下坂地水利樞紐數(shù)字孿生頂層規(guī)劃探析

張 明

(新疆下坂地水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000)

下坂地水利樞紐地處帕米爾高原，高寒缺氧，自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，對一線工作人員身體存著在不可逆的傷害。為提升下坂地水利樞紐信息化水平，減少一線工作人員，需對下坂地水利樞紐工程整體進(jìn)行智慧化及數(shù)字孿生規(guī)劃設(shè)計，以滿足新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的要求。

1 概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游，為大(2)型Ⅱ等工程，工程由攔河壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞和電站廠房四部分組成。水庫總庫容8.67億m3，庫區(qū)水面面積20.91km2[1]，回水長度22.75km，電站裝機(jī)(3×50MW)150MW。

2 建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

2.1 下坂地建管局信息化情況

(1)管理局建設(shè)有水利信息專網(wǎng)、電子政務(wù)內(nèi)網(wǎng)(OA辦公自動化系統(tǒng))，實現(xiàn)了公文、通知等電子化流轉(zhuǎn)。局機(jī)關(guān)有2套塔管局視頻會議系統(tǒng)；水庫管理處駐地1套華為企業(yè)智慧屏視頻會議系統(tǒng)，1套地區(qū)綜治視聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?？蓾M足塔管局、局機(jī)關(guān)、水庫駐地等三級線上視頻會議。

(2)下坂地水利樞紐樞紐建筑物配套有3個專用水文站、2個雨量站及17個地震監(jiān)測點，有完備的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、上下游水文監(jiān)測系統(tǒng)以、大壩視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及地震臺網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。已建成并投入使用的自動測站有6個，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸至塔管局綜合業(yè)務(wù)平臺。

(3)水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集并傳輸至塔管局信息中心。擬建水庫智慧巡檢系統(tǒng)建設(shè)項目，機(jī)關(guān)互聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)、測評等保二級項目，056前端檢測器、609平臺客戶端軟件安裝項目。

(4)局機(jī)關(guān)、樞紐區(qū)及駐地共設(shè)置了130余路高清攝像機(jī)監(jiān)控點，實現(xiàn)了對重要設(shè)施、重點部位的實時監(jiān)控，存儲可達(dá)90d以上。

2.2 存在的問題

(1)由于樞紐建設(shè)較早，各個系統(tǒng)經(jīng)過多年的實用存在功能落后、部分設(shè)備老化不能完全滿足現(xiàn)有的管理需要。水利信息化設(shè)施設(shè)備老舊且缺失嚴(yán)重。水庫安全檢測傳感器丟失、損壞了很多，雖然有自動采集設(shè)備，但是水利信息的采集設(shè)施不夠完善，達(dá)不到要求。電廠雖然能實現(xiàn)工情自動化采集，但無法自動傳輸。計算機(jī)配置落后，大多已到報廢年限，不能處理多媒體高信息量，處理能力偏低。

(2)缺少信息化建設(shè)長期規(guī)劃的頂層設(shè)計。由于資金緊張，長久以來，下坂地水利樞紐管理局沒有對信息化建設(shè)工作制定短期或者長期持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃和投入。

(3)是信息孤島現(xiàn)象突出。由于缺乏系統(tǒng)集成，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)相互割裂，沒有統(tǒng)一平臺。

3 下坂地水利樞紐工程信息化建設(shè)方案

按照需求牽引，應(yīng)用至上；系統(tǒng)謀劃，分步實施；統(tǒng)籌推進(jìn)，協(xié)同建設(shè)；整合資源，集約共享；更新迭代，安全可控的原則[2]，規(guī)劃建設(shè)完善下坂地水利樞紐數(shù)字孿生系統(tǒng)。具體建設(shè)方案如下。

(1)加強(qiáng)頂層設(shè)計。借鑒水利信息建設(shè)先進(jìn)單位的成熟經(jīng)驗，引進(jìn)內(nèi)地信息技術(shù)公司按照下坂地水利樞紐工程建設(shè)管理局工作實際和需求做好信息化建設(shè)頂層設(shè)計。

