、行为及几何等多方面的精确映射关系且两者之间保持实时交互从而模拟、预测、评估、决策和优化水利工程运行过程。

2.3 数字孪生技术在水利的应用方案

数字化水资源管理以BIM应用支撑模块为基础，使用SOA架构，构建数字化、个性化、智慧化的应用展示系统，该系统联合使用BIM技术和数字化技术，实现水资源监控类、水资源概要类、水资源防洪类、水资源维护类、水资源模型类、视频类、空间类、水情类及预警类等信息服务功能，以此对多源信息进行重构、深度处理及分析统计，为水资源日常管理提供多样化的数据查询与多维展示服务[3]。在BIM三维模型的基础上进行轻量化处理，结合信息化管理以实现三维模型在浏览器中快速清晰显示，轻量化技术可实现唯一性表达几何对象，剔除部分面和点进行图元合并，同时根据级别与距离加载复杂程度构建模型流，在HTML5页面上边下载边显示三维模型。轻量化处理完成后，使用HTML5构建数字化水资源管理系统，由此实现在浏览器上漫游、缩放、旋转三维模型，与此同时还可以查看相对应的属性信息。

数字孪生技术在水资源管理的具体应用过程：第一，为水资源管理建立三维模型。使用三维软件构建水资源管理各场景的三维模型，从电气、土建等专业角度建立与实际情况相符合的三维模型，通过数字孪生体建立虚实映射关系。三维模型可分成微观、中观及宏观三个规模层次，其中宏观级模型用来展现大范围水资源流域的场景，在场景中尽数标记所管理的全部站点，不注重场景细节展现，力求全面；中观级侧重于水资源外部设施环境和管理区环境的总体展现，展示水资源管理的总体环境；微观级则重点呈现水资源具体的设施设备布置及内部环境等情况。第二，叠加重点属性信息，三维模型是水资源数字化管理的载体，数据信息为水资源数字化管理提供服务支撑和数据依据[4]。属性信息同模型层级也分为微观、中观及宏观三个层次，宏观级信息多是概要类信息，是一类描述宏观场景的基本信息；中观级信息主要是水资源管理的基本信息，包括水资源管理的基本数据，如设施设备运行情况等；微观级信息侧重设施设备信息，包括设备实时运行情况、设备安装信息等。第三，水资源管理系统运行维护管理的应用。对水资源管理的技术参数、设计指标、缺陷、工程加固和改造情况等分类统计和管理以便于添加、修改和查询，为用户提供多维空间的可视化动态展示。

3 基于数字孪生的水资源管理系统的设计

3.1 系统需求与目标

传统水资源管理方式多使用纸质文件和部分电子文档来管理与归档水资源管理信息，具有信息实时性低、管理难度大、查找不方便及协同性差等弊端。因此，需要借助先进信息技术来全方位掌控经济、社会及自然等方面的情况，构建多类型的底层数据库；开发特定功能的应用模块，如根据水资源管理相关制度计算对应指标并完成分析与评价；对于水功能区水质条件发生变化或水资源需求立项，分析基本数据、预测诊断评估相关的影响，为科学决策提供有力的数据支撑，提高水资源管理的信息化水平，满足水资源的日常管理需要。

3.2 系统关键技术

对区域资源、经济、环境及社会现状深入调查，尤其是水资源开发利用情况、水利发展状况及水环境状况，在此基础上细分水资源分区并建立基本数据库，综合使用GIS、GPS、遥感及虚拟仿真技术来完善水资源监控系统，建立数字化流域平台。以水资源某区为例，建立安全评价体系，划分基本安全、不安全和严重不安全三个安全类型，评价水资源安全并预警和综合评估水资源安全风险从而制定水资源应急预案[5]。与此同时，根据节水型建设要求，设计入河排污许可和水权制度，优化水资源调度系统以保护水资源环境和生态，具体技术线路见图1。水资源管理系统以数据库+电子文档作为资料存储管理模式，使用ASP.NET开发Web系统，用PHP开发相关订阅号和企业号，同时借助百度最新地理信息资源来有效降低水资源管理系统的开发难度。

