水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺技術(shù)與應(yīng)用

周超　唐海華　李琪　羅斌　馮快樂

摘要：利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬虛擬水場景是智慧水利建設(shè)的新要求之一。目前水利行業(yè)主要通過數(shù)據(jù)模擬展示虛擬的水體場景，但該方法難以有效解決實際水利業(yè)務(wù)發(fā)生動態(tài)演化、應(yīng)用需求存在差異化的決策問題。因此，基于數(shù)字孿生理念研究水利業(yè)務(wù)的建模技術(shù)具有十分重要的意義。構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)問題與決策流程的孿生建模平臺，通過對水利對象、模型、方案、應(yīng)用的可視化建模，動態(tài)建立映射真實業(yè)務(wù)的孿生應(yīng)用。通過該平臺構(gòu)建了長江流域的水工程預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)體系，有效支撐了長江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，對在數(shù)字孿生流域中高效管理水利業(yè)務(wù)起到一定推動作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生; 水利業(yè)務(wù); 決策流程; 組件技術(shù); 動態(tài)建模; 長江流域

中圖法分類號： TP399

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.034

0引 言

經(jīng)過多年的發(fā)展和建設(shè)，中國各流域已建成由水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)、涵閘泵站等組成的復(fù)雜工程體系，流域管理已逐步從建設(shè)專項運行管理進入后工程管理時期[1]。為響應(yīng)水利部加強智慧水利建設(shè)工作的號召，水利行業(yè)引入其他行業(yè)的先進技術(shù)提升傳統(tǒng)水利的管理手段[2]，加強數(shù)字映射、數(shù)字孿生、仿真模擬等信息技術(shù)的應(yīng)用[3]。“數(shù)字孿生”是真實世界的復(fù)制，是對真實世界進行深度數(shù)字化的分析和模擬[4]，目前在城市建設(shè)與工業(yè)領(lǐng)域使用廣泛[5]。水利行業(yè)與數(shù)字孿生的結(jié)合尚處于初級階段，目前應(yīng)用主要集中于通過地理信息、感知測量等實現(xiàn)水流狀態(tài)的映射以及對工程構(gòu)造的虛擬模型建設(shè)[6-7]，實現(xiàn)水場景的可視化展現(xiàn)。但在流域預(yù)報、工程調(diào)度等涉及演算與決策過程的業(yè)務(wù)工作領(lǐng)域未見深入應(yīng)用，主要體現(xiàn)在缺少基于數(shù)字孿生思維的水利業(yè)務(wù)建模概念，缺乏相關(guān)問題建模及模擬運行的支撐技術(shù)。針對上述問題，本文對水利業(yè)務(wù)孿生概念展開探討，提出研究水利業(yè)務(wù)孿生建模平臺總體框架以及相應(yīng)的數(shù)字孿生建模技術(shù)，最后通過長江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的實際案例，展示了該平臺的應(yīng)用效果。

1水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生及其建模

水利業(yè)務(wù)如防洪調(diào)度、水資源調(diào)度等，是指通過人工手段干涉，基于水利專業(yè)理論、有效計算分析與合理決策，實現(xiàn)對水資源的科學精細化管理。數(shù)字孿生技術(shù)是對真實世界的復(fù)制，本文基于此概念，以客觀水流、水信息流以及水利業(yè)務(wù)流構(gòu)成水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生場景，如圖1所示。

1.1客觀水流

真實世界中客觀的、流動的水流，是整個體系的基底，隨著時間的發(fā)展，客觀水流不斷地演化發(fā)展，對自然及人類社會產(chǎn)生影響。

1.2水利信息流

通過高效、實時的監(jiān)測技術(shù)手段，采集客觀水流中的天然河湖、水利工程的狀態(tài)信息，通過信息手段將這些對象的狀態(tài)在數(shù)字虛擬空間中建模并同步，即為水利信息流。目前水利數(shù)字孿生的應(yīng)用多屬于本部分，管理者可以通過虛擬化的水場景，迅速掌握廣泛流域下的水信息。

1.3水利業(yè)務(wù)流

以水利信息流為承載，管理者通過預(yù)報、調(diào)度等水利業(yè)務(wù)手段，形成對水工程的調(diào)控運行方案，對客觀水流的自然發(fā)展施加干涉，減少水災(zāi)害影響、提升水資源利用能力。從實際工作的角度，通過虛擬場景中疊加數(shù)據(jù)再現(xiàn)水利場景，提供了決策數(shù)據(jù)和場景的運行基礎(chǔ)，后續(xù)執(zhí)行的水利業(yè)務(wù)分析演算決策過程，是影響運行及管理的關(guān)鍵，亦是水利業(yè)務(wù)數(shù)字化場景運轉(zhuǎn)的核心內(nèi)容。

