數(shù)字孿生技術(shù)在水庫(kù)防洪調(diào)度過(guò)程中的應(yīng)用

王洪娜

(福建省溪源水庫(kù)管理處 福建福州 350001)

為加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”功能智慧水利體系，堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，做好頂層設(shè)計(jì)，從數(shù)字孿生流域、孿生工程等方面構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、互為融通、共享共用的總體框架，建立健全的水資源調(diào)度實(shí)施機(jī)制，為科學(xué)精準(zhǔn)開展水資源調(diào)度提供制度保障。

基于目前信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在水庫(kù)防洪調(diào)度過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操作，切實(shí)解決現(xiàn)階段水庫(kù)防洪調(diào)度存在問(wèn)題[1]，保障區(qū)域防洪安全，進(jìn)而有效保障人民群眾人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。

1 應(yīng)用方案的提出

1.1 問(wèn)題的提出

水庫(kù)防洪調(diào)度是水庫(kù)管理的一項(xiàng)重要民生工作，其目的是確保水庫(kù)防洪安全，發(fā)揮水庫(kù)防洪作用，減輕上下游防洪壓力[2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，目前水庫(kù)防洪調(diào)度工作仍存在諸多問(wèn)題及弊端：（1）大多數(shù)調(diào)度系統(tǒng)為早期開發(fā)的傳統(tǒng)模式，系統(tǒng)本身兼容性較差，穩(wěn)定性較差，設(shè)備也逐步老化，有時(shí)參數(shù)率定存在延遲現(xiàn)象，對(duì)防洪調(diào)度工作產(chǎn)生不便，造成影響；（2）大部分水庫(kù)調(diào)度專業(yè)人員對(duì)水庫(kù)本身的測(cè)報(bào)系統(tǒng)硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)站維護(hù)等內(nèi)容無(wú)法深層次開展，還是要依托系統(tǒng)開發(fā)人員，在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)也無(wú)法及時(shí)解決，因此水情測(cè)報(bào)工作的準(zhǔn)確率也無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)水平；（3）大多數(shù)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)模式缺乏靈活性和擴(kuò)展性，通常需要依據(jù)新任務(wù)重新建設(shè)整合系統(tǒng)配合服務(wù)，難以自主適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展模式的調(diào)整，造成資源浪費(fèi)；（4）一些水庫(kù)工程早期建設(shè)的各個(gè)信息設(shè)計(jì)的內(nèi)容廣，功能獨(dú)立且又單一，各套系統(tǒng)本身與服務(wù)平臺(tái)存在不統(tǒng)一性，很大程度上加大運(yùn)行維護(hù)管理的工作量和經(jīng)濟(jì)成本。此次針對(duì)這一系列問(wèn)題，筆者對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度過(guò)程在數(shù)字孿生場(chǎng)景中的應(yīng)用做了粗淺的分析。

1.2 技術(shù)路線

1.2.1 總體功能需求分析

通過(guò)對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度過(guò)程中重點(diǎn)、痛點(diǎn)分析，結(jié)合防洪調(diào)度過(guò)程中的成果需求，基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了總體功能要求，主要包括：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雨情、實(shí)時(shí)水位、實(shí)時(shí)洪量等數(shù)據(jù)及信息的采集；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸與共享；集成水庫(kù)及周邊地形、地貌成果，基于建模技術(shù)快速生成三維模型；基于水庫(kù)及周邊流域地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)及三維模型，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，形成全空間、全過(guò)程、可計(jì)算的數(shù)字化水利工程孿生場(chǎng)景；水雨情數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析及精準(zhǔn)化“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”調(diào)度方案的輸出，形成工程及流域智慧防洪排澇體系，提升流域整體水災(zāi)害防御精準(zhǔn)決策能力。具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)防洪調(diào)度信息化管理與服務(wù)總體需求

1.2.2 應(yīng)用方案總體架構(gòu)

基于對(duì)水庫(kù)防洪調(diào)度的功能需求，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建從基礎(chǔ)的水雨情信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)整編處理、三維建模、孿生場(chǎng)景與調(diào)度分析等調(diào)度全過(guò)程數(shù)字化的應(yīng)用體系，該體系功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)防洪調(diào)度過(guò)程解決方案功能架構(gòu)

