大型數字孿生水庫建設思路探索

張奇偉，趙樹成

(1.杭州華辰電力控制工程有限公司，浙江 杭州 311100；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100)

1 概況

陳蔡水庫位于諸暨市東南部，壩址位于浦陽江支流開化江上游東白湖鎮。距諸暨市27km，流域面積187km2，河長17.5km。陳蔡水庫總庫容為1.15億m3(原設計1.164億m3)，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、養魚等綜合利用的大(2)型水利工程。

根據數字孿生水利工程總體目標，本工程按照場景全覆蓋的建模原則，結合管控范圍及管控精細度差異，從建設經濟性角度出發，進行陳蔡水庫空間差異化建模(綜合應用GIS、RS、傾斜攝影、BIM等技術)，實現信息化數字資源化，滿足水庫精細化、元素化的數字化管理要求[2]。

2 陳蔡水庫總體分析

2.1 需求分析

針對本項目工程情況、項目特點及高層級需求，數字孿生水庫應用需求主要集中在：

(1)搭建數字孿生工程場景，進行信息基礎設施建設，建立陳蔡水庫數字資產；

(2)全面梳理陳蔡水庫運行管理工作事項，圍繞防洪、安全兩大核心業務進行；

(3)開發建設數字孿生水庫應用系統，供水庫管理方實時掌握水庫運行狀況。

2.2 技術架構

陳蔡數字孿生水庫建設將依托省政府數字化改革“四橫四縱兩端”總體框架，作為浙江省數字孿生流域的一個下沉場景，以“天空地水一體化”感知體系為基礎，利用基礎設施、數據資源和相關應用支撐[3]，屬于“1+2+N”的浙江省數字孿生工程建設總體框架1個水利典型業務應用，技術架構如圖1所示。

3 陳蔡水庫建設思路

陳蔡數字孿生水庫建設主要從以下幾個方面進行應用：

(1)搭建數字孿生工程場景

(2)提檔升級信息基礎設施

(3)建立水利工程數據底板

(4)構建通用水利專業模型

(5)打造水利業務知識圖譜

(6)擴展升級智能業務應用

(7)完善網絡安全體系建設

(8)統籌軟硬件一體化集成

圖1 數字孿生工程技術架構圖

3.1 搭建數字孿生工程場景

在水利部統建的數字孿生平臺建設基礎上，基于BIM+GIS技術構建工程區域天空地水連續空間數據，打造工程L3級數據底版，為建立精細化水利數字孿生場景提供數據支撐[4]。本次工程主要建筑物包括泄洪閘、引水閘、攔河壩、引水隧洞、電站廠房等，針對水庫周邊大場景進行高精度遙感建模，并對水庫大壩及庫區進行傾斜攝影測量，建立水利工程仿真三維模型，針對工程建設主體內容及原壩址區域進行BIM模型的建設，運用三維融合技術將遙感模型、BIM模型進行無縫集成，為工程數字孿生及智慧水庫建設打下堅實基礎。基于GIS技術，在高精度立體遙感影像的基礎上，構建陳蔡水庫周邊大場景，建立包含以陳蔡水庫工程為主體的流域范圍(187km2)以及方圓不小于10km2周邊的1∶1實體的三維立體虛擬空間。

3.2 提檔升級信息基礎設施

從陳蔡水庫實際業務需求出發，充分利用物聯感知技術，構建立體感知體系，結合現場實際，搭建安全高效的物聯感知網絡，利用計算機監控系統實現對運行過程的實時監視和控制[5]，如水雨情監測鏈路如圖2所示。

圖2 水雨情監測鏈路

3.3 建立陳蔡水庫數據底板

陳蔡水庫數字孿生建設依照標準規范，建設工程自身數據底板，具體包括：

(1)數字高程模型(DEM)數據

陳蔡水庫壩區及庫區大場景數字地形DSM格網尺寸為0.5m；平地高程中誤差0.37m，丘陵高程中誤差0.75m；山地高程精度中誤差1.05m；高山高程精度中誤差1.5m；DOM地面分辨率優于0.1m；平面精度不低于0.3m；數字正射影像圖與相鄰影像圖接邊誤差不應大于1個像元。基于無人船等測量技術，在高精度立體影像的基礎上，構建了陳蔡水庫水下地形空間范圍，完整地表現出工程水下地形附近的真實地理環境，包含了水體、地形、淤泥等，實體側面紋理可見。