(2)通過系統(tǒng)集成，把各個分系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺，消除信息孤島。結(jié)合下坂地水利樞紐實際，通過一張圖建設(shè)，建設(shè)符合國家水利數(shù)據(jù)庫建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的水庫信息化綜合體系管理平臺，滿足智慧巡檢、安全生產(chǎn)、演練、安全監(jiān)測、水情數(shù)據(jù)采集分析、黨建等方面工作需求，還可以運用數(shù)字孿生技術(shù)在維修養(yǎng)護(hù)工程方面對全過程進(jìn)行監(jiān)督，對工程造價、財務(wù)預(yù)算進(jìn)行分析控制等。

(3)實現(xiàn)閘控系統(tǒng)自動化。通過改造升級閘控系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)，布設(shè)專網(wǎng)光纜，通過閘門控制軟件發(fā)送編寫好的PLC控制程序到PLC系統(tǒng)完成對閘門的遠(yuǎn)程啟閉操作，設(shè)置在閘房內(nèi)的現(xiàn)地控制開關(guān)切換遠(yuǎn)程和現(xiàn)場操作，確保特殊環(huán)境、特殊需要時閘門控制的靈活性，及時發(fā)現(xiàn)和排除工程隱患，以保障水庫工程的安全穩(wěn)定運行。

(4)實現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化。通過對現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)升級改造，能及時發(fā)現(xiàn)工程隱患并報警，以保障水庫工程的安全穩(wěn)定運行。例如：通過全自動全站儀把測量數(shù)據(jù)實時傳送至水庫管理處機(jī)房安全監(jiān)測服務(wù)器，對已傳回機(jī)房的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、畫過程線，實現(xiàn)樞紐工程原型觀測自動化工作；對安全監(jiān)測設(shè)備進(jìn)一步進(jìn)行改造升級，對下坂地水庫壩區(qū)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行校核，提高設(shè)備測量精度。

(5)建立可持續(xù)發(fā)展的信息化體系。利用先進(jìn)實用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、水雨情自動測報技術(shù)、自動化監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)、視頻監(jiān)視技術(shù)、大壩安全監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對下坂地水利樞紐工程的實時監(jiān)控、監(jiān)視和監(jiān)測、管理，基本達(dá)到無人值班、少人值守的管理水平。

4 下坂地水利樞紐數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容

4.1 建設(shè)目標(biāo)

總體建設(shè)目標(biāo)是：按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智能化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，構(gòu)建下坂地水利樞紐數(shù)據(jù)底板，升級擴(kuò)展三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計算、動態(tài)場景等功能，建設(shè)完善數(shù)字孿生平臺、提升信息化基礎(chǔ)設(shè)施能力，實現(xiàn)與物理庫區(qū)同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，支撐“四預(yù)”(預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)功能實現(xiàn)和“2+N”智能應(yīng)用運行[3]，提升水利樞紐決策與管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化能力和水平，為新階段下坂地水利樞紐高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動。

4.2 總體框架

下坂地水利樞紐數(shù)字孿生建設(shè)依據(jù)水利部數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱和數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)的要求。其總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架

圖1中，信息化基礎(chǔ)設(shè)施主要包括監(jiān)測感知設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、自動化控制設(shè)施、信息基礎(chǔ)環(huán)境等。數(shù)字孿生平臺主要包括數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫、孿生引擎等。典型應(yīng)用主要包括工程安全智能分析預(yù)警、防洪興利智能調(diào)度、生產(chǎn)運營管理、巡查管護(hù)、綜合決策支持等。信息安全體系主要包括信息安全組織管理、安全技術(shù)、安全運營、監(jiān)督檢查以及數(shù)據(jù)安全等[4]。保障體系主要包括管理制度、運維保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

4.3 建設(shè)計劃

下坂地水利樞紐數(shù)字孿生建設(shè)根據(jù)建設(shè)內(nèi)容和實際需求，總建設(shè)周期為兩年，分為2期建設(shè)。第一期完善水利樞紐的基礎(chǔ)設(shè)施，重點建設(shè)基礎(chǔ)信息化設(shè)施的傳感網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)巡查系統(tǒng)；第二期建設(shè)信息化設(shè)施中的數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、地震臺系統(tǒng)，智慧業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合調(diào)度、綜合監(jiān)控、巡查管護(hù)系統(tǒng)。