該功能構(gòu)建的前端主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)傳輸，主要以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支撐，通過(guò)地形圖、GPS、無(wú)人機(jī)、GIS、移動(dòng)終端等軟硬件采集有效的水雨情數(shù)據(jù)，再通過(guò)4G、5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；核心層以水雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整編、處理計(jì)算分析、工程及流域三維建模分析、數(shù)字孿生場(chǎng)景展示等為主要內(nèi)容，充分挖掘水雨情信息在孿生場(chǎng)景中的展示和應(yīng)用；終端主要為流域三維數(shù)字模型的應(yīng)用及“四預(yù)”調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)及調(diào)度成果的輸出發(fā)布。

基于數(shù)字孿生體系的水庫(kù)防洪調(diào)度主要分為3個(gè)部分：一是通過(guò)大數(shù)據(jù)、等技術(shù)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)工程項(xiàng)目實(shí)時(shí)水雨情、地形地貌數(shù)據(jù)采集編錄；二是通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)與三維模型建立全方位、多角度的虛擬仿真場(chǎng)景模式；三是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)孿生場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)交互。

2 關(guān)鍵技術(shù)解析

數(shù)字孿生技術(shù)是融合DIM、GIS、渲染技術(shù)等技術(shù)，主要以智能化輸出方式為載體，綜合大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息化技術(shù)，提高水庫(kù)信息化管理水平，為工情險(xiǎn)情預(yù)警工作提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及可視化支撐，提升態(tài)勢(shì)感知的準(zhǔn)確性與直觀性，增強(qiáng)預(yù)警體系的可靠性，提高抵御洪水災(zāi)害、水生態(tài)保護(hù)等多業(yè)務(wù)的可視化綜合態(tài)勢(shì)管理能力，具備數(shù)字世界中水利工程運(yùn)行的場(chǎng)景預(yù)演條件，實(shí)現(xiàn)工程調(diào)度運(yùn)行決策的科學(xué)化。

2.1 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)，又稱地理信息系統(tǒng)或地學(xué)信息系統(tǒng)，英文全稱為Geo-Information Systems，對(duì)整個(gè)或部分地球表面空間的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、現(xiàn)實(shí)和描述的技術(shù)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

水庫(kù)防洪調(diào)度數(shù)字孿生展示系統(tǒng)建設(shè)基于GIS的應(yīng)用體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的采集、整編、處理、計(jì)算分析等方面。

主要特點(diǎn)為以下幾點(diǎn)。（1）GIS 二維、三維數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保持一體化，實(shí)現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)直接在三維場(chǎng)景中可視化。（2）采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地形圖數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、制圖數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)服務(wù)統(tǒng)一發(fā)布展示。通過(guò)快速、高效、自動(dòng)化的技術(shù)手段，將多專業(yè)、多源、異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入與融合，形成地上地下空間三維立體“一張圖”，流域“一張網(wǎng)”。（3）運(yùn)用3D 輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)信息展示，將原始的三維模型原始文件進(jìn)行最高上百倍地進(jìn)行壓縮，使三維模型的可視化與三維軟件無(wú)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)百兆級(jí)以上數(shù)據(jù)的流暢瀏覽與操作。（4）實(shí)現(xiàn)開發(fā)場(chǎng)景多功能矢量測(cè)算效果。

2.2 三維建模

三維實(shí)景建模技術(shù)實(shí)際是一項(xiàng)實(shí)景還原技術(shù)，是一項(xiàng)高新技術(shù)。依據(jù)無(wú)人機(jī)獲取的工程及流域影像數(shù)據(jù)生成DSM，從DSM 自動(dòng)生成DEM；影像在通過(guò)正射校正、影像融合等處理后；將DEM 與處理后影像疊加設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地形的三維可視化展示。

三維實(shí)景模型高精度、高清晰地反映整個(gè)防洪調(diào)度體系的復(fù)雜場(chǎng)景，精確反映了整個(gè)水庫(kù)工程及流域的水工建筑物、測(cè)站分布情況以及地形地貌。并且實(shí)景模型攜帶了精確的坐標(biāo)信息，可進(jìn)行距離測(cè)量、面積測(cè)量、體積測(cè)量等。