(2)遙感影像

按照一般工程傾斜遙感設計要求，工程庫區及水庫運行下游影響區宜采用無人機獲取優于20cm精度的傾斜攝影，壩區宜采用無人機獲取優于10cm精度的傾斜攝影[6]。陳蔡水庫項目中，傾斜航攝系統的下視影像航向重疊度高于80%，旁向重疊度高于80%；飛行航高保證獲取的建模區域傾斜影像的空間分辨率3cm，外圍非建模區域傾斜影像的空間分辨率在8cm，均高于浙江省相關要求。

(3)BIM數據

陳蔡水庫BIM模型創建主要包括攔河壩(主壩、副壩及原非常溢洪道改建的副壩)、泄洪閘、輸水放空洞、新建輸水建筑物、泄洪渠、電站廠房、管理區建筑物等。工程主體及附屬建筑物各專業構件精度均按照LOD300創建，不包括鋼筋、永久縫、止水等細部結構，其中機電及金屬結構專業主要設備構件精度部分參照LOD400，錄入主要的維保信息。

(4)其他數據

基礎數據、監測數據、外部共享數據等，根據業務需要集成到地理空間數據上，如將移民、社會經濟等數據集成到遙感影像，將機電設備基礎數據集成到構件級模型單元，根據業務需要選取適宜的時間跨度進行數據同步更新。

3.4 構建洪水預報專業模型

針對陳蔡水庫構建水文預報調度模型，實現水庫實時預報調度，集成預報降雨成果，延長預見期[6]，陳蔡水庫洪水預報及調度系統主要包括洪水預報、洪水演進和水資源調配系統。

洪水預報系統采用科學合理的預報模型，提供可靠有效的預報數據，提供人機交互的手段，可以根據經驗判斷設定或修改相關參數，并實現水庫水情、工情模擬仿真，將工程整體防洪形勢展示在決策者面前，如圖3所示。

圖3 陳蔡水庫預報調度系統界面

3.5 打造安全監測知識圖譜

建立陳蔡水庫安全監測知識圖譜，分析監測對象關系，對結構化數據、半結構化數據、非結構化數據進行實體抽取、關系抽取、屬性抽取，構建安全監測基礎知識圖譜。

3.6 擴展升級智能業務應用

基于人工智能技術，建立一套AI圖像識別能力，一套集數據標注、算法訓練、應用部署的端到端的整體系統[7]。陳蔡水庫AI智能識別以水庫周邊視頻監控、無人機、無人船為信息感知入口，通過采集現場圖像經過后臺AI智能服務器分析，將庫水面漂浮物、挖泥船、庫區人員活動、車輛活動等信息進行7×24h全天候的分析、報警。

3.7 完善網絡安全體系建設

陳蔡水庫工程數據中心主要部署在諸暨市大數據中心，網絡安全設備部署總體方案為：控制區獨立組網，且物理隔離，暫不配置安全設備；管理網區邊界防火墻、上網行為管理等部署在管理房，其他安全設備、安全措施等按需租用大數據中心相關服務[8]。

3.8 統籌軟硬件一體化集成

在工程內部軟硬件、數據集成的基礎上，做好門戶一體化集成，分別定制大屏、桌面端、移動端應用效果，按照用戶權限配置相應功能應用。通過本次數字孿生水庫建設，實現水庫業務流程集成、完成業務線上與線下相統一，支持在線開展業務、工程資料整編、流程數據存儲、自動生成報表等功能。陳蔡未來數字孿生水庫大屏見圖4。

圖4 陳蔡數字孿生水庫

4 結語

陳蔡數字孿生水庫建設符合水利部智慧水利總體要求，以運管業務需求為導向，融合智慧物聯、數字模型、大數據分析、AI智能等前沿技術，實現了工程全自動物聯感知覆蓋、工程業務流程優化、工程運行維護聯動、上下級業務協同4大目標，可為水利行業數字孿生水庫建設提供借鑒和參考，同時本次數字孿生水庫應用仍存在一定不足，比如AI智能分析場景有限，針對人員、車輛、漂浮物具有較好效果，對于釣魚、游泳等其他場景還需進一步探索；洪水預報、洪水演進及工程安全監測模型仍需進一步優化，本項目數字孿生建設中模型因為數據量不足等問題導致模型精度不夠，預報精準度仍需進一步提高。