數(shù)字孿生漳河灌區(qū)建設(shè)實踐研究

摘要：為研究數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)要求，基于漳河信息化現(xiàn)狀，介紹了數(shù)字孿生漳河灌區(qū)建設(shè)的總體思路、技術(shù)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)，從立體感知體系、自動控制系統(tǒng)、支撐保障體系、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺及網(wǎng)絡(luò)安全體系6個方面總結(jié)了數(shù)字孿生漳河灌區(qū)建設(shè)的初步成效。研究表明：數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助灌區(qū)進(jìn)行模擬預(yù)測，提高水資源利用效率和灌區(qū)整體經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)數(shù)字孿生模型與實際系統(tǒng)的實時互動，提升灌區(qū)運行效率和響應(yīng)能力。研究成果可為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生； 洪水調(diào)度； 興利調(diào)度； 工程標(biāo)準(zhǔn)化管理； 漳河灌區(qū)

中圖法分類號：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.020

文章編號：1006-0081（2024）09-0111-06

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的合理利用和管理變得愈發(fā)重要［1］。漳河灌區(qū)作為中國南方最重要的灌區(qū)之一，在灌溉工程建設(shè)和管理方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。通過引入數(shù)字孿生技術(shù)，可以實現(xiàn)灌區(qū)的精準(zhǔn)監(jiān)測、智能調(diào)度和科學(xué)決策，為提高灌區(qū)水資源利用效率和灌溉工程管理水平提供新的途徑［2］。目前有不少學(xué)者對數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用做了研究，比如王鍇華等［3］對長江行蓄洪空間數(shù)字孿生實景三維模型構(gòu)建進(jìn)行了研究，周紅衛(wèi)等［4］對數(shù)字孿生錢塘江流域建設(shè)及應(yīng)用進(jìn)行了研究，但在灌區(qū)建設(shè)管理方面的應(yīng)用研究相對較少。漳河灌區(qū)設(shè)計灌溉面積 17.37萬hm2，自20世紀(jì)90年代開始，信息化建設(shè)方面已初步建成水雨情測報、干渠部分閘門監(jiān)控、重點水利工程視頻監(jiān)視和灌區(qū)綜合信息管理等系統(tǒng)，為灌區(qū)水資源調(diào)配、防洪調(diào)度及工程安全運行提供了有力支撐，多年來發(fā)揮了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。由于建設(shè)時間早、運行年限久，系統(tǒng)處于單一業(yè)務(wù)的應(yīng)用層面，形成了信息缺共享、管理少手段、決策弱支撐的局面，碎片化特征明顯，與智慧水利和數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的要求還存在較大的差距。按照數(shù)字孿生建設(shè)和“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用要求，重新梳理漳河灌區(qū)信息化脈絡(luò)，打造數(shù)字孿生漳河灌區(qū)，是解決這些問題的有力手段。本文通過對數(shù)字孿生漳河灌區(qū)建設(shè)的研究，系統(tǒng)地總結(jié)數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)建設(shè)和管理中的應(yīng)用情況和效果，為灌區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè)和數(shù)字化治水提供參考。

1 數(shù)字孿生漳河設(shè)計

1.1 總體思路

根據(jù)數(shù)字孿生漳河灌區(qū)總體目標(biāo)和需求分析，依托灌區(qū)已建信息化基礎(chǔ)設(shè)施，以灌區(qū)實體工程為對象，以監(jiān)測感知、網(wǎng)絡(luò)通信、自動化控制、信息環(huán)境為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識庫、孿生引擎為核心平臺，以防洪調(diào)度、水資源調(diào)配等智能應(yīng)用為目的，以網(wǎng)絡(luò)安全體系和運行維護(hù)體系為保障［5］，形成數(shù)字孿生漳河灌區(qū)總體框架（圖1）。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

在充分考慮技術(shù)延續(xù)性與前瞻性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)架構(gòu)選擇，充分運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，建設(shè)數(shù)字孿生漳河灌區(qū)，實現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策，建成具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案（“四預(yù)”）功能的智慧水利體系［6］，賦能防洪預(yù)報調(diào)度、水資源優(yōu)化配置、工程運行管理，為新時期水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動。技術(shù)架構(gòu)見圖2。