4.4 第一期建設(shè)內(nèi)容

4.4.1 通信網(wǎng)絡(luò)

下坂地水利樞紐建管局和下坂地水利樞紐相距300km[5]，分別位于喀什和塔縣。水利樞紐地處高原，工作條件比較惡劣，其通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、降低工作強(qiáng)度、少人值守的重要基礎(chǔ)。目前從水利樞紐到現(xiàn)場駐地為光纖做成的通信網(wǎng)，從現(xiàn)場駐地到喀什建管局的數(shù)據(jù)傳輸，通過水利網(wǎng)上傳到塔河管理局后，再通過互聯(lián)網(wǎng)返送數(shù)據(jù)到建管局。為實現(xiàn)建管局對水利樞紐的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要建設(shè)一條從水利樞紐到喀什建管局的數(shù)據(jù)專線。

該專線建設(shè)租用運營商物理鏈路或SD-WAN，物理鏈路帶寬建議100M以上。通過專線建立水利樞紐現(xiàn)場與建管局?jǐn)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)鏈路，保證建管局對現(xiàn)場的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理。

4.4.2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

下坂地水利樞紐現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有上下游及庫區(qū)水文監(jiān)測系統(tǒng)、水利樞紐地震監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、周界及重點區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)。經(jīng)過10多年的系統(tǒng)運行，部分系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備老化，部分監(jiān)測設(shè)備需要人工監(jiān)測。結(jié)合實際，對現(xiàn)有大壩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行升級，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和傳輸，應(yīng)用GNSS系統(tǒng)對水利樞紐沉降、裂縫、變形、滲流等進(jìn)行監(jiān)測。對周界及重點區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級，補(bǔ)充高清數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備，并在關(guān)鍵位置考慮部署AI邊緣計算盒對關(guān)鍵部位進(jìn)行邊緣計算實時監(jiān)控，提高安全監(jiān)測的實時性和有效性。

4.4.3 無人機(jī)系統(tǒng)

水利樞紐管理范圍22km2，處于高海拔地區(qū)，目前僅庫區(qū)和發(fā)電站區(qū)域有相關(guān)安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其余區(qū)域因地理條件限制尚未部署相關(guān)巡檢監(jiān)測系統(tǒng)，同時因自然條件和地理條件，人工巡檢難度大效率低?；跓o人機(jī)+視頻影像+AI的巡檢技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能夠滿足在惡劣地理條件和自然環(huán)境下替代人工進(jìn)行巡檢，通過無人機(jī)航路規(guī)劃、自主飛行、高清影像和視頻同傳獲取，能夠到達(dá)人工巡檢很難到達(dá)區(qū)域的巡檢，同時基于AI算法和機(jī)器視覺的影像和圖像處理分析，能夠極大的提高巡檢效率和及時發(fā)現(xiàn)問題的能力。

4.4.4 應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

水利樞紐綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為水利樞紐安全管理的核心，也是數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源，作為基礎(chǔ)系統(tǒng)在一期規(guī)劃中建設(shè)完成其全部功能。巡查管護(hù)系統(tǒng)是水利樞紐日常管理系統(tǒng)，在一期建設(shè)中完成其全部功能。安全預(yù)警分析依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與分析模型的建設(shè)，一期建設(shè)完成安全預(yù)警系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能、安全分析功能、安全預(yù)警功能。

4.4.5 水利樞紐數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、引擎等多個內(nèi)容，建設(shè)周期較長，根據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能和依賴關(guān)系，一期建設(shè)完成數(shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)底板、孿生引擎建設(shè)。初步實現(xiàn)水利樞紐的數(shù)字孿生應(yīng)用和可視化展示。

