数字孪生水库建设解决方案浅析

张祥吉，焦玉梁，乔 羽

（淄博市太河水库管理中心，山东淄博 255178）

1 太河水库概况

太河水库位于淄博市东南部山区淄河干流上，是一座集防洪、灌溉、城乡供水、水力发电等综合利用的大（二）型水库。太河水库是淄博市中心城区、临淄区、淄川区近100 万居民的重要饮用水水源地，人口稠密、工厂林立，防洪任务十分重要。

2019 年建成太河水库水源地保护综合管理系统，系统主要包含供水调度子系统、工程管理子系统、水质监测保护子系统、视频监控子系统及专家库子系统五部分，初步实现了水库信息化管理的功能，为随后数字孪生水库建设奠定了基础。

2 数字孪生水库建设的需求分析

2.1 功能需求分析

2.1.1 防汛调度

依据实测的降雨、预报降雨或假定降雨数据，进行洪水预报的仿真模拟，预报水库所在流域干支流及所在区域各断面的洪水流量过程，动态显示洪水演进过程，并输出控制断面的水位、流量信息，进而结合历年防汛预案，生成参考的防汛调度预案以辅助决策。

2.1.2 水源地及工程管理

从水源地保护及工程设施维护管理等多方面、多维度，系统地构建各类模型库，直观、形象地展示和反映工程的运维情况，及时提出维护、改造及加固方案，为水源地保护和水库工程运维提供全过程、全寿命期的保障。

2.1.3 水资源调配

结合上级批准的各用水户的取水量指标，基于实时监测水库水位和流域内可能来水预报分析，评估水库的预期可供水量数据，制定水资源科学分配方案。

2.2 业务需求分析

结合现实的业务需求，打造具有水库特色业务模块，凭借综合展示、水资源调配管理、防汛调度、运行管理、水源地保护、安全监测预警等业务模块，提升水库数字化运行管理能力和效率，实现水库智慧化管理。

2.3 非功能需求分析

2.3.1 网络及安全性能

在原水库网络安全满足等保三级前提下，对其它硬件设备、软件系统、网络等方面进行全面安全升级，在数据归集、清洗、存储、访问、传输过程中提高安全性。

2.3.2 物理安全需求

主要包括物理设备、实体环境和施工现场安全需求，具体体现在对水库、机房、控制中心等处的防雷接地安全，包括电源电路、信号线路、监控线路等的电泳保护需求和等电位接地建设需求等。

2.3.3 网络安全需求

为保证网络的安全可靠运行，网络安全需求包括：尽量避免非授权访问；避免信息泄露与丢失；保证数据的完整性；访问攻击和尽量避免感染通过网络传播病毒。

2.3.4 信息安全需求

信息安全需要从信息使用安全、系统安全监测和计算机病毒防治三方面保证信息的机密性、完整性、可用性、可控性和可审查性。

3 数字孪生水库建设解决方案

3.1 构建架构

结合在水库防洪调度、水源地及工程管理、水资源调配管理等方面的需求，构建以水库工程、业务应用、用户、网络安全体系和保障体系等组成的数字孪生水库总体架构。

该架构核心是数字孪生水库工程，构建水利对象的空间特征、时间特征和关系特征的一体化组织模型，通过物联感知等设施，实现信息化技术设施的数据汇聚，实时感知水库运行状态。将数据汇集与数据融合，搭建包含基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据和地理空间数据的数据底板。基于数据引擎、知识引擎、模拟仿真引擎整合数据底板、模型库和知识库进行分析与处理，实现业务应用的智慧化服务，提升水库管理服务水平。

3.1.1 基础设施建设

实现水库各类监测数据的采集，包括水位、流量、视频监控、工程安全等数据信息，提升水库感知能力，满足数字孪生平台运行要求。

3.1.2 数字孪生平台建设

数字孪生平台建设主要包括数据底板、模型平台、知识平台和模拟仿真引擎四个方面。数据底板建设主要进行L1、L2、L3 级数据底板建设，全面集成水库包含的基础数据、感知数据、业务数据、地理空间数据与共享数据，并完成数据治理等工作，为数字孪生水库建设提供“算据”；模型库建设主要包括水利专业模型、智能模型及可视化模型三部分；知识库建设包括构建调度规则库、业务规则库、专家经验库，并搭建知识应用平台，提供知识搜索、知识可视化等功能；模拟仿真引擎将数据底板数据、水利专业模型、人工智能模型库与可视化模型库进行有机耦合，利用各种模拟仿真技术，实现虚拟世界与现实世界的同步仿真运行。

