某泵站数字孪生平台设计与应用

赵宏为，刘晨烨，郭超群，荀 俊

（1.常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州 213017；2.江河港武水务（常州）有限公司，江苏 常州 213017）

数字孪生最早是由美国国防部在2011年提出的。数字孪生充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，结合5G 通信、物联网、GIS、BIM、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术[1]，集成多尺度、多学科、多物理量、多概率的仿真过程，通过将实际存在的物理实体映射到虚拟空间中，从而反映相应的全生命周期过程[2]。

本文根据国家智慧水利总体方案要求，在坚持问题导向、补齐信息化短板、构筑网络安全防线、支撑行业强监管、加快推进智慧水利的背景下，充分利用物联网、大数据、云计算、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，结合自动控制系统、视频监视系统等对泵站进行透彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务，建设灌区渠首泵站数字化监管系统，将信息技术与水利业务深度融合，实现泵站运管由人工向信息化、数字化的转变，提升灌区渠首泵站数字化智慧化监管能力，助力水利枢纽规范化、精细化、数字化监管体系建立。

该数字孪生泵站平台网络架构按照泵站控制网、信息网、互联网、水利专网接入4个层次规划，构建安全可靠的水利网络，满足泵站感知采集、视频、业务应用等连接接入，并提供向上接入工程管理处、市水利局、省水利厅的互联互通的网络体系。

1 数字孪生平台架构设计

1.1 总体架构设计

按照水利部关于数字孪生工程建设要求，结合本枢纽泵站运行调度监控业务需求，本枢纽数字孪生系统采用B/S 模式，构建起“五层融合，两体系贯穿”的架构。其中，“五层”分别为水网数据层、基础设施层、数据底板层、支撑平台层、业务应用层[3]；“两体系”为数据规范与标准体系、信息安全与运行保障体系。

（1）水网数据层。将水物理网、水信息网、水管理网结合形成三网合一的水网全要素信息系统，结合系统业务需求，采集汇总工程运行过程中监测到的相关的水网信息。其中，基础数据包括工程的规模等级、设备等；监测数据包括水工情、视频监控等；调度数据包括调度指令、调度方案、调度结果等。

（2）基础设施层。采用光纤、水利专网、互联网等途径进行数据信息的传输，利用私有云平台实现数据的存储以及水利专业模型和智能分析模型的计算。

（3）数据底板层。拟定数字工程数据资源目录，制定数据资源管理规范，联合已建的雨水工情等数据库，进一步按照标准化的数据结构补充数据库建设，管理物理实体枢纽相关的数字信息，并形成更新共享机制。

（4）支撑平台层。利用工程调度水利模型和统计分析、评价优选、智能推送等算法赋能区域的数据底板，提出闸泵调度相关业务场景的智慧化解决方案。结合三维建模、仿真模拟等可视化技术，呈现出业务场景的实时渲染和三维可视化，形成物理水利工程的智慧孪生体，实现数字孪生工程和物理实体工程的实时同步仿真运行。

（5）业务应用层。基于数字孪生水网，构建水利工程监测、调度、维护应用等模块。其中，监测模块汇集展示实时水情、工情、视频动态监测信息，实现水利工程的全方位监测和预警，为工程的安全稳定运行提供服务；调度模块包括下达汇总调度指令、调度方案和调度结果等功能；维护模块主要通过数字化手段实现对主要机电设备的全生命周期管理，实现对工程基础信息、巡查信息、维修信息等的管控，以保障水利工程可用，为调水、防汛提供基本支撑。

1.2 数据底板

数据底板作为智慧水利的算据，是基于“水利一张图”，经过完善时空多尺度数据映射，具备三维演示、计算分析、数据融合、动态场景等功能，形成基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化、跨层级、跨业务的智慧水利数据底板，实现水利全要素的数字化映射。

数据底板主要包括工程范围内的建筑物BIM模型、工程相关图纸、工程范围内的无人机倾斜摄影测量DSM数据和水下地形模型等。

1.3 数据采集

数据采集是数字孪生静态化场景建立与动态化场景驱动的关键[4]，它通过建立监测数据统一采集平台，满足从监测数据采集、处理到管理的全面应用需求，实现面向应用的数据监管、集中管控和维护运行，具备稳定、灵活、可用和扩展性的功能支持。其主要采集数据包括水情、工情、视频监视、气象台风路径等数据。监测数据统一采集平台，如图1所示。