（1） 開發(fā)模式。采用前后端分離的開發(fā)模式，后端服務(wù)與前端應(yīng)用相耦合，讓開發(fā)過程更加高效和靈活，提升開發(fā)效率。

（2） 前端展示?；贖TML5+CSS3技術(shù)，選用主流開源框架。前端框架遵循架構(gòu)設(shè)計中的MVC模式，通過指令技術(shù)實現(xiàn)對HTML的自然擴(kuò)展，通過編譯技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型與展現(xiàn)視圖的雙向自動同步，能良好地支持前端自動化測試技術(shù)［7］。

（3） 網(wǎng)關(guān)。管理請求的轉(zhuǎn)發(fā)和路由，充當(dāng)了系統(tǒng)的入口點，接收來自客戶端的請求，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的服務(wù)實例上。網(wǎng)關(guān)也可以作為安全層，處理身份驗證和授權(quán)的問題。

（4） 應(yīng)用服務(wù)。包括報表、消息、工作流、應(yīng)用服務(wù)器軟件等中間件組件或服務(wù)，采用現(xiàn)有優(yōu)秀開源軟件進(jìn)行適配化。

（5） 基礎(chǔ)組件?；A(chǔ)組件為平臺內(nèi)的數(shù)字化應(yīng)用提供消息傳遞、服務(wù)注冊、服務(wù)配置、服務(wù)管理等基礎(chǔ)能力；孿生引擎則側(cè)重對二三維可視化場景的支撐，提供場景搭建、模型數(shù)據(jù)渲染、模型動效、光影特效、天氣特效等基礎(chǔ)能力。

（6） 存儲。分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲。存儲技術(shù)遵循“漳河云”提供的相關(guān)資源及約束。

（7） 部署環(huán)境構(gòu)建。充分利用漳河已有的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建私有云，為上層應(yīng)用提供穩(wěn)定的軟硬件運行環(huán)境及可靠的安全運行保障。

（8） 反向代理與負(fù)載均衡。通過選用目前國內(nèi)主流的Web服務(wù)軟件nginx實現(xiàn)。

2 數(shù)字孿生漳河建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字孿生漳河灌區(qū)先行先試建設(shè)內(nèi)容主要包括立體感知體系［8］、自動控制系統(tǒng)、支撐保障體系、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺及網(wǎng)絡(luò)安全體系等，目前應(yīng)用情況如下。

（1） 立體感知體系?；就瓿闪藥靺^(qū)及灌區(qū)重要河道、水庫、渠系及建筑物節(jié)點等水情監(jiān)測全覆蓋。完成了骨干水源漳河水庫大壩安全監(jiān)測，實時自動監(jiān)測漳河水庫樞紐建筑物的變形、裂縫、滲漏等，及時預(yù)警并采取措施，保障水庫的安全穩(wěn)定運行。完成了大壩、水閘、關(guān)鍵渠段、渠道險工險段、渡槽等關(guān)鍵部位高清智能視頻監(jiān)控點、預(yù)警廣播及AI智能管理平臺建設(shè)。采用高清視頻、邊緣計算和AI智能等技術(shù)，實現(xiàn)入侵監(jiān)測、人臉識別、漂浮物監(jiān)測、工情險情、工程運行狀態(tài)動態(tài)監(jiān)控與自動預(yù)警，以及水域岸線侵占、違規(guī)垂釣、違規(guī)游泳、水體污染排放等違法違規(guī)行為的識別和取證，對于城區(qū)范圍內(nèi)人員較密集的區(qū)域，配置具有音頻輸出功能的攝像機(jī)，及時對垂釣、游泳、傾倒垃圾等違規(guī)行為進(jìn)行勸阻和警告。利用遙感技術(shù)，分析形成了灌區(qū)范圍內(nèi)種植結(jié)構(gòu)［9］、塘堰分布等成果。自建土壤墑情、地下水、田間水層監(jiān)測站，為科學(xué)灌溉調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。接入氣象部門氣象實況、預(yù)報和預(yù)警等信息，范圍涵蓋漳河流域及灌區(qū)。水雨情監(jiān)測及視頻監(jiān)控應(yīng)用情況見圖3。

