下坂地水利枢纽数字孪生顶层规划探析

张 明

(新疆下坂地水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000)

下坂地水利枢纽地处帕米尔高原，高寒缺氧，自然环境恶劣，地质条件复杂，对一线工作人员身体存着在不可逆的伤害。为提升下坂地水利枢纽信息化水平，减少一线工作人员，需对下坂地水利枢纽工程整体进行智慧化及数字孪生规划设计，以满足新阶段水利高质量发展的要求。

1 概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，为大(2)型Ⅱ等工程，工程由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房四部分组成。水库总库容8.67亿m3，库区水面面积20.91km2[1]，回水长度22.75km，电站装机(3×50MW)150MW。

2 建设现状及存在问题

2.1 下坂地建管局信息化情况

(1)管理局建设有水利信息专网、电子政务内网(OA办公自动化系统)，实现了公文、通知等电子化流转。局机关有2套塔管局视频会议系统；水库管理处驻地1套华为企业智慧屏视频会议系统，1套地区综治视联网系统。可满足塔管局、局机关、水库驻地等三级线上视频会议。

(2)下坂地水利枢纽枢纽建筑物配套有3个专用水文站、2个雨量站及17个地震监测点，有完备的大坝安全监测系统、上下游水文监测系统以、大坝视频监控系统以及地震台网监测系统。已建成并投入使用的自动测站有6个，可实现数据实时传输至塔管局综合业务平台。

(3)水库大坝安全监测系统运行正常，可实现监测数据远程采集并传输至塔管局信息中心。拟建水库智慧巡检系统建设项目，机关互联网安全防护、测评等保二级项目，056前端检测器、609平台客户端软件安装项目。

(4)局机关、枢纽区及驻地共设置了130余路高清摄像机监控点，实现了对重要设施、重点部位的实时监控，存储可达90d以上。

2.2 存在的问题

(1)由于枢纽建设较早，各个系统经过多年的实用存在功能落后、部分设备老化不能完全满足现有的管理需要。水利信息化设施设备老旧且缺失严重。水库安全检测传感器丢失、损坏了很多，虽然有自动采集设备，但是水利信息的采集设施不够完善，达不到要求。电厂虽然能实现工情自动化采集，但无法自动传输。计算机配置落后，大多已到报废年限，不能处理多媒体高信息量，处理能力偏低。

(2)缺少信息化建设长期规划的顶层设计。由于资金紧张，长久以来，下坂地水利枢纽管理局没有对信息化建设工作制定短期或者长期持续发展的规划和投入。

(3)是信息孤岛现象突出。由于缺乏系统集成，视频监控系统、安全监测系统、视频会议系统、办公系统相互割裂，没有统一平台。

3 下坂地水利枢纽工程信息化建设方案

按照需求牵引，应用至上；系统谋划，分步实施；统筹推进，协同建设；整合资源，集约共享；更新迭代，安全可控的原则[2]，规划建设完善下坂地水利枢纽数字孪生系统。具体建设方案如下。

(1)加强顶层设计。借鉴水利信息建设先进单位的成熟经验，引进内地信息技术公司按照下坂地水利枢纽工程建设管理局工作实际和需求做好信息化建设顶层设计。

(2)通过系统集成，把各个分系统集成到统一平台，消除信息孤岛。结合下坂地水利枢纽实际，通过一张图建设，建设符合国家水利数据库建设的标准和规范的水库信息化综合体系管理平台，满足智慧巡检、安全生产、演练、安全监测、水情数据采集分析、党建等方面工作需求，还可以运用数字孪生技术在维修养护工程方面对全过程进行监督，对工程造价、财务预算进行分析控制等。

(3)实现闸控系统自动化。通过改造升级闸控系统PLC控制系统，布设专网光缆，通过闸门控制软件发送编写好的PLC控制程序到PLC系统完成对闸门的远程启闭操作，设置在闸房内的现地控制开关切换远程和现场操作，确保特殊环境、特殊需要时闸门控制的灵活性，及时发现和排除工程隐患，以保障水库工程的安全稳定运行。

