基于數字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺研發與應用

盧建華 劉曉琳 張玉炳 徐琨

摘要：當前中國水庫大壩安全管理具有點多面廣、安全狀態時空多維演變、監測數據海量且多源異構、監管機構多層級等特點。為提高水庫大壩安全管理水平，研究面向以監控和管理為主要目的的多層級安全監管需求，在充分梳理相關業務流程體系的基礎上，引入數字孿生技術，給水庫大壩安全運行管理提供新的展示方式和分析手段。運用以物聯網、邊緣計算、云計算等為核心的信息化技術實現數據采集、傳輸、存儲、計算和綜合利用，進而提出一套基于數字孿生技術的水庫大壩安全管理云服務平臺方案，并從數字孿生技術實現、云服務平臺架構、運行支撐環境建設、業務功能設計等方面進行了論證。研究成果在安徽省梅山水庫大壩成功投入實際運行，實現了水庫大壩安全監控與管理的智能化、可視化、實時化、標準化。

關鍵詞：水庫大壩; 云服務平臺; 數字孿生; 安全監控; 安全管理

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.015

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0081 - 06

0 引 言

中國重要的水庫大壩都建有大壩安全監測信息采集及管理系統，可實現數據采集與安全管理，但無法形象高效地實現大壩安全狀態的實時分析及診斷預警，不能滿足多層級水庫大壩安全管理需求，亟需引進新理論、新技術和新模式，從工程措施和非工程措施兩方面發力，切實提高水庫大壩安全管理水平。近年來，物聯網、邊緣計算、云計算、數字孿生等現代信息技術飛速發展并逐步成熟，為有效解決水庫大壩安全運行問題提供了新途徑。

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期過程[1]。數字孿生其實就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”。

數字孿生體被創建在信息化平臺上，相比較于設計圖紙，數字孿生體最大的特點在于它是對實體對象的動態仿真。它“動”的依據來自本體的物理設計模型，還有本體上面傳感器反饋的數據，以及本體運行的歷史數據。本體的實時狀態，還有外界環境條件都會復現到“孿生體”身上[2]。除了“會動”之外，數字孿生還具備“全生命周期”“實時/準實時”“雙向”等特點。

中國已經在戰略產業層面提出眾多重大科技專項[3-4]，有力促進了數字孿生應用發展，該技術有效用于衛星/空間通信網絡、船舶、車輛、發電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫療、制造車間、智慧城市等諸多行業領域，覆蓋設計、建造、運行管理、預警監控、故障診斷以及健康管理等全過程。

數字孿生在其他行業成功運用，并展現出廣闊的應用場景，水庫大壩與其他工程一樣具備從設計建造到運行管護的全過程，因此迫切需要探索數字孿生技術與業務應用相結合的數字化新模式[5]，數字孿生技術的應用必將改變水利行業傳統管理模式，給水庫大壩的監管帶來更加便捷科學的技術手段[6-8]。

1 大壩安全管理的數字孿生技術

為支撐水庫大壩數字化運行安全管理，研發了1套完整的高性能、強擴展、易使用的水庫大壩安全數字孿生支撐技術。

1.1 大壩安全數字孿生應用需求體系

按國家、地方政府和業主單位的政策文件，進行總體布署和頂層設計，廣泛調研當前水庫大壩的工程現狀、管理現狀、信息化建設現狀，以工程基本情況、業務管理情況、應用系統使用情況為突破口，分析數字孿生應用建設需求及發展趨勢，理清安全監測業務關鍵點和孿生應用技術重難點。

1.2 大壩安全運行管理體系與數字孿生應用框架

在業務需求和發展趨勢的充分調研基礎上，梳理首頁一張圖、基本信息、水雨情、預報調度、安全監測、視頻監控、閘門監控、綜合管理、系統管理等業務的流程、指標、運行體系，建立面向多層級、多類別、多目標的孿生應用框架。

1.3 大壩安全數字孿生應用標準組件庫

以業務內在邏輯為出發點，分別建立由BIM，GIS，傾斜攝影等組成的三維展示模塊化組件庫;由水工建筑物、監測斷面、監測點等組成的安全監測模塊化組件庫;由雨量計、滲壓計、流量計、水溫計、GNSS、應力計等組成的儀器模塊化組件庫;由水質模型、氣象預報模型、水文預報模型、調洪演算模型、防洪調度模型、大壩安全預報預警模型等組成的服務模型模塊化組件庫;以及由彈窗、列表、餅圖、柱狀圖等組成的結果展示模塊化組件庫。統一組件的開發、封裝及接口的技術標準，實現從組件、業務、應用到平臺的完全解耦。