图1 监测数据统一采集平台

1.4 数据库建设

基础数据库主要包含实时数据库、历史数据库、水利工程数据库及地理空间数据库，目的是将实时采集数据、历史收集资料及项目建设管理过程中收集的水利工程、地理空间等数据进行整编。其中，实时数据库用于储存采集设备的监测数据；历史数据库用于储存工程运行调度、水情、工情历史数据；水利工程数据库用于储存水利工程基础信息；地理空间数据库用于储存河道河网及水利工程的地理空间信息。

业务数据库管理存储系统运行的核心数据，主要包括以下4个方面的数据。

（1）基础数据。包括地理信息、区域区划数据等，区域内部各设备（如控制柜、机组、发电机等）管理信息数据。

（2）业务数据。包括模型数据、设备数据、运维数据等。

（3）数据图层。数据采用统一的坐标系，按照分图层提供，并且有相应的属性数据，数据提供方式为通用的空间数据格式。

（4）系统管理数据。用于系统自身管理、流程控制、事务记录等方面的数据，便于对系统进行运维、监控、管理。

2 数字孪生平台应用场景

泵站数字孪生平台的建设可以实现物理实体与虚拟模型的信息交互，从由实到虚的镜像再现到以虚控实的智能操控，可以不断提高泵站运维、管理工作的可视化水平和智慧化水平。该平台主要有业务系统、智能巡检系统、移动App系统和信息化展示系统。

2.1 业务系统

数字孪生建设的关键是业务系统，其主要用于数据底板建设成果的可视化展示和运用。本工程以泵站范围内的三维地理空间信息数字化逼真表达为背景，以三维仿真的自动化、智慧化与可视化技术为支撑，以实时核心要素信息为内驱力，利用专业模型的模拟方法、优化分析原理和大数据平台技术等，可初步实现各子系统之间的功能协调与综合业务应用。

本工程业务系统以枢纽数字孪生平台为基础，综合展示各感知设备信息，包括设备位置、功能、当前状态等，具备三维可视化全景展示、水情工情实时监测展示和运行演示等功能，主要展示模块包括孪生场景地图、实时运行工况、运行模拟演示、特征站点水位等（如图2—4 所示），可直观展现工程各项关键指标，便于实时掌握工程全局情况。

图4 视频监视信息化联动

2.2 智能巡检系统

本工程中设备及建筑物检查是日常重点管理工作之一，通过建立智能巡检系统，实现对工程日常检查、定期检查、特别检查、工程隐患上报的管理，落实工程巡检精细化管理要求，及时发现问题并提出解决方案，从而保证工程的正常安全运行。该巡检系统具有巡查线路、巡检区域、巡检类型（日常检查、定期检查、专项检查）、巡检任务确定和巡检记录、异常管理等多种功能，可助力维修养护管理工作更加规范化、精细化、程序化。智能巡检系统，如图5所示。

图5 智能巡检系统

2.3 移动App系统

移动App系统有机结合了手机客户端的App应用和电脑端的Web 应用，可实现多终端用户的同步化管理和多类用户综合业务的一体化管理，同时基于移动终端可实现对泵站的基本信息、监控数据、视频信息、预警信息以及运行工况等的查询[5]。移动App系统页面，如图6所示。

图6 移动App系统页面

2.4 信息化展示系统

数据可视化是指将各类数据按照使用场景、数据类型等通过可视化图表（折线图、饼状图、柱状图、离散图等）方式进行多维度的展示、分析，在一个页面可对重要和必要的实时数据和统计数据进行有层次感的展现和分析，可为值班人员、参观人员等带来更加准确、震撼和清晰的体验。

以本工程为例，通过对接自动化监控采集的工控数据，开发数据可视化页面，如图7所示。将泵站和水闸重要的运行实时数据和统计分析数据以可视化方式呈现在页面中，并将可视化页面投到监控中心大屏上，实现对全局重要数据的监测分析，辅助工程的运行调度，为水利工程监控提供更为震撼的展示效果。

图7 工程数据可视化页面

信息展示大屏主要可视化的信息不仅包括水位、闸门启闭情况、机组开启情况、流量等重要实时工情数据，而且包括水闸启闭历史次数、过闸流量、闸门启闭频率、机组运行台时、机组持续运行时间、机组开启次数等统计分析数据，并基于不同维度监测分析本工程的运行数据可视化。

3 结语

本文基于数字孪生理念，依托计算机技术、BIM 技术、传感器、RTU、PLC 等设备，搭建了泵站数字孪生平台，将各种零散、割裂的信息数据关联起来，以实镜虚，以虚控实，实现了泵站全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、物理空间与信息空间的实时交互、迭代优化，改善了泵站现在的管理状态，提高了泵站“四预”（预报-预警-预演-预案）能力，有效提升了泵站效能，为工程智慧化管理、统计分析和数据挖掘等创造条件。