數字孿生江埡皂市工程總體框架研究與設計

楊恒玲 諶嵐 王敏 陳小平 劉志輝

摘 要：結合水利部關于數字孿生工程建設的有關要求，立足江埡皂市工程管理需求，梳理了信息化基礎設施現狀和系統建設情況，提出了包含信息化基礎設施、數字孿生平臺、智能業務應用、網絡安全體系和運行保障體系的數字孿生江埡皂市工程總體框架，圍繞數據底板、模型平臺、知識平臺等核心任務及強化工程安全和流域防洪預報、預警、預演、預案“四預”模擬的“算據”“算法”“算力”資源，提出數字孿生江埡皂市工程平臺應用架構、數據架構和部署架構，為工程安全分析預警、防洪興利調度、生產運營、庫區巡查和綜合決策等智能業務應用提供支撐。

關鍵詞：數字孿生；江埡皂市工程；應用架構；數據架構

中圖分類號：TV61；TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

數字孿生（Digital Twin，DT），是指充分利用現實數據和實體模型，在數字空間內對物理空間進行“孿生鏡像”，反映物理實體的全維度、全生命周期過程的數字映射系統[1-2]，其本質是以數字化的形式在虛擬空間中構建與物理世界一致的模型，主要利用實時監測數據和歷史數據，結合數據統計分析、多物理場仿真和機器學習等功能，實現數字空間與物理空間的實時雙向同步映射及虛實交互[3]。隨著物聯感知、網絡通信、云計算、三維可視化等技術的日益成熟與廣泛應用，支撐流域數字孿生的“算據”不斷豐富、“算力”顯著提升、“算法”逐步精準，數字孿生流域的概念應運而生。2021年3月，全國人大通過《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，明確提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”。2021年6月，水利部提出把推進智慧水利建設作為推動新階段水利高質量發展六條實施路徑之一，明確要求構建數字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準化決策，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案“四預”功能的智慧水利體系[4]。

為加快推進數字孿生長江工作，做好全面構建數字孿生長江技術儲備，提高長江流域水旱災害防御能力，提升水工程調度科學智能化決策水平，2021年8月，長江水利委員會印發數字孿生長江試點建設工作安排的通知，明確將數字孿生澧水作為數字孿生長江四項試點任務之一。2022年2月，水利部印發《關于開展數字孿生流域建設先行先試工作的通知》，明確將江埡皂市工程作為11個先行先試對象之一[5-11]。鑒于澧水流域和江埡皂市工程均被列入數字孿生試點，且兩者空間范圍屬于包含關系，兩者在信息化基礎設施、孿生平臺等方面高度重疊，在智能業務應用方面緊密協同，為貫徹落實數字孿生“整體謀劃、協同推進、流域統籌、避免重復”的共建共享原則，可以將數字孿生澧水與數字孿生江埡皂市進行整合，一體化推進數字孿生試點[12-13]。

本文圍繞江埡、皂市工程運行管理需求，在已有信息化基礎設施和應用系統的基礎上，綜合運用物聯網、大數據、云計算、數字孿生等新一代信息技術，提出澧水數字孿生總體框架，構建智能業務應用，支撐數字孿生澧水流域模擬過程與流域物理過程高保真同步運行與交互，為澧水流域水利決策管理科學化、精準化提供有力支撐。

1 總體框架

數字孿生澧水以江埡皂市工程為核心，整體框架分為信息化基礎設施、數字孿生平臺、智能業務應用、網絡安全體系和運行保障體系五大部分，實現江埡皂市工程的物理實體與數字孿生體之間的同步仿真運行、虛實結合、迭代優化[14]。總體框架如圖1所示。

1.1 信息化基礎設施

信息化基礎設施以利舊為主，對主要監測感知體系和網絡通信帶寬進行適當升級，包括監測感知、工程自動化控制、通信網絡和信息基礎環境部分。監測感知方面，根據工程管理的實際需求和數字孿生技術要求，開展大壩安全監測采集系統、水雨情遙測系統、視頻監控系統等升級改造；工程自動化控制方面，充分利用目前計算機監控系統和閘門控制系統；通信網絡方面，主要對工程內部的視頻監控通信網絡進行改造，提升數據中心之間的通信寬帶。

1.2 數字孿生平臺

包括數據底板、模型庫、知識庫和孿生引擎。數據底板方面，針對基礎數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據開展搜集整理和標準化治理，并采集部分地理空間數據；模型庫方面，構建防洪興利調度模型、工程安全模型等水利專業模型、遙感影像及視頻圖像識別等智能識別模型以及可視化模型；知識庫方面，構建預報調度方案庫、工程安全知識庫、調度規則庫等，為精準、高效決策會商提供技術支撐；孿生引擎方面，建立數據引擎、知識引擎和模擬仿真引擎，實現數據管理、模型計算、實時渲染等大容量、低時延、高性能要求。其中，數據底板中的基礎數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據主要結合已建信息系統的數據庫進行升級完善，而地理空間數據主要整合已有資源，構建基于二三維GIS的地理空間數據庫。

1.3 智能業務應用

包括工程安全分析預警、防洪興利調度、生產運營管理、庫區巡查、綜合決策支持等。工程安全分析預警方面，在已有安全監測系統平臺的基礎上進行升級，并新建預測預報、在線監控、維護管理等功能；防洪興利調度方面，充分利用升級改造的防洪預報模塊，針對防洪調度、洪水資源利用調度、發電調度三個方面進行定制開發；生產運營管理方面，主要針對已建的電力生產管理系統進行數據接入；庫區管理方面，開展“四亂”問題識別、巡查任務管理、處置跟蹤等功能開發；綜合決策支持方面，建立全景可視化平臺，并結合其他4個業務進行綜合會商決策和應急調度指揮。

2 業務架構

基于對工程安全、防洪興利、生產運營、庫區巡查和綜合決策等業務的流程分析與數據分析，針對當前江埡皂市工程管理中的重點工作與薄弱環節進行業務協同，統籌考慮工程管理所涉及的部門職能，利用數字孿生技術手段協同工程安全、防洪興利、生產運行、庫區巡查和綜合決策支持等各項業務應用，推動業務流程改造，提升工程管理效能。