（2） 自動控制系統(tǒng)。通過建設(shè)交流閘控站及太陽能閘控站，實現(xiàn)了閘門的遠(yuǎn)程控制，同時在四干渠城區(qū)段試點實行全渠道閉環(huán)自動控制，技術(shù)上采用了工業(yè)界普遍認(rèn)可的PID控制器，從渠道監(jiān)測點信息反饋輸入，到控制算法輸出控制閘門動作形成了完全閉環(huán)，對多種模式形成控制邏輯。渠道閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用情況見圖4。

（3） 支撐保障體系。建立應(yīng)用支撐平臺［10］，統(tǒng)一用戶管理、身份驗證、單點登錄等基礎(chǔ)服務(wù)。搭建容器技術(shù)架構(gòu)平臺、微服務(wù)應(yīng)用托管平臺、遙感數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺。除利用公網(wǎng)外，還通過鋪設(shè)

光纖，實現(xiàn)了局信息中心與樞紐處、總干渠管理處及四干渠管理處局域網(wǎng)全覆蓋，為網(wǎng)絡(luò)化辦公、AI智能視頻監(jiān)控、視頻會商、閘門控制等提供了可靠保證。已完成“漳河云”建設(shè)，并將現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)遷移至“漳河云”，完成了部分管理處、管理段（所）網(wǎng)絡(luò)及辦公自動化設(shè)備配置。建設(shè)調(diào)度中心及視頻會商系統(tǒng)，為調(diào)度會商提供了有力支撐。

（4） 數(shù)字孿生平臺（圖5）。應(yīng)用數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)挖掘、分布式計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種技術(shù)和算法，匯聚工程全要素、全過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)等。采用新安江模型、API模型、周期均值疊加法、回歸分析法等算法進(jìn)行來水預(yù)報，采用灌溉需水預(yù)測以及城鄉(xiāng)需水預(yù)測模型進(jìn)行需水預(yù)測，完善優(yōu)化了水量調(diào)度分配模型［11］、正常調(diào)度模型、水流模擬模型、調(diào)度評價模型、視頻AI智能識別模型等。

（5） 業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺（圖6）。防洪預(yù)報調(diào)度、工程安全管理［12］、水資源配置與供用水調(diào)度、灌區(qū)信息化管理、工程標(biāo)準(zhǔn)化管理、水政管理、閘門控制、視頻監(jiān)控、領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、一張圖、統(tǒng)一數(shù)據(jù)工作平臺及移動APP等模塊的開發(fā)已完成初版，并服務(wù)于業(yè)務(wù)工作的各方面。

（6） 網(wǎng)絡(luò)安全體系。通過防火墻、綜合網(wǎng)關(guān)、上網(wǎng)行為管理、Web應(yīng)用防火墻、入侵檢測、入侵防御、行為安全審計、數(shù)據(jù)庫審計和安全漏洞掃描等設(shè)備的安裝和策略配置，防御包括XSS漏洞攻擊、SQL注入攻擊、DDos拒絕服務(wù)等多種攻擊方式，對系統(tǒng)存在的弱密碼、文件上傳漏洞等問題進(jìn)行有效防護(hù)，大大提升了網(wǎng)絡(luò)安全。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

數(shù)字孿生漳河灌區(qū)的建設(shè)涉及多學(xué)科交叉、新技術(shù)融合，涵蓋的監(jiān)測站點范圍廣、種類多、位置散、數(shù)量大，有諸多重點和難點，需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和先行先試。應(yīng)建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，實時感知監(jiān)測設(shè)備異常，驅(qū)動站點運維；提供數(shù)據(jù)預(yù)處理算法集，高效處理缺測、數(shù)值異常等問題；提供數(shù)據(jù)維護(hù)工具和核查機(jī)制，廣泛收集、整理、比照多源數(shù)據(jù)，逐漸形成覆蓋漳河全業(yè)務(wù)范圍的數(shù)據(jù)集。此外，如何解決數(shù)字孿生全生命周期，如何解決千人千面、個性化定制，如何實現(xiàn)分系統(tǒng)之間關(guān)系協(xié)調(diào)，如何實現(xiàn)業(yè)務(wù)和平臺深度融合，如何解決系統(tǒng)可持續(xù)運行，如何確保數(shù)據(jù)質(zhì)量等是需要解決的關(guān)鍵問題。

