引黄入冀工程数字孪生体系建设初探

□褚益清

为贯彻2022 年全国水利工作会议、数字孪生流域建设工作会议精神，水利部按照有关要求在全国范围内开展数字孪生流域试点工作。2022 年，相关单位先后编制完成了94 项数字孪生流域、数字孪生水利工程先行先试实施方案和《“十四五”数字孪生流域建设总体方案》。

目前，全国水利系统均已开始积极探索数字孪生流域的建设和应用，随着数字孪生理论的逐渐成熟，物联网、大数据、5G 等技术的发展以及无人机等硬件的普遍应用，利用新技术推动引黄入冀工程的数字化、智能化发展，有望成为引黄入冀工程高质量发展的重要内容。

1.引黄入冀工程概况

河北省现有引黄入冀补淀、位山、潘庄、李家岸4 条引黄线路，分别从河南、山东引调黄河水，省内输水干线总长917km，途径邯郸市、邢台市、衡水市、沧州市、保定市和雄安新区的36 个县（市、区），引黄入冀工程担负着向白洋淀、衡水湖、南大港等湖泊湿地和河流生态补水的重任，在推动雄安新区生态建设，助力河北省地下水超采综合治理，提供引黄沿线受水区农业灌溉水源，改善省内河湖生态环境方面意义重大。

引黄入冀补淀工程从河南省濮阳市的渠村闸引水，在魏县穿卫河倒虹吸后入河北省，省内线路长398 km；位山引黄工程从山东省聊城市的位山闸引水，在临西县经刘口穿卫涵洞进入河北省，省内线路长203 km；潘庄引黄工程从山东省德州市的潘庄闸引水，经漳卫新河倒虹吸进入南运河，最后到达天津九宣闸，省内线路长242 km；李家岸引黄工程从山东省德州市的李家岸闸引水，经漳卫新河倒虹吸进入河北沧州，省内线路长75 km。

2.引黄入冀工程信息化现状

河北省引黄工程线路多，路径长，涉及部门多，主要依靠经验来执行调度工作，调度运行管理工作量大、难度高，信息化建设滞后，主要表现在以下几个方面：一是缺乏自动化系统建设，智能化管理在引黄入冀工程中应用不足。引黄输水期间，水情工情、运行情况等要现场查看后层层上报，调度命令下达后不能及时监督执行情况，工作效率不高。二是监测设施体系不完善。引黄输水期间，大部分工情、水情等基础数据还是主要靠人工采集完成，缺乏自动化监测设施，无人机、高清视频、卫星遥感等新型监测手段在引黄入冀工程中尚未得到应用。三是信息共享不到位。各业务相关部门存在数据资源不对等、信息共享不及时等现象，数据资源不能进行系统性梳理，不能及时利用大数据进行数据整合、分析、优化和辅助决策。

3.数字孪生技术

3.1 数字孪生定义

数字孪生就是以物理模型、传感器更新、运行历史等数据为基础，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟信息空间完成对物理实体的真实映射，继而能反映出相应实体装备的生命周期过程。也就是将各种传感器安装到工程实体上，应用智能的感知手段构建拟真的数字化场景，创建能够模拟实际业务工作的虚拟模型。在这个模型中，对应工程实体的物理属性、几何参数、运行规律等都能得到真实反映，同时模型具备监测、评估、优化、预报等功能，以工程实体和虚拟模型的交互融合为基础，可以提供智能化运行、精准化管控和可靠的运维服务。

3.2 数字孪生技术在水利工程中的应用

随着数字孪生黄河、数字孪生大藤峡工程、数字孪生南水北调工程等数字孪生流域和数字孪生水利工程先行先试建设工作的开展，数字孪生技术已逐步应用在水旱灾害防御、水资源调度管理等水利领域，初见成效。

黄河水利科学研究院基于黄河数学模型系统和数字孪生技术，研发出黄河流域智慧防汛平台。该平台集成了雨水情、水库属性和状态信息、河道整治工程及实时出险信息、水文站点等动态监测数据，以及水文预报模型、水库联调模型和二维洪水演进模型，不仅能实时查询水位、流量、气象降雨预报、洪水演进流场和淹没水深，还能实现信息预警、调度方案生成与影响过程预演、决策方案优选、智能匹配预案等功能。黄河流域智慧防汛平台已初步应用在2021 年、2022 年防御大洪水演练工作中，为防汛演练提供了重要的科技支撑。