1.4水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模

本文所討論的水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模如圖2所示。其中包含：各類水利對象相互銜接組成的復(fù)雜流域水利網(wǎng)絡(luò)，以及工程調(diào)控計算、徑流演進模擬等影響水流過程的計算過程。基于此建模，可進一步構(gòu)造水利決策支持系統(tǒng)中的決策應(yīng)用。相比水利信息流是對實體水場景進行建模映射，水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模主要面向水利調(diào)控決策等業(yè)務(wù)流程的抽象過程，是水利專業(yè)結(jié)合數(shù)字孿生的深化拓展。

目前，對水利決策業(yè)務(wù)的數(shù)字化支撐，主要有國內(nèi)各地建設(shè)的防汛抗旱一期、二期指揮系統(tǒng)等，通過調(diào)度管理模型和調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，發(fā)揮專業(yè)調(diào)度技術(shù)的支撐作用[8]。但是這些系統(tǒng)均只能作為單一水利業(yè)務(wù)的應(yīng)用實例，且不同流域地方主要通過定制化開發(fā)完成，不能為流域產(chǎn)匯流預(yù)報、水工程聯(lián)合調(diào)控等業(yè)務(wù)提供通用的運行底座，尚不能滿足水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生支撐的需求。

2水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺

為實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生，利用組件化、標準化建設(shè)手段，研究建立水利業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生建模平臺。

2.1平臺構(gòu)建思路

平臺總體技術(shù)路線如圖3所示。面向流域運行管理業(yè)務(wù)應(yīng)用，將可視化配置與增量式開發(fā)相結(jié)合，支持各類專業(yè)應(yīng)用功能、關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的動態(tài)交互，實現(xiàn)智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速搭建。

用戶可利用本平臺的服務(wù)，進行水利管理業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生建模，內(nèi)容包括：工程項目、水利計算節(jié)點對象、水利計算模型及參數(shù)、水利功能流程及展示交互等。由平臺智能解析服務(wù)配置信息，自動生成專業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用，整個過程基本無需代碼編程等傳統(tǒng)軟件開發(fā)手段。

2.2平臺邏輯及功能架構(gòu)

平臺將水利專業(yè)模型、計算機業(yè)務(wù)流技術(shù)、可視化搭建技術(shù)等多種技術(shù)有機結(jié)合，動態(tài)映射與搭建實際決策問題，建立可維護的水利業(yè)務(wù)作業(yè)過程。

總體服務(wù)體系如圖4所示，主要包含：水利業(yè)務(wù)對象配置、水利業(yè)務(wù)模型配置、水利業(yè)務(wù)方案配置、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用配置以及驅(qū)動配置生效的解析與智能組裝服務(wù)。各項配置內(nèi)容覆蓋了一項水利業(yè)務(wù)所需的基本要素，能夠?qū)崿F(xiàn)面向不同應(yīng)用場景、應(yīng)用環(huán)節(jié)與范圍的動態(tài)決策響應(yīng)，按需快速搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（1） 水利業(yè)務(wù)對象配置與水利業(yè)務(wù)模型配置，為對應(yīng)業(yè)務(wù)所涉及的水利對象、計算模型等提供實例化注冊及管理服務(wù)，為搭建復(fù)雜應(yīng)用提供基礎(chǔ)元素。

（2） 水利業(yè)務(wù)方案配置，面向用戶在實際業(yè)務(wù)中所需要計算分析的問題，通過可視化的界面，對問題所涉及的對象、模型、水利拓撲、計算關(guān)系等進行設(shè)置，類似于建立水利模型計算運行的說明。

（3） 水利業(yè)務(wù)應(yīng)用配置，針對向用戶呈現(xiàn)的業(yè)務(wù)應(yīng)用及交互展示界面，提供以可視化、圖形化的方式，通過畫板設(shè)計并繪制出所需的界面布局及展示交互內(nèi)容。

（4） 水利業(yè)務(wù)配置解析及智能組裝服務(wù)，是根據(jù)上述配置服務(wù)，智能解析配置說明信息并組裝基礎(chǔ)元素，自動化發(fā)布實際應(yīng)用功能實例，最終呈現(xiàn)的服務(wù)即為提供用戶使用的應(yīng)用操作界面以及實際業(yè)務(wù)運行流程。

3平臺建模技術(shù)

平臺建模主要包含業(yè)務(wù)對象、業(yè)務(wù)計算模型、業(yè)務(wù)方案、業(yè)務(wù)應(yīng)用等。

3.1業(yè)務(wù)對象建模

水利業(yè)務(wù)可能涉及河流、水庫、測站、河段、防洪對象等多種水利對象，各類對象亦包含基礎(chǔ)屬性、特征指標和設(shè)計參數(shù)等多維屬性數(shù)據(jù)，需要按類型分別進行水利對象的系統(tǒng)屬性概化，實現(xiàn)靈活建模。