(4)实现安全监测系统自动化。通过对现有的安全监测系统升级改造，能及时发现工程隐患并报警，以保障水库工程的安全稳定运行。例如：通过全自动全站仪把测量数据实时传送至水库管理处机房安全监测服务器，对已传回机房的测量数据进行处理、分析、画过程线，实现枢纽工程原型观测自动化工作；对安全监测设备进一步进行改造升级，对下坂地水库坝区基准网进行校核，提高设备测量精度。

(5)建立可持续发展的信息化体系。利用先进实用的计算机网络技术、水雨情自动测报技术、自动化监控监测技术、视频监视技术、大坝安全监测技术，实现对下坂地水利枢纽工程的实时监控、监视和监测、管理，基本达到无人值班、少人值守的管理水平。

4 下坂地水利枢纽数字孪生建设内容

4.1 建设目标

总体建设目标是：按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智能化模拟、精准化决策为路径，构建下坂地水利枢纽数据底板，升级扩展三维展示、数据融合、分析计算、动态场景等功能，建设完善数字孪生平台、提升信息化基础设施能力，实现与物理库区同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，支撑“四预”(预报、预警、预演、预案)功能实现和“2+N”智能应用运行[3]，提升水利枢纽决策与管理的科学化、精准化、高效化能力和水平，为新阶段下坂地水利枢纽高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

4.2 总体框架

下坂地水利枢纽数字孪生建设依据水利部数字孪生流域建设技术大纲和数字孪生水利工程建设技术导则(试行)的要求。其总体框架如图1所示。

图1 总体框架

图1中，信息化基础设施主要包括监测感知设施、通信网络设施、自动化控制设施、信息基础环境等。数字孪生平台主要包括数据底板、模型库、知识库、孪生引擎等。典型应用主要包括工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、生产运营管理、巡查管护、综合决策支持等。信息安全体系主要包括信息安全组织管理、安全技术、安全运营、监督检查以及数据安全等[4]。保障体系主要包括管理制度、运维保障、标准规范等。

系统应用架构如图2所示。

图2 系统应用架构

4.3 建设计划

下坂地水利枢纽数字孪生建设根据建设内容和实际需求，总建设周期为两年，分为2期建设。第一期完善水利枢纽的基础设施，重点建设基础信息化设施的传感网络、无人机巡查系统；第二期建设信息化设施中的数据中心、通信网络、地震台系统，智慧业务系统的综合调度、综合监控、巡查管护系统。

4.4 第一期建设内容

4.4.1 通信网络

下坂地水利枢纽建管局和下坂地水利枢纽相距300km[5]，分别位于喀什和塔县。水利枢纽地处高原，工作条件比较恶劣，其通讯网络建设是实现远程监控、降低工作强度、少人值守的重要基础。目前从水利枢纽到现场驻地为光纤做成的通信网，从现场驻地到喀什建管局的数据传输，通过水利网上传到塔河管理局后，再通过互联网返送数据到建管局。为实现建管局对水利枢纽的远程监控，需要建设一条从水利枢纽到喀什建管局的数据专线。

该专线建设租用运营商物理链路或SD-WAN，物理链路带宽建议100M以上。通过专线建立水利枢纽现场与建管局数据中心的数据链路，保证建管局对现场的实时监控和远程管理。

4.4.2 监测网络

下坂地水利枢纽现有监测网络有上下游及库区水文监测系统、水利枢纽地震监测系统、大坝安全监测系统、周界及重点区域视频监控系统等系统。经过10多年的系统运行，部分系统的监测设备老化，部分监测设备需要人工监测。结合实际，对现有大坝监测系统设备进行升级，实现数据自动采集和传输，应用GNSS系统对水利枢纽沉降、裂缝、变形、渗流等进行监测。对周界及重点区域视频监控系统升级，补充高清数字视频监控设备，并在关键位置考虑部署AI边缘计算盒对关键部位进行边缘计算实时监控，提高安全监测的实时性和有效性。

4.4.3 无人机系统

水利枢纽管理范围22km2，处于高海拔地区，目前仅库区和发电站区域有相关安全监测、视频监控系统，其余区域因地理条件限制尚未部署相关巡检监测系统，同时因自然条件和地理条件，人工巡检难度大效率低。基于无人机+视频影像+AI的巡检技术已经较为成熟，能够满足在恶劣地理条件和自然环境下替代人工进行巡检，通过无人机航路规划、自主飞行、高清影像和视频同传获取，能够到达人工巡检很难到达区域的巡检，同时基于AI算法和机器视觉的影像和图像处理分析，能够极大的提高巡检效率和及时发现问题的能力。