1.4 大壩安全數字孿生支撐平臺

采用標準化、模塊化、可視化、智能化的開發思路，建立水庫大壩安全平臺框架，利用圖形化編輯方式，按照具體項目業務流程需要，在可視化條件下模塊化組件的快速拼裝，減少開發人員的重復勞動，提高水庫大壩安全信息化系統的開發效率，從而實現系統低成本、少維護、高效率、大規模的應用。支撐平臺支持三維可視化數字場景構建，實現空間數據、BIM模型數據、業務數據、物聯感知數據、多媒體數據等多源異構海量數據之間無縫融合，以及與現實世界的動態映射。

2 云服務平臺架構

水庫大壩安全管理云服務平臺旨在通過信息化技術手段建立一套滿足水利主管部門多層級管理需要（圖1）、保障水庫大壩安全運行的業務平臺[9]，它對水利工程運行數據進行采集、分析、處理以實現對運行環境、工程狀態等全方位的監控和管理，輔以日常管理功能，達到用一套系統解決水利工程管理單位所有問題的目的，它是水利工程現代化管理的具體體現。

平臺通過采集水庫大壩的水情、雨情、工情、監測、圖像等信息，構建相應的數字孿生體，綜合分析水利工程當前運行的狀況和歷史過程，通過相關模型演算未來發展趨勢，并運用建立的水庫大壩安全診斷與預警指標方法體系，實現異常智能化識別和自動化預警報警。除此之外，系統設置管理功能，可以對轄區內的水庫進行綜合調度和系統評價，并根據需要制定分析統計報表。

整個系統分為6個層級，分別是數據采集層、基礎設施層、數據資源層、應用支撐層、應用層和表現層（圖2）。

（1） 數據采集層。數據采集層主要是獲取實時的監測數據，包括水位、雨量、流量、安全監測、視頻監視、閘門監控等各種水庫信息采集點的傳感設備，數據采集層與其他層次之間的數據通信以無線為主，有線為輔。

（2） 基礎設施層。基礎設施層包括工程管理局和政務云兩部分，均包含服務器設備、存儲備份系統、網絡基礎設施、安全基礎設施、視頻會議及會商系統以及其他用于數據傳輸、存儲和利用的網絡通信設施。

（3） 數據資源層。數據資源層是為了合理地實現數據存儲而設計的數據存儲結構，采用標準數據表結構進行設計，數據存儲和劃分可以根據數據類型、格式和傳輸方式來進行，包括元數據庫、指標分析數據庫、公共基礎數據庫、水庫管理業務專業數據庫和管理數據庫等。

（4） 應用支撐層。應用支撐平臺層是為應用系統的運行提供輔助支撐，主要包括GIS平臺、視頻監視平臺、應用服務中間件、報表中間件、工作流引擎、服務總線等。

（5） 應用層。應用層是指面向業務的各類應用服務，按照業務功能劃分為水庫基本信息服務、水雨情監測服務、大壩安全監測服務等業務，該業務應用層基于SOA架構進行部署，可以根據業務的實際情況進行動態擴充和刪減，不僅滿足當前業務需要，而且能夠支持將來業務的擴展，而不影響整體的層次架構。

（6） 表現層。表現層是業務系統在客戶端的具體表現，它是業務和信息的集中體現。展示的媒介包括PC客戶端和移動客戶端，包括Web應用系統和移動應用APP兩種形式，展示方式是以BIM模型和二、三維GIS為基礎實現數字孿生，展示內容包括實時展示及分析數據、文字、表格、圖形等。

3 云服務平臺功能設計

水庫大壩安全管理云服務平臺采用面向服務的思想進行設計，由數據中心、數字孿生平臺、統一業務平臺及搭建在該平臺上的防汛管理相關信息化業務系統構成，提供多元業務應用和多級用戶交互的防汛業務處理以及專業智能的決策支持，滿足多業務類型、組織架構和規程規范要求。水庫大壩安全管理云服務平臺的功能模塊涵蓋縣市級水利管理部門水庫群管理的主體業務，旨在建立信息集中、業務全面、風格統一、交互友好的綜合性水利工程管控一體化平臺。系統功能所述如下：