平臺業(yè)務(wù)對象建模技術(shù)如圖5所示。用戶根據(jù)實際業(yè)務(wù)場景，設(shè)置具體對象實例、對象具有的屬性條目以及屬性的數(shù)值，平臺通過對象管理服務(wù)自動完成虛擬場景中水利對象的實例構(gòu)造。對應(yīng)建模功能界面如圖6所示，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有防洪調(diào)度水利對象的統(tǒng)一管理和集中維護。

3.2業(yè)務(wù)計算模型建模

水利計算分析是專業(yè)決策的關(guān)鍵，而專業(yè)模型是計算分析的核心支撐。水利專業(yè)覆蓋面廣，專業(yè)模型理論豐富，且由于模型研發(fā)手段的區(qū)別，不同應(yīng)用間模型的實現(xiàn)模式、編程手段呈現(xiàn)多樣化，因此在業(yè)務(wù)模擬過程中應(yīng)重點實現(xiàn)模型的統(tǒng)一維護、高效調(diào)用。

為此本文提出模型建模技術(shù)體系，如圖7所示。以“參數(shù)分離、對象解耦”為核心理念對計算模型的開發(fā)、封裝與接入做出統(tǒng)一約束與管理。針對如流域模擬、防洪風險評估、聯(lián)合調(diào)度計算、風險分析等業(yè)務(wù)，分別封裝核心算法，建立標準調(diào)用服務(wù)，構(gòu)建水利計算模型庫。針對實際業(yè)務(wù)計算任務(wù)，為用戶提供可設(shè)置的模型計算參數(shù)、模型輸入輸出屬性設(shè)置項。功能界面如圖8所示，此例為API產(chǎn)流模型的建模界面，能夠為預(yù)報業(yè)務(wù)中的不同子流域?qū)ο蠼⑾鄳?yīng)的計算參數(shù)體系。

3.3業(yè)務(wù)方案建模

水利業(yè)務(wù)方案是實現(xiàn)流域綜合管理調(diào)控的基礎(chǔ)，從各大流域批復(fù)執(zhí)行的聯(lián)合調(diào)度方案，到各水庫、閘門泵站等單一水工程的運行方案，均通過方案指導(dǎo)業(yè)務(wù)過程流轉(zhuǎn)、驅(qū)動調(diào)控分析計算運行。因此，需要在虛擬場景中，動態(tài)構(gòu)造各類水利對象相互銜接的復(fù)雜水力網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)中耦合產(chǎn)匯流、工程調(diào)控、徑流演進模擬等影響水流過程的業(yè)務(wù)計算動作。

業(yè)務(wù)方案建模技術(shù)主要包含水力拓撲實例和拓撲節(jié)點的計算實例（見圖9），建模所使用的基礎(chǔ)對象與模型實例，由3.1，3.2節(jié)中的管理實現(xiàn)。水力拓撲實例，使用編碼、名稱、類型、指向節(jié)點、下級節(jié)點等要素，以條目化的方式映射真實流域的干支流、上下游關(guān)系。拓撲節(jié)點計算實例，為拓撲中每個計算節(jié)點（如預(yù)報區(qū)間、水庫、演進河段等），分別定義計算模型，如產(chǎn)匯流計算模型、水庫調(diào)度模型、演進模型等。

對應(yīng)的平臺功能界面，如圖10所示，圖中實例為流域水庫群聯(lián)合調(diào)度方案的拓撲配置。完成各項配置后，平臺將水力拓撲信息自動解析為計算服務(wù)中的多個計算節(jié)點，并自動設(shè)置計算控制信息，建立虛擬場景中的業(yè)務(wù)方案的計算流程。

3.4業(yè)務(wù)應(yīng)用建模

水利業(yè)務(wù)應(yīng)用為用戶提供業(yè)務(wù)決策的交互界面。不同問題場景下用戶對展示交互關(guān)注點有較大區(qū)分，快速應(yīng)對實際決策問題演化過程中的展示交互需求是建模的難點。

水利業(yè)務(wù)應(yīng)用建模技術(shù)，如圖11所示。在對計算方案建模的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)決策業(yè)務(wù)的展示、交互、流程等實際需求，通過自定義繪制的方式對基礎(chǔ)界面展示交互控件進行設(shè)置，組合復(fù)雜的、具有實際業(yè)務(wù)功能含義的應(yīng)用交互面板，如：預(yù)報預(yù)警面板、調(diào)度決策面板等。

面板圖元布局繪制，可根據(jù)實際業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息展示需求，利用平臺提供的基本圖元，按一定的方式組織頁面展示布局，以拖、拉、拽的形式，在空白面板上任意搭建界面布局、安放各類展示圖元，包括輸入框、按鈕等常見要素和各種水利專題展示控件等定制化內(nèi)容。交互事件綁定，根據(jù)圖元的交互使用需求，對界面圖元如點擊操作后系統(tǒng)進行的處理或響應(yīng)動作進行設(shè)置。事件數(shù)據(jù)綁定，用于設(shè)定圖元事件響應(yīng)后觸發(fā)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過程。具體功能界面如圖12所示，此例為展示布局的動態(tài)搭建界面。