4.5 第二期建設(shè)內(nèi)容

4.5.1 數(shù)據(jù)中心

下坂地水利樞紐目前有部分服務(wù)器支撐現(xiàn)有系統(tǒng)運行，沒有專業(yè)機(jī)房和機(jī)柜，沒有數(shù)據(jù)存儲。IT基礎(chǔ)部分比較薄弱，因此在信息基礎(chǔ)設(shè)施建筑中需要予以加強(qiáng)。建議在下坂地水利樞紐設(shè)立現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心，在喀什建管局設(shè)立核心數(shù)據(jù)中心?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)中心在現(xiàn)有服務(wù)器基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，建議數(shù)據(jù)存儲容量為48T，滿足3個月的現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲要求，同時增加數(shù)字孿生及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器。建管局建設(shè)核心數(shù)據(jù)中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，主要承擔(dān)數(shù)字孿生引擎AI算力支持、智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)高性能算力支持，以及算法和算據(jù)的存儲支持，以及對水利樞紐現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度管理。

4.5.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

建管局遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建設(shè)以監(jiān)控系統(tǒng)運行、日常值班和應(yīng)急指揮調(diào)度為主。監(jiān)控中心建設(shè)系統(tǒng)運行大屏，視頻會議、協(xié)商調(diào)度系統(tǒng)和應(yīng)急指揮系統(tǒng)。

(1)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。下坂地水利樞紐現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有上下游及庫區(qū)水文監(jiān)測系統(tǒng)、水利樞紐地震監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、周界及重點區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)。經(jīng)過10多年的系統(tǒng)運行，部分系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備老化，部分監(jiān)測設(shè)備需要人工監(jiān)測。根據(jù)樞紐現(xiàn)有的選址和通信條件，對現(xiàn)有無法實用的地震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行更新，選用數(shù)字化的地震監(jiān)測設(shè)備，滿足對樞紐地震數(shù)據(jù)的監(jiān)測。水利樞紐的泄洪洞及引流洞，補(bǔ)充水下監(jiān)測點，以便對因滑坡、泥石流或洪水等原因?qū)е碌亩纯诙氯M(jìn)行監(jiān)測。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全體系。按照網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)相應(yīng)等級要求開展安全物理環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界和安全計算環(huán)境建設(shè)。落實工控系統(tǒng)、云與虛擬化、移動互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展安全要求。最小化數(shù)字孿生水利工程網(wǎng)絡(luò)暴露面，嚴(yán)格內(nèi)部信息和技術(shù)文檔控制管理。

工控網(wǎng)實時控制區(qū)與過程監(jiān)控區(qū)嚴(yán)格物理隔離，原則上僅允許實時控制區(qū)數(shù)據(jù)單向交換至過程監(jiān)控區(qū)。工控網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)的物理隔離，僅在工控網(wǎng)過程監(jiān)控區(qū)設(shè)置專用的前置交換區(qū)用于數(shù)據(jù)交換；對數(shù)字孿生水利工程核心系統(tǒng)設(shè)置獨立的邏輯或物理區(qū)域，并根據(jù)業(yè)務(wù)功能、設(shè)備類型等劃分子區(qū)域。

4.5.3 應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

綜合調(diào)度系統(tǒng)是水利樞紐各個業(yè)務(wù)融合，依賴一期建設(shè)的各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，二期建設(shè)依據(jù)一期的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)完成調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)、水利樞紐安全預(yù)警系統(tǒng)、生產(chǎn)運營系統(tǒng)、數(shù)字孿生系統(tǒng)等建設(shè)，完成知識庫建設(shè)和模型庫建設(shè)。

5 結(jié)語

根據(jù)水利部對重大工程的智慧化管理要求和智慧水利建設(shè)需求，結(jié)合下坂地水利樞紐現(xiàn)狀及存在的問題，經(jīng)過分析探討，下坂地水利樞紐數(shù)字孿生系統(tǒng)包括數(shù)字孿生平臺建設(shè)、信息化基礎(chǔ)設(shè)施、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用、系統(tǒng)安全體系和保障體系。整個系統(tǒng)按照需求對進(jìn)行兩期建設(shè)，一期主要完成通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等基礎(chǔ)，二期在一期的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)安全體系、數(shù)字孿生系統(tǒng)等建設(shè)，這將對駐地值守人員工作強(qiáng)度的降低、工作方式的優(yōu)化有著積極的作用，為類似水利工程信息化建設(shè)提供了借鑒。