3.1.3 业务应用

搭建以防洪智能调度、水资源调配与管理、综合信息展示、水库运行管理、工程安全监测和应用支撑等业务应用平台，结合数字孪生平台数据底板、模型库与知识库价建设，形成以数据底板为驱动、模型库与知识库为“大脑”，全面支撑水库“四预”（预报、预警、预演、预案），提高水库精细化、智能化管理水平。

3.1.4 网络安全体系建设

网络安全达到等保二级要求，建设防火墙、漏洞扫描等功能模块，完善涵盖安全管理、安全运行的安全主动防御体系，全面提升安全威胁防御、发现和处置能力。

3.1.5 集成与共建共享

做好水库环境集成与共建共享，充分考虑与水库已有信息化系统、上级部门系统的集成与共享，并与水文、环保、气象等部门实现数据共享。

3.2 智能应用

智能应用系统框架包含综合展示、防洪四预、水资源管理与调配、水库运行管理。各单位可根据单位实际情况，构建更多的态势场景，充分利用地面监测和卫星遥感技术等技术，实现更多、更广信息的获取，构建更多模型库和知识库，开发更符合本单位实际的应用程序。

3.2.1 综合展示

基于太河水库数据底板，构建BIM+GIS的数字孪生平台，对太河水库的基础信息、感知信息、社会经济信息、工程及区域信息、溢洪闸运行管理信息及其他信息进行综合展示，进行相关信息的浏览和查询，并对监测动态信息进行分析。综合信息服务提供各类基础信息、监测信息、运维信息的综合查询服务；三维可视化服务提供在三维场景中的基础功能应包括旋转、浏览、放大、缩小、指北针、顶视图、平移、测量、剖切、底图切换（地图、影像与倾斜）、属性查询和图层控制等功能。

3.2.2 防洪四预

建立以流域洪水预报、防洪预警、防洪预演、防洪预案等功能的水库防洪四预系统，实现气象水文耦合以及人机互动的同步仿真预演、动态优化的精细数字预案，提高水库防洪调度的自动化程度和管理水平，为工程安全度汛提供技术支持，确保水库的安全高效运行。

流域洪水预报：利用数字孪生平台提供的监测数据、历史数据和专业模型等对流域未来发生的洪水要素时空变化过程进行预测预报，传统的要素预报向影响预报转变；防洪预警：根据预报结果精准定位险情发生位置与范围，及时把预警信息送达工作一线，将传统的阈值预警转变为风险预警。对不同的预警对象，采取不同的形式和内容，实现针对不同对象、不同时段、不同空间的风险预警；防洪预演：对各种给定的调度目标、调度方案、边界条件下的演进过程进行模拟仿真，前瞻预演工情、险情和灾情，制定和优化调度方案。在平行空间，实现正向推演反向逆源，满足虚实交互迭代优化的要求。根据虚拟推演结果指导真实防洪措施，进而根据真实变化迭代进行虚拟推演，实现数字孪生水库的虚拟互动；防洪预案：基于预报、预警、预演过程，在多方案模拟仿真和影响评估的基础上对洪水防御准备、监测预报预警、水利工程调度、大坝防守抢护、人员转移安置等应急处置措施方案进行分析和比选，自动推荐最优方案，实现水库防洪精准化决策支撑。

3.2.3 水资源管理与调配

建立面向业务应用的完整数字孪生平台，实现水库水资源自动化调度运行，提供优化调度决策服务，通过对水库来水量及数据分析，优化运行调度方案，与各用水单位调水系统建立互联互通、数据共享，实现中心城区水资源的联合调度。同时具备水库水资源调配日常业务管理、水资源配置方案、应急水量调度等功能，有目的地调节控制河流的天然来水，在保障水库及下游防护目标安全前提下，充分发挥水库的综合利用效益。

3.2.4 水库运行管理

通过智能运维管理系统的建设，建立、健全水库工程管理信息化管理标准体系，借助数据建模、大数据、知识库、人工智能等技术实现水库枢纽工程、水源地保护管理上包括监测数据评估、安全隐患排查、巡查问题处理、防汛组织管理、运维方案决策、运行考核管理、工程综合评价等多方面的功能。使得管理更加科学、有序、流畅。

4 结论

文章对从业务、功能方面对太河水库数字孪生水库建设的需求进行分析。结果表明数字孪生水库建设十分必要。制定了太河水库数字孪生水库建设总体架构及相关业务的智能应用，数字孪生水库建设促使水库各层级业务间深度融合，推动水库数字化全面转型，对水库各项业务流程进行重新构建，充分利用新一代人工智能技术，不断地进行自我优化迭代，为水库运行提供高效管理支撑。