4平臺應(yīng)用案例

在由水利部水旱災(zāi)害防御司與長江水利委員會統(tǒng)籌組織、長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司承擔，以長江流域為示范的流域水工程聯(lián)合智能調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)及運行中，該平臺提供了直接技術(shù)支撐。通過平臺業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模服務(wù)體系，在虛擬場景下按長江流域真實流域徑流和水工程調(diào)度的業(yè)務(wù)關(guān)系，構(gòu)造了復(fù)雜的預(yù)報調(diào)度應(yīng)用。

長江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)如圖13所示。由上文平臺支撐運行：利用對象建模建設(shè)長江流域各類水利對象1 400余個;通過模型建模，配套建設(shè)各類預(yù)報調(diào)度模型200余個;通過方案建模，在流域模擬功能建立了長江流域的預(yù)報方案計算業(yè)務(wù)場景，含110余個預(yù)報子流域、超80個預(yù)報區(qū)間組成的長江全流域水文預(yù)報體系，上邊界為溪洛渡水庫，下邊界至大通斷面，涉及嘉陵江、烏江等重要支流;另外在聯(lián)合調(diào)度功能下建立了水工程聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)場景，含長江上游及下游兩湖區(qū)域的水庫群、46個蓄滯洪區(qū)、數(shù)百個洲灘民垸區(qū)劃、數(shù)十個演進河段。具體如圖14，15所示。

該套系統(tǒng)支撐了長江流域的實際管理工作。在1954年洪水復(fù)盤工作中，通過平臺直接更新的方式，半個月內(nèi)完成了流域歷史水文與現(xiàn)狀水工程調(diào)度業(yè)務(wù)的耦合建模，為有效開展復(fù)盤演算研究提供了良好的工作基礎(chǔ)。在2020年長江流域大洪水的防御決策中，以2號洪水為例，現(xiàn)有國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)因系統(tǒng)功能與開發(fā)技術(shù)無法對洲灘民垸的聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)場景進行直接計算支撐，該套系統(tǒng)通過平臺實時更新配置，動態(tài)增加了長江中下游的洲灘民垸調(diào)度對象并拓展了聯(lián)合調(diào)度業(yè)務(wù)體系，支撐了本次洪水的調(diào)度業(yè)務(wù)場景，如圖16所示。總體上，利用該平臺可快速實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)孿生的數(shù)字化應(yīng)用與系統(tǒng)構(gòu)建，對比通過傳統(tǒng)手段建設(shè)水利信息系統(tǒng)，可更好地適應(yīng)實際流域防災(zāi)管理的不同問題，快速調(diào)整業(yè)務(wù)應(yīng)用內(nèi)容，迅速提供決策支撐。

5結(jié) 語

本文構(gòu)建了水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模平臺，提供了虛擬環(huán)境下水利對象、模型、方案、應(yīng)用等水利業(yè)務(wù)要素的動態(tài)建模技術(shù)。本平臺替代傳統(tǒng)手段耗時長、工作量大的定制化系統(tǒng)開發(fā)工作，通過水利業(yè)務(wù)數(shù)字孿生建模的成果可快速響應(yīng)未來決策變化、按需調(diào)整，在長江流域水工程防災(zāi)聯(lián)合調(diào)度示范系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)及運行中提供支撐服務(wù)。

參考文獻：

[1]黃艷.長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案的實踐與思考：2020年防洪調(diào)度[J].人民長江，2020，51（12）：116-128，134.

[2]鄂竟平.堅定不移踐行水利改革發(fā)展總基調(diào)，加快推進水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化：在2020年全國水利工作會議上的講話[J].中國水利，2020（2）：1-15.

[3]李國英.深入貫徹新發(fā)展理念 推進水資源集約安全利用[N].人民日報，2021-03-22（10）.

[4]陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2018，24（1）：1-18.

[5]陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[6]張社榮，姜佩奇，吳正橋.水電工程設(shè)計施工一體化精益建造技術(shù)研究進展：數(shù)字孿生應(yīng)用模式探索[J].水力發(fā)電學報，2021，40（1）：1-12.

[7]石焱文，蔡鐘瑤.基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利工程運行管理體系構(gòu)建[C]∥河海大學.2019（第七屆）中國水利信息化技術(shù)論壇論文集.南京：河海大學，北京沃特咨詢有限公司，2019：6.

[8]劉漢宇.國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)與成就[J].中國防汛抗旱，2019，29（10）：30-35.

（編輯：黃文晉）