3.1 洪水調(diào)度

基于新安江模型、API模型融合構(gòu)建漳河水庫洪水預(yù)方案，利用智能算法、實時校正模型，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選、預(yù)報結(jié)果滾動修正，提高了洪水預(yù)報精度，延長了洪水預(yù)見期。

利用航飛采集的DEM，構(gòu)建水動力模型，動態(tài)推演水庫壩下至兩河口水文站的洪水演進(jìn)及民垸的淹沒過程，填補(bǔ)了漳河下游洪水影響分析的空白，形成科學(xué)的防洪預(yù)案。

建立“防洪四預(yù)”體系，通過三維場景展示洪水演進(jìn)分析結(jié)果，使歷史方案評估和未來方案預(yù)演更加直觀，及時提供預(yù)警信息，增強(qiáng)了防洪決策的時效性和準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)整合氣象、水文、灌區(qū)管理等多源數(shù)據(jù)，建立了跨區(qū)域、跨部門的協(xié)同機(jī)制，實現(xiàn)了預(yù)報、預(yù)警、調(diào)度、預(yù)案以及風(fēng)險研判和應(yīng)急聯(lián)動的一體化管理，提高了洪水防控的整體效能。

3.2 興利調(diào)度

基于豐富的歷史水文數(shù)據(jù)和現(xiàn)代預(yù)測算法，依據(jù)預(yù)測模型，預(yù)測漳河水庫長期及短期來水量，通過長短結(jié)合需水預(yù)測模型，實現(xiàn)灌溉范圍內(nèi)農(nóng)田需水的動態(tài)預(yù)測，基于對各用水行業(yè)需求的深入分析和平衡協(xié)調(diào)，通過優(yōu)化配置模型，綜合考量用水需求、水源條件、生態(tài)約束等因素，優(yōu)化水資源分配方案，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)等用水行業(yè)的效益最大化，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和智能算法，搭建渠道配水模型，生成動態(tài)配水方案，實現(xiàn)灌區(qū)灌溉水的高效利用。

將傳統(tǒng)量測水手段與新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)便攜式量測水設(shè)備，通過在線與準(zhǔn)在線的結(jié)合互補(bǔ)，解決量測水成本敏感性和環(huán)境適應(yīng)性問題，在灌區(qū)量測水實時定量這一難題方面取得突破。

建立四干渠常年供水段14 km渠道、7座重要閘門、4個渠池的全渠道閉環(huán)控制系統(tǒng)，按計劃前饋控制（指根據(jù)用戶取水計劃提前制定未來供水計劃）精準(zhǔn)執(zhí)行計劃流量，同時根據(jù)系統(tǒng)實時監(jiān)測的水位、流量等信息，進(jìn)行實時反饋控制?；赑ID控制技術(shù)，通過四干渠各閘門監(jiān)測點位的實時水位監(jiān)測值與目標(biāo)值之間的偏差，來調(diào)整相關(guān)閘群的開度和流量，達(dá)到縮小偏差的控制目的。最終可做到分鐘級反饋呼應(yīng)、厘米級水位調(diào)節(jié)，實現(xiàn)全線閘門協(xié)同精準(zhǔn)自控，支撐渠道供水過程水位平穩(wěn)、保障水量調(diào)度計劃精準(zhǔn)執(zhí)行。