图1 技术路线图

3.3 系统总体架构

数字化水资源管理系统的核心和基础是数据库群，设有水资源考核计算模块、分析评价模块、人机友好交互界面等核心模块，联合应用Web交互、移动APP交互及客户端三维仿真交互等，同时结合微软地图数据源及百度地图API等，无缝构建统一的包含地图服务端数据、高程数据、本地空间数据及高精度河道水系数据等多源的空间数据集，水资源管理系统的主要架构见图2。

图2 水资源管理系统总体架构图

4 水资源管理系统的设计与实现

4.1 水资源管理系统实现

水资源管理系统由数据服务层、应用层及功能层构成，数据服务层用于提供基本数据服务和数据支撑，涉及水环境保护、水资源管理及防汛抗旱等核心业务场景，包含水资源公报数据库、水功能区信息数据库、水资源管理数据库、空间信息数据库、取水户检测数据库、栅格数据以及图片、影像和文档数据七类数据库，其中文件数据处理过程见图3。

图3 文档数据处理过程

水资源公报数据库用于存储水质状况、水资源开发利用情况及水资源量等信息；水功能区信息数据库对规定范围内的地表水，如水库、湖泊、河流及大沟等，划分功能区，同时划分深层地表水、中层地表水及浅层地表水功能区；水资源管理数据库根据水资源具体考核标准，收集整理、分析并集中管理水资源数据，如建成水资源基础数据库以管理某一或特定区域的用水定额信息、产品信息及取水许可户信息等；空间信息数据库用于收集并存储湖、排污口、河、污水处理厂、水功能区等详细空间地理数据；取水户监测数据库用于存储大规模农田水利、企业及重点监管取水户的取水情况等信息；图片、影像及文档数据主要收集并存储水资源方面发展战略及治理方针、水资源管理用水、取水申报资料、管理服务指南资料、项目审批流程图、水功能区检测资料、视频影像及审批电子档案等资料；栅格数据整合现有的高程数据、遥感影像、地图多源栅格数据，以此作为水资源三维数字模型的数据基础[6]。

应用层作为数字化水资源管理系统的核心组成部分，为用户以Web、移动端、客户端三种方式提供数据查看及业务管理服务，主要用作接收前端命令与数据，并将参数传递给数据服务层进行处理。应用层有自动响应和自定义事务要求两类工作模式，前者为很多事件预先做好情景预案与功能模块，在达到触发条件时，水资源管理系统触发并响应和反馈相应结果，如公众号，先预设一些关键词，当用户输入某一关键词时，系统响应对应结果；后者是像数据挖掘、交互分析处理及水资源辅助决策等不同用户根据实际要求进行自定义的事务，系统为用户提供水资源决策的技术支撑和数据依据[7]。

功能层包含Web交互、移动APP交互及三维数字仿真等模块，Web交互使用浏览器/服务器结构，为用户提供水资源信息查询和合理配置、科学管理等功能服务，综合使用地理信息系统、水文水资源、通信及数字化等方面的技术，并将webGIS功能融入水资源管理和日常业务中，使用统一后台为不同权限不同客户端的客户提供各种水资源管理服务；移动APP交互可用于3G、4G和5G网络条件下，当水资源管理人员需要外出办公时，仅需要访问手机上移动APP就可查询水资源管理信息及辅助决策等信息；三维数字仿真实现时序DEM地形数据和高分辨率遥感影像等基础数据的集中管理，可多维度动态呈现河道、排污口、取水口等基本信息。

4.2 核心功能

水资源管理系统的核心功能有电子文档处理、图片处理、符合查询等，由于管理系统涉及的档案资料多是Word类型文件，因此，实现Word文件的录入、统计、修改及检索具有重要意义[8]。具体步骤是：第一，开发工具中启动Word，若内存存在Word程序则调用，如果不存在则启动Word；第二，从数据库读取文件数据到本地磁盘或将本地磁盘数据写入数据库中。图片处理用来处理纸质文件经扫描后生成的图片数据，随着大容量硬盘的出现，对于这类数据采用直接存储的方式足以满足系统图片存储的需要。另外，系统还实现了档案号、目录号、签发人及标题等信息的多重复合查询和模糊查询。