三維建模技術(shù)在水庫(kù)防洪調(diào)度中主要應(yīng)用體系表現(xiàn)為：（1）實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)溢洪道等泄流設(shè)施的空間分布情況，分析泄流量對(duì)下游河道沿線兩岸的動(dòng)態(tài)變化；（2）實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)下游河道河勢(shì)動(dòng)態(tài)變化，在臺(tái)風(fēng)暴雨天氣及時(shí)提醒河道沿岸居民等；（3）水庫(kù)大壩的分析，對(duì)大壩裂縫、滲流等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析；（4）實(shí)時(shí)掌握水庫(kù)管理區(qū)空間分布情況，尤其是滑坡、泥石流等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)分析；（5）不能人為預(yù)見(jiàn)方面排查的應(yīng)用。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)能有效解決信息共享輸出問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)在運(yùn)行管理過(guò)程中的各種應(yīng)用系統(tǒng)集中管理[3]，服務(wù)目標(biāo)明確，也能提高各種應(yīng)用系統(tǒng)的兼容性、靈活性及可擴(kuò)展性，可適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展模型的調(diào)整，避免信息資源浪費(fèi)，可有效降低維護(hù)成本，減少工作量。

大數(shù)據(jù)，英文Big Data，是一種規(guī)模大到在獲取、儲(chǔ)存、管理、分析方面大大超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，依托云計(jì)算的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式處理、云存儲(chǔ)、虛擬化等，在云計(jì)算模式下，能提高數(shù)據(jù)資源獲取的便利性，整合軟件、硬件、平臺(tái)等信息技術(shù)資源。在水庫(kù)防洪調(diào)度中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的各類數(shù)據(jù)中心，依托大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，可以更快速高效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、整理、分析、存儲(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)主要是通過(guò)信息系統(tǒng)以及應(yīng)用感知技術(shù)，通過(guò)各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理，在水庫(kù)防洪調(diào)度中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)工程上下游全流域的水雨情信息數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與整理，經(jīng)過(guò)傳輸后，對(duì)流域水雨情信息數(shù)據(jù)進(jìn)行自主科學(xué)地分析與決策，并進(jìn)行智能化分析與處理。通過(guò)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的有機(jī)結(jié)合及合理應(yīng)用，進(jìn)一步完善水庫(kù)防洪調(diào)度制度，有效提升水庫(kù)管理水平及應(yīng)急處理能力，通過(guò)大數(shù)據(jù)體系建設(shè)和整合的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫(kù)去打通信息資源共享的癥結(jié)點(diǎn)、難點(diǎn)等，減少信息化工作的重復(fù)性，同時(shí)可有效降低運(yùn)行維護(hù)成本，充分發(fā)揮社會(huì)化公益性服務(wù)型作用。

3 應(yīng)用方案簡(jiǎn)介

如圖3所示，根據(jù)前述的GIS、三維建模技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，形成水庫(kù)防洪調(diào)度全流域一體化數(shù)字智能采集處理、三維建模數(shù)字孿生場(chǎng)景系統(tǒng)建設(shè)及“四預(yù)”精準(zhǔn)化調(diào)度系統(tǒng)三大功能模塊，為水庫(kù)調(diào)度管理提供智能化、科學(xué)化技術(shù)支持，提升整個(gè)流域水旱災(zāi)害防御智能化建設(shè)支撐力量，形成整個(gè)流域智慧防洪防澇體系，提升流域整體水災(zāi)害防御精準(zhǔn)調(diào)度能力。

圖3 基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生概念模型

3.1 防洪調(diào)度三維數(shù)字化智能采集

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)依照用Oracle數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織并存放到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)集合，可兼容并整合多種數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件系統(tǒng)。

水庫(kù)防洪調(diào)度的三維數(shù)字化智能采集系統(tǒng)的建立，可實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)工程調(diào)度水文信息數(shù)據(jù)的采集、地形地貌編錄，建立水庫(kù)在防洪調(diào)度過(guò)程中的智慧化預(yù)判功能，充分挖掘水庫(kù)防洪調(diào)度數(shù)據(jù)價(jià)值，主要可分為數(shù)據(jù)的采集、分析、管理這3個(gè)部分。