运用数字孪生技术，南水北调东线一期工程山东段搭建出二三维一体模拟仿真平台，创建与实际引调水工程能够相互映射的数字模拟体，再结合调水工程特点，运用渠池蓄量平衡原理成功研发出“同步控制自适应平衡”调度控制模型，精准模拟水量调度方案运用及实时调度过程，建成了智慧化水量调度系统，为实现科学化、精细化水量调度管理提供了有力支撑。

4.数字孪生体系建设

4.1 数字孪生与引黄入冀工程运行管理的融合性分析

运用数字孪生理论，基于BIM+GIS技术，在信息空间中建立与工程实体在空间位置、状态、物理、行为、规划等方面相互对应的虚拟模型，实现工程实体在计算机中的真实映射，同时虚拟模型和工程实体通过相关技术可以实现工程运行管理过程的实时全景监视，在及时了解工程运行状态的同时，实现水量调度管理的分析、预测、优化和控制决策。通过建立水量统一调度信息平台，在完成多源异构数据集成、整合、交换及共享的同时，实现工程在物理和信息空间之间的实时交互、迭代优化，增强引黄入冀工程的信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行能力。运用数字孪生技术建设引黄入冀工程数字孪生体系，可以大幅提升引黄入冀工程运行管理的效率和质量。

4.2 建设目标

围绕引黄入冀工程的业务应用，以输水调度、防汛应急、工程管理为中心工作，以采集输水干渠沿线水量、水质、水位、工程运行实时信息等调水信息为基础，利用物联网、BIM+GIS、云计算、大数据、移动互联等信息化技术，建立逻辑统一、交互共享，能为水量统一调度和工程运行管理服务的大数据库。通过构建安全实用、高效可靠的数字孪生体系，达到透彻感知、全面互联、智能处理、高效协同、便捷应用目标，实现水量统一调度管理辅助决策、防汛应急、工程管理维护、安全运行等方面的智能化运行，全面提升引黄入冀工程运行管理和水量调度的智慧化管理水平。

4.3 体系建设

首先完善信息基础设施建设。根据工程实际，安装水位、流量等水情信息自动监测设备、工程安全监测、运行数据采集和监控设备，应用现代化通信技术，完成通信网络、运行环境、计算机与存储系统等的建设，建成工程监测感知体系。

其次搭建数字孪生平台。以L1、L2 级数据底板为基础，构建基于BIM+GIS 技术的L3 数据底板，打造虚实相应的数字化场景；建立符合引黄调水实际的水量调度、安全监测、防洪调度、工程调度模型，不同自然环境下的可视化模型，创建模型数据库；建立工程防汛预案、水量调度方案、突发事件应急预案等业务知识库；建成包括数据底板、模型库、知识库等在内的数字孪生平台。

第三建立业务应用平台。以需求为牵引，充分利用信息化手段对现有基础应用系统进行不断升级完善，建立三维工程全景可视化平台、水量统一调度管理平台、工程运行管理和安全监测平台，借助业务应用平台对多源异构数据进行整合、共享，实现水量精细化调度和工程运行安全管理。

最终通过系统集成，建成全线数字场景，构建覆盖1 个引黄中心、4 条引黄干渠、6 个市（包括雄安新区）、36 个县（市、区）的数字孪生体系，完成引黄入冀工程“一张图”，集成自动化调度与监控、水量与水质监测、工程安全运行监测与维护、综合信息服务、系统运行实体环境等功能，以期实现水量调度、防汛应急、工程运行管理自动化、智慧化、可视化。引黄入冀工程数字孪生体系总体框架见图1。

图1 引黄入冀工程数字孪生体系建设总体框架

5.结语

引黄入冀工程在我省水资源配置方面发挥了重要作用，在数字孪生技术快速发展的今天，积极利用新技术，推动引黄入冀工程运行管理的数字化、智能化发展，是顺应水利高质量发展的必然趋势。而我省引黄工程信息化建设基础薄弱，引黄入冀数字孪生体系建设要在充分整合、利用现有资源的基础上，根据工程实际需求，加快信息化基础设施建设，同时积极借鉴数字孪生先行先试试点经验，为数字孪生应用到引黄入冀工程运行管理中打好基础。