（1） 一張圖。借助于三維數字孿生，通過“一張地圖”的形式展示水庫相關工程的監測和統計信息，以可視化、形象化、立體化的方式將水庫的主要信息進行集中展示。

（2） 水雨情。及時了解水情、雨情實時信息和歷史變化過程。以表格、曲線、柱狀圖的形式呈現水位統計、多雨量站統計，提供環比、同比功能，實現中長期的水雨情分析。通過建立的洪水預報模型，做好來水預報，并智能提供調度方案。

（3） 安全監測。全面掌握大壩安全監測現狀和變化過程，繪制實時浸潤線和等值線，提供分布圖對比和輪播功能以掌握浸潤變化過程。通過建立回歸分析、有限元分析模型為數據分析提供專業性補充。提供巡視檢查在線填報、上報機制，真正實現發現問題、報告問題和解決問題的流程化管理[10]。

此外，通過數字孿生相關模型演算未來發展趨勢，并運用建立的水庫大壩安全診斷與預警指標方法體系，實現異常性態智能化識別和自動化預警報警，并給出初步推薦處置方案。

（4） 防洪調度。針對水庫的防洪業務需求，主要從防汛值班管理、防汛物資管理、輔助應急事件處理以及閘門監控等方面支撐水庫安全度汛。

（5） 灌區管理。提供可視化的灌區管理，制定灌溉計劃，跟蹤計劃執行，按需統計灌溉實績，實現可視化設備監控、檢修維護，建立設備請購上報流程制度，實現灌區有效的調度，提供來水預報、優化配水等技術模型輔助灌區科學化管理。

（6） 電站管理。全面形象地展示電站整體運行狀況，了解機組、開關站等主要設備的工作狀態，展示運行參數和統計報表，實現交接班、操作票流程化管理，建立安全生產制度。

（7） 水質監測。集水質參數監測、分析于一體，具備實時可視化監測、專業模型分析、水質污染應急處置等。

（8） 視頻監控。集成視頻監控相關軟件及硬件設備，實現水庫實時視頻監控及歷史資料檢索查看。

（9） 綜合管理。不僅具有水庫日常運行管理中的維修養護、管理考核、單元化管理、安全生產管理，而且整合了辦公自動化系統、流程管理、檔案管理等模塊，更能提供數據在線可視化整編、資料分析報告自動生成功能，全面滿足水庫管理的信息化需要。

4 關鍵技術

水庫大壩安全管理云服務平臺在技術路線選擇時通盤平衡處理運行效率、開發效率、擴展靈活性和系統健壯性，綜合運用物聯網、3S技術、云計算和大數據等先進技術。

4.1 基于混合存儲架構的大數據存儲方案

經過多次測試和比選，選用HDFS作為大數據文件存儲解決方案，MongoDB分布式存儲作為對象數據存儲方案，MySQL分布式部署作為關系型數據和時序數據存儲方案。設計了兩個混合數據存儲服務集群，原始數據存儲集群和成果數據存儲集群。系統通過ETL服務，把各水庫的原始數據，第三方機構提供的水文氣象數據、地形地貌數據抽取到原始數據集群進行數據存檔。基于Hadoop分布式計算框架MapReduce，搭建計算模型云，搭載水情預報模型、調度演算模型、氣象預報模型、回歸分析模型、相關性分析模型、浸潤線分析模型、滲透坡降分析模型等，并提供后續模型能力擴展接口。通過集群模型計算后，將成果數據匯聚到成果數據混合存儲集群中備用。通過微服務集群調用成果數據集群中的數據，使用微服務網關進行心跳管理、負載均衡管理、服務使用權限管理等，使用WebAPI為水庫管理機構、水行政管理機構、流域管理機構、第三方服務機構提供數據服務。

4.2 多級緩存熱點數據交互方法

緩存是內存中存儲數據備份。為保證程序的高性能、可用性，減少數據的重復存取或計算過程的消耗，對高頻熱點數據進行緩存處理尤為重要。

基于大數據平臺下的多級緩存熱點處理方法，通過采用Redis集群緩存能保證數據的安全寫入、一致性（非強一致性）、可用性（容忍少量節點出錯）;同時采用消息隊列機制一方面能平衡用戶的數據消費與集群訪問關系，另一方面也能發現高頻、異常數據以及實現對熱點數據的統計分析等。