防洪調(diào)度數(shù)據(jù)的采集服務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從雜亂的原始數(shù)據(jù)，到經(jīng)預(yù)處理轉(zhuǎn)換為格式規(guī)范中間數(shù)據(jù)，并支持多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，可采用多種方式，分別從內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)采集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，結(jié)合流域已建的監(jiān)控站點(diǎn)，根據(jù)不同需求可適當(dāng)增加站點(diǎn)，加入已有資料整理成規(guī)范的數(shù)據(jù)集，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，并對(duì)監(jiān)測(cè)的水雨情庫(kù)、水利工程、安全監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集進(jìn)行共享、查詢、集成等，利用前端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以及整理歸類，形成索引類、緩存類和日志類文件。

利用云平臺(tái)一體化存儲(chǔ)分析管理體系，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)間連接，融入水庫(kù)防洪調(diào)度方案以及應(yīng)急預(yù)案信息[4]，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的云儲(chǔ)存、云計(jì)算、云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)大壩及水工建筑物、水文測(cè)站、河段兩岸重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的數(shù)字化、矢量化、結(jié)構(gòu)化處理，對(duì)業(yè)務(wù)流程、預(yù)警機(jī)制、調(diào)度原則、防汛預(yù)案、響應(yīng)措施等進(jìn)行梳理入庫(kù)和程序化管理。

3.2 三維建模數(shù)字孿生場(chǎng)景系統(tǒng)建設(shè)

對(duì)流域內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的斷面信息集成，實(shí)現(xiàn)在流域水系拓?fù)浠A(chǔ)上斷面信息、河道基礎(chǔ)信息、水位特征信息、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的孿生場(chǎng)景的集成展示。

數(shù)字孿生場(chǎng)景系統(tǒng)的建設(shè)基于GIS的二三維一體化技術(shù)，利用WebGIS 功能架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)所在流域水系拓?fù)?、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、地形地貌等要素的二三維嵌套展示，實(shí)現(xiàn)地上、地表、地下全空間一體化三維表達(dá)，形成地上地下空間三維立體“一張圖”，流域整體“一張網(wǎng)”，提供三維場(chǎng)景坐標(biāo)、距離、面積量算工具，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景可量算，與物理的地理信息相互映射，實(shí)現(xiàn)720°VR 展示效果。實(shí)現(xiàn)整個(gè)流域感知信息、流場(chǎng)信息、水利工程智慧管理信息專題圖的繪制提供基礎(chǔ)地理信息服務(wù)。

該系統(tǒng)在建設(shè)的同時(shí)，也要完善相應(yīng)制度機(jī)制、預(yù)留足夠多的標(biāo)準(zhǔn)化接口，為中遠(yuǎn)期發(fā)展接入?yún)^(qū)域內(nèi)其他擴(kuò)展功能或者相關(guān)對(duì)象打好基礎(chǔ)，方便開發(fā)完成后系統(tǒng)的二次升級(jí)與再次開發(fā)，統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.3 “預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”精準(zhǔn)化調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)

“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”精準(zhǔn)化“四預(yù)”調(diào)度系統(tǒng)是利用水庫(kù)上下游實(shí)時(shí)水位流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象部門的天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，結(jié)合水文動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)水情、工情、險(xiǎn)情等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)，對(duì)入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行模擬，為洪水來(lái)臨情況下淹沒(méi)分析、動(dòng)態(tài)演進(jìn)、對(duì)未來(lái)水位、水情走勢(shì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，并利用該系統(tǒng)的智能調(diào)度方法及智能調(diào)度系統(tǒng)生成的調(diào)度方案進(jìn)行水庫(kù)防洪調(diào)度[5-6]。同理，還可以進(jìn)行各類復(fù)雜的水文調(diào)度、水工建筑物管理業(yè)務(wù)分析應(yīng)用，為水庫(kù)管理人員提供有效決策支持。

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要分析了在水庫(kù)防洪調(diào)度中如何利用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)調(diào)度模式，構(gòu)建水庫(kù)防洪調(diào)度全流域一體化數(shù)字智能采集處理、三維建模數(shù)字孿生場(chǎng)景系統(tǒng)建設(shè)及“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”精準(zhǔn)化調(diào)度發(fā)布三大功能模型建設(shè)的數(shù)字孿生應(yīng)用方案，該方案為水庫(kù)防洪調(diào)度精準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化的方向提供了思路，同時(shí)具有開放性、可靠性和可維護(hù)性，對(duì)水利高質(zhì)量發(fā)展具有積極作用，也對(duì)其他水利水電工程的數(shù)字化建設(shè)具有重要參考價(jià)值。