4.4.4 应用系统建设

水利枢纽综合监控系统作为水利枢纽安全管理的核心，也是数字孪生系统数据的来源，作为基础系统在一期规划中建设完成其全部功能。巡查管护系统是水利枢纽日常管理系统，在一期建设中完成其全部功能。安全预警分析依赖于监测数据的分析与分析模型的建设，一期建设完成安全预警系统的实时监测功能、安全分析功能、安全预警功能。

4.4.5 水利枢纽数字孪生系统

数字孪生系统较为复杂，涉及到基础数据、引擎等多个内容，建设周期较长，根据系统的基础功能和依赖关系，一期建设完成数字孪生系统中的数据底板、孪生引擎建设。初步实现水利枢纽的数字孪生应用和可视化展示。

4.5 第二期建设内容

4.5.1 数据中心

下坂地水利枢纽目前有部分服务器支撑现有系统运行，没有专业机房和机柜，没有数据存储。IT基础部分比较薄弱，因此在信息基础设施建筑中需要予以加强。建议在下坂地水利枢纽设立现场数据中心，在喀什建管局设立核心数据中心。现场数据中心在现有服务器基础上增加数据存储设备，建议数据存储容量为48T，满足3个月的现场数据存储要求，同时增加数字孪生及业务应用系统服务器。建管局建设核心数据中心和远程监控中心，主要承担数字孪生引擎AI算力支持、智能化业务系统高性能算力支持，以及算法和算据的存储支持，以及对水利枢纽现场的远程监控调度管理。

4.5.2 网络监控

建管局远程监控中心建设以监控系统运行、日常值班和应急指挥调度为主。监控中心建设系统运行大屏，视频会议、协商调度系统和应急指挥系统。

(1)监测网络。下坂地水利枢纽现有监测网络有上下游及库区水文监测系统、水利枢纽地震监测系统、大坝安全监测系统、周界及重点区域视频监控系统等系统。经过10多年的系统运行，部分系统的监测设备老化，部分监测设备需要人工监测。根据枢纽现有的选址和通信条件，对现有无法实用的地震监测系统进行更新，选用数字化的地震监测设备，满足对枢纽地震数据的监测。水利枢纽的泄洪洞及引流洞，补充水下监测点，以便对因滑坡、泥石流或洪水等原因导致的洞口堵塞进行监测。

(2)网络安全体系。按照网络安全等级保护相应等级要求开展安全物理环境、安全通信网络、安全区域边界和安全计算环境建设。落实工控系统、云与虚拟化、移动互联和物联网扩展安全要求。最小化数字孪生水利工程网络暴露面，严格内部信息和技术文档控制管理。

工控网实时控制区与过程监控区严格物理隔离，原则上仅允许实时控制区数据单向交换至过程监控区。工控网与业务网的物理隔离，仅在工控网过程监控区设置专用的前置交换区用于数据交换；对数字孪生水利工程核心系统设置独立的逻辑或物理区域，并根据业务功能、设备类型等划分子区域。

4.5.3 应用系统建设

综合调度系统是水利枢纽各个业务融合，依赖一期建设的各个系统的数据和业务融合，二期建设依据一期的业务数据和业务系统完成调度系统建设、水利枢纽安全预警系统、生产运营系统、数字孪生系统等建设，完成知识库建设和模型库建设。

5 结语

根据水利部对重大工程的智慧化管理要求和智慧水利建设需求，结合下坂地水利枢纽现状及存在的问题，经过分析探讨，下坂地水利枢纽数字孪生系统包括数字孪生平台建设、信息化基础设施、智能业务应用、系统安全体系和保障体系。整个系统按照需求对进行两期建设，一期主要完成通信网络、监测网络、无人机系统、应用系统等基础，二期在一期的基础上，完成数据中心、网络监控、网络安全体系、数字孪生系统等建设，这将对驻地值守人员工作强度的降低、工作方式的优化有着积极的作用，为类似水利工程信息化建设提供了借鉴。