江西省虎山站“四预”数字孪生系统应用研究

张 飞，王述强，李 湾

（1.江西省水文监测中心，江西 南昌 330000；2.北京金水信息技术发展有限公司，北京 100089）

1 背景

虎山水文站为乐安河江西省境内的水文站。按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，结合虎山水文站及所在流域防洪要求，构建虎山水文站“四预”数字孪生系统。围绕数字孪生水文站建设任务，充分利用现有建设成果，找准重点，突出亮点，紧抓任务时间和目标，力争做出成效，发挥示范引领作用。

基于本项目的建设，探索贴合江西水利特点的数字孪生流域建设技术路线，积累宝贵的建设经验，为后续江西省其他流域和水利工程数字孪生建设提供可复制、可推广的示范技术，实现与其他数字孪生流域的共建共享，确保与水利部、省级水利部门、工程管理单位共享数据的统一性、时效性和同步性，实现与水利部、流域管理机构、省水利厅单位之间数字孪生平台的互联互通、数据共享、业务协同。

2 “四预”数字孪生系统基础和关键技术

虎山水文站“四预”数字孪生系统的基础和关键技术包括数字孪生底板、可视化模型、数字模拟仿真引擎等。

2.1 数字孪生底板

数字孪生底板是数字孪生及业务应用的基础支撑[1]。在充分利用江西水利一张图的基础上，通过完善时空多尺度数据映射，扩展三维展示、数据整合、分析计算、动态场景等功能，建设基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化、三级贯通的数据底板。

2.2 可视化模型

依托数字孪生底板地理空间数据、监测数据和水利专业模型，根据实际业务需要构建水利工程自然背景演变、工程上下游流场动态、水利工程、水利机电设备的预演过程等可视化模型，满足仿真模拟等需要。

2.3 数字模拟仿真引擎

通过BIM 技术，提升服务平台在三维空间的数据服务能力[2]。数字孪生体的模拟仿真采用高性能3 D 实时渲染技术，融合地图、数据、场景、物联网和外部系统，形成一体化业务执行系统。所有业务搭载在三维平台图层之上，将视频、动画、2 D/3 D 图形与实时数据流进行统一整合，最大限度满足原生模拟输出呈现。

3 “四预”数字孪生系统设计

3.1 系统总体设计

以物理流域水利工程及相关水文数据为基础支撑，在已有信息基础上建设数据底板、模型平台、知识平台进而构建数字孪生平台，面向水行政主管部门领导、管理人员、工作人员等提供洪水预报、预警、预演、预案业务应用。系统总体框架分为物理流域层、数字孪生流域层、业务应用层和用户层，如图1所示。

图1 总体框架

3.2 业务流程设计

基于前端感知设备采集或共享的气象、河流、监测等数据，利用模型平台构建的可视化模型、水利专业模型等，对水文站所在流域洪水过程进行提前预报；洪水预警是在洪水预报的基础上，通过设定的防洪相关数据的阈值，对监测数据、预报结果数据进行综合分析，并最终发布预警信息；洪水预演模块是对已有的多种防洪调度方案进行三维可视化预演，预演结果将展示在会商决策模块，为领导提供决策支持；防洪调度预案模块是基于预演的结果数据，结合知识平台提供的知识依据，比选出最优的调度方案以及适宜的应急预案。在防洪工作结束后利用防洪评估系统对洪水灾害损失、防洪调度执行等方面进行评价评估。“四预”业务流程，如图2所示。

图2 “四预”业务流程设计

4 “四预”数字孪生系统建设

4.1 数字孪生平台

4.1.1 数据底板

虎山水文站数据底板建设内容包括数据资源池、数据模型、数据治理和数据服务等。

（1）数据资源池。建立虎山水文站数据资源池，充分整合与集成实时雨水情库、水文信息数据库、防汛抗旱专用数据库、水利工程库、实时工情库等相关数据，实现基础信息、监测信息、成果信息、地理空间信息、多媒体信息的构建、整合、集成和管理。

（2）数据模型。数据模型包括水利数据模型、水利网格模型和水利工程模型。其中，水利数据模型面向水利业务多目标、多层次的复杂需求，通过描述水利对象的空间、属性、关系、时态等信息，构建水利数据模型，形成描述水利信息全貌的模型体系。虎山水文站所处乐安河流域水利网格管理模型的建设，参照其他行业成功的网格管理模型，从行政区划、自然流域、水资源功能区等不同角度出发，划分不同的管理分区，对不同分区维度进行整合，形成水利网格化管理模型。通过倾斜摄影技术，构建虎山水文站高精度模型。