3.3 工程管理

整合跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立漳河水庫工程安全數(shù)據(jù)底板，覆蓋了巡檢、變形、滲流等多維度的安全監(jiān)測信息。利用統(tǒng)計模型構(gòu)建工程安全分析診斷系統(tǒng)，通過三維模型交互展現(xiàn)工程安全數(shù)據(jù)，實現(xiàn)專業(yè)圖形繪制、報表生成、安全性態(tài)診斷預(yù)警等功能。依托洪水預(yù)報和大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測工程未來安全態(tài)勢，開展分級預(yù)警，確保及時采取預(yù)防措施，保障工程安全。圍繞工程、安全、供用水、組織、經(jīng)濟(jì)五大管理方面，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化管理框架，利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程的規(guī)范化、工作流的清晰化、知識傳承的系統(tǒng)化。搭建面向全員的標(biāo)準(zhǔn)化信息平臺，通過移動技術(shù)等手段，將工程檢查、維修養(yǎng)護(hù)、水政監(jiān)察等工作流程信息化，解決信息孤島問題，確保管理標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，提升多層級用戶之間的協(xié)同效率。通過信息化工具，將工程管理中的規(guī)則制度、方案定制、歷史經(jīng)驗等轉(zhuǎn)化為可操作的流程和知識庫，支持決策過程的正向推理與反向追溯，推動從經(jīng)驗主導(dǎo)到智能決策的模式轉(zhuǎn)變。通過構(gòu)建的“1+1+6+3”體系架構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、平臺、應(yīng)用、終端的全面整合，確保信息流、業(yè)務(wù)流的暢通無阻，為工程管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、科學(xué)化提供有效手段。借助于物聯(lián)網(wǎng)平臺、視頻AI分析等技術(shù)，實現(xiàn)運維過程的實時跟蹤、異常狀態(tài)自動報警，以及決策數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，支撐運維工作的高效自動化。

4 結(jié) 論

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用在漳河灌區(qū)建設(shè)與管理中具有積極意義，目前已實現(xiàn)了灌區(qū)系統(tǒng)的實時監(jiān)測與智能管理，能幫助灌區(qū)管理者快速響應(yīng)災(zāi)害和突發(fā)事件，最大限度減少損失，還能對灌區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬建模，對水資源利用、防洪調(diào)度等進(jìn)行模擬和優(yōu)化設(shè)計，從而提高整體的生產(chǎn)效率和資源利用效率。

然而，數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用中仍然面臨一些挑戰(zhàn)，比如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和規(guī)范化、數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等問題。此外，數(shù)字孿生技術(shù)的推廣與應(yīng)用還需要克服成本高、技術(shù)水平不足等障礙。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，推動數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，并解決相關(guān)技術(shù)和政策方面的問題，以實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在灌區(qū)建設(shè)中的價值。

當(dāng)前，數(shù)字孿生漳河灌區(qū)建設(shè)正在抓緊實施之中，目的是全面建成現(xiàn)代化漳河。到2025年，通過建設(shè)數(shù)字孿生漳河平臺、“2+7”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、水利網(wǎng)絡(luò)安全體系、智慧水利保障體系，推進(jìn)水利工程智能化改造，在漳河流域及漳河灌區(qū)防洪調(diào)度、水資源調(diào)配初步實現(xiàn)“四預(yù)”，建成漳河智慧水利體系1.0版。到2030年，全面建成數(shù)字孿生漳河，全面提升水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，建成智慧漳河水利體系2.0版。到2035年，全面建成智慧漳河，全面實現(xiàn)漳河水利治理管理活動數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，基本建成現(xiàn)代化的水治理體系。

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（編輯：李 晗）

Practice research on construction of Digital Twin Zhanghe Irrigation District

FENG Tianquan，HU Xiaomei，YANG Pan

（Hubei Zhanghe Engineering Management Bureau，Jingmen 448156，China）

Abstract：

To investigate the application of digital twin technology in the field of water resources engineering，incorporating the requirements for constructing a digital twin irrigation district，and based on the current status of informatization in the Zhanghe Irrigation District，we introduced the overall concept，technical architecture and key technologies for building a Digital Twin Zhanghe Irrigation District.We summarized the preliminary achievements of the Digital Twin Zhanghe Irrigation District construction from 3D sensing systems，automated control systems，support and assurance systems，digital twin platform，business application platforms，and cybersecurity system six aspects.The research showed that digital twin technology can facilitate simulation and prediction in the irrigation district，and enhance the efficiency of water resource utilization and the overall economic efficiency of the irrigation system.It can enable the real-time interaction between the digital twin model and the actual system，thereby improving operational efficiency and response capabilities of the irrigation district.The research results can provide a reference for the study and application in related fields.

Key words：

digital twin； flood regulation； benefit operation scheduling； engineering standardization management； Zhanghe Irrigation District