4.3 BIM+GIS融合技術

為應對BIM+GIS融合的技術難題，更好地實現三維BIM模型與三維地圖的結合，并支撐水庫大壩安全數字孿生應用，云服務平臺采用國產主流的GIS軟件產品，實現BIM主流數據的無損接入、BIM數據到GIS平臺的精準匹配等關鍵技術，保證BIM數據與三維實體模型無縫對接技術，借助三維實體數據模型，實現了BIM數據在GIS平臺中的分析及運算能力，為BIM+GIS應用提供了有力的技術和平臺支撐。

5 工程應用

基于數字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺，專注于水庫大壩安全管理業務。為驗證開發的水庫大壩安全數字孿生支撐成套技術與安全管理云服務平臺的實際工程應用效果，在安徽省梅山水庫進行了試點運用。梅山水庫位于淮河中游南岸支流史河上游的金寨縣境內，總庫容22.64億m3，水庫以防洪為主，承擔為淮河干流蓄洪的任務，是結合灌溉、發電、航運及水產等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程[11-12]。“十三五”以來，梅山水庫在加快水利信息基礎設施建設的同時，重點完善了水庫大壩安全監測系統、防汛調度自動化系統、工程管理系統，在此基礎上建設水庫大壩安全管理平臺。

梅山水庫大壩安全管理平臺以水庫大壩安全數字孿生支撐成套技術為基礎，整合二、三維GIS，建立數字孿生運行體系平臺，接入大壩滲流滲壓、變形監測、壩體溫度等近300支自動化監測儀器，通過WebAPI實現監測數據實時接入，用戶也可以通過操作數字孿生體實現參數設置和數據召測，與儀器設備進行互動（圖3）。另外，梅山水庫大壩安全管理平臺還通過在數字孿生環境中建立各項監測對象的預警指標體系，實現大壩安全動態預警，為運行管理提供智能化指導。梅山水庫試點運行取得了優異的應用效果反饋，極大提高了水庫大壩安全運行管理水平，降低了相關技術人員的工作壓力。

6 結 語

傳統的信息展示方式已經不能滿足新時期水庫大壩監管需要，數字孿生技術為水利工程管理帶來了新的展示方式，它具備全生命周期、實時或準實時、數據雙向流動等特點，為水利工程管理智慧化轉型提供了新理論、新技術和新模式。數字孿生在水利工程管理方面的應用還處于初級階段，要想實現虛擬場景與現實狀況完全孿生，還需將水利專業與GIS、BIM技術更好地融合，進一步實現水庫大壩安全的理論突破、技術探索、業務理解和模式創新。本文提出的基于數字孿生的水庫大壩安全管理云服務平臺可為中國大壩安全管理運行提供借鑒。

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（編輯：李 晗）

Development and application of cloud service platform for dam safety

monitoring and management based on digital twin

LU Jianhua1，2， LIU Xiaolin1，2， ZHANG Yubing1，2， XU Kun1，2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China）

Abstract： At present， the safety management of reservoir dams in China is characterized by a wide range of dam points， multi-dimensional spatio-temporal evolution of safety state， massive monitoring data with multi-source heterogeneity， and multi-level regulatory agencies. In order to improve the safety management level of reservoir dams， we carried out the research oriented to the multi-level safety supervision requirements with the main purpose of monitoring and management. On the basis of fully combing the relevant business process system， the Digital Twin technology is introduced to provide a new display mode and analysis means for the safe operation management of reservoir and dam， and the information technology with Internet of things， edge computing and cloud computing as the core is used to realize data collection， transmission， storage calculation and comprehensive utilization， and then put forward a set of cloud service platform scheme for reservoir and dam safety management based on Digital Twin， which is demonstrated in detail from the aspects of Digital Twin technology implementation， cloud service platform architecture， operation support environment construction， business function design and so on. Relevant research results have been successfully put into practical operation in Meishan reservoir dam in Anhui Province， realizing intelligent， visual， real-time and standardized monitoring and management of reservoir dam safety.

Key words： reservoir dam; cloud service platform; Digital Twin; security monitoring; security management