（3）数据治理。数据治理为三级数据底板构建提供标准化的数据支持。对数据资源池中二维数据、三维数据、业务数据等海量数据资源进行预处理、清洗、加工、轻量化、关联链接、融合、入库和备份与恢复等工作。

（4）数据服务。对各类基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据、地理空间数据进行整合处理，形成可融合共享和联动更新的数据底板；对水文、水资源等专业水力模型进行整合，通过Web服务接口提供模型调用、参数配置、预先条件定义、成果定制等数据服务，为防洪“四预”数字孪生系统提供数据保障。

4.1.2 模型平台

模型平台重点建设水利专业模型、可视化模型、数字模拟仿真引擎。其中，水利专业模型的建设利用已有分布式水文模型和水文水动力模型，补充构建集总式水文模型和预报调度一体化模型，对现有水文模型进行集成和优化；可视化模型的建设依托数据底板地理空间数据、监测数据和水利专业模型，根据需要构建水利工程自然背景演变、工程上下游流场动态、水利工程、水利机电设备的“四预”过程等可视化模型，满足仿真模拟等需要。

4.1.3 知识平台

根据收集的虎山水文站历年水文实测数据和所在流域的水利工程情况，集成各类预报调度方案、调度规则和专家经验，通过现实情况与预演情况的对比分析迭代优化模型算法，形成调度预案知识库，构建动态优化、实时更新的水利知识库，提升智慧化决策支撑水平。

4.2 “四预”业务应用

按照江西省智慧水利建设技术规范和水利部数字孪生流域建设要求，采用微服务、二三维一体化等关键技术，建设虎山水文站“四预”业务应用系统。充分利用已建成果，构建虎山水文站“四预”数字孪生系统。该系统融合洪水预报调度的各类信息资源，全面掌握虎山水文站及所在流域防汛相关信息，在信息整合与展示的基础上，构建虎山水文站预报、预警、预演、预案的数字化场景，实现虎山水文站及所在流域内重点关注对象的智慧化模拟，辅助管理者实施精准化决策。

4.2.1 预报业务

预报业务主要是构建综合信息查询与展示、多源降雨数据接入、多模式预报、洪水态势分析等功能应用。通过应用功能的开发建设，为数字孪生平台提供基础数据查询，提高降雨数据的精度（如雷达测雨数据[3]）以及延长洪水的预见期（如利用降雨数值预报）。针对不同的应用场景和需要，采用集总式水文模型、分布式水文模型、一二维水文水动力耦合模型等多种预报模型方法进行洪水预报，基于时间轴，分析虎山水文站所在流域洪水过去、现在、未来的变化过程，包括动态变化趋势。

4.2.2 预警业务

智能化预警通过各类技术手段，包括智能分析技术，将洪涝灾害信息及时或提前传递给防洪工作人员和社会公众，达到避免或减少洪水带来的损失的目的。实时信息监测预警通过雨情、水情、工情信息的实时监控，掌握虎山水文站所在流域的实时汛情；河道洪水预警根据流域上游集总式水文模型、分布式水文模型的预报成果，结合河道水文站的洪水预警指标，实现断面的洪水预警；乡镇洪水及淹没预警依据分布式水文模型、一维水动力模型的计算成果，结合各断面的洪水预警指标，实现河道重要断面的洪水预警。

4.2.3 预演业务

通过调用模型平台中的一二维耦合水文动力学模型微服务，后台实时滚动计算洪水演进[4]过程，结合三维可视化模型对虎山水文站所在流域洪水的实时洪水演进情况、淹没情况、防洪应急方案等进行推演模拟、可视化仿真，并对流域范围内雨情、水情、淹没形势进行综合分析。

4.2.4 预案业务

依托现在的流域下垫面条件，对虎山水文站记录的历史典型洪水、设计洪水或者实时洪水进行预演，并通过可视化手段将推荐的各种方案直观地展示给用户。预案主要为水文部门水位加测加报工作预案。

5 结语

数字孪生流域建设是强化流域治理管理的迫切要求，江西省虎山水文站“四预”数字孪生系统具有技术攻关和示范引领作用，对探索水文站点防汛“四预”体系的建立有现实的重要意义，在未来项目实施运用较好的前提下，可以考虑将数字孪生系统的建设范围和涵盖业务不断扩展，形成覆盖整个虎山水文站所在流域以防洪调度、水资源管理为基础的多尺度、多业务的应用体系，为江西省“2+N”水利智能业务应用体系提供可以借鉴的实例。