江西省虎山站“四預”數字孿生系統應用研究

張 飛，王述強，李 灣

（1.江西省水文監測中心，江西 南昌 330000；2.北京金水信息技術發展有限公司，北京 100089）

1 背景

虎山水文站為樂安河江西省境內的水文站。按照水利部“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，結合虎山水文站及所在流域防洪要求，構建虎山水文站“四預”數字孿生系統。圍繞數字孿生水文站建設任務，充分利用現有建設成果，找準重點，突出亮點，緊抓任務時間和目標，力爭做出成效，發揮示范引領作用。

基于本項目的建設，探索貼合江西水利特點的數字孿生流域建設技術路線，積累寶貴的建設經驗，為后續江西省其他流域和水利工程數字孿生建設提供可復制、可推廣的示范技術，實現與其他數字孿生流域的共建共享，確保與水利部、省級水利部門、工程管理單位共享數據的統一性、時效性和同步性，實現與水利部、流域管理機構、省水利廳單位之間數字孿生平臺的互聯互通、數據共享、業務協同。

2 “四預”數字孿生系統基礎和關鍵技術

虎山水文站“四預”數字孿生系統的基礎和關鍵技術包括數字孿生底板、可視化模型、數字模擬仿真引擎等。

2.1 數字孿生底板

數字孿生底板是數字孿生及業務應用的基礎支撐[1]。在充分利用江西水利一張圖的基礎上，通過完善時空多尺度數據映射，擴展三維展示、數據整合、分析計算、動態場景等功能，建設基礎數據統一、監測數據匯集、二三維一體化、三級貫通的數據底板。

2.2 可視化模型

依托數字孿生底板地理空間數據、監測數據和水利專業模型，根據實際業務需要構建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態、水利工程、水利機電設備的預演過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

2.3 數字模擬仿真引擎

通過BIM 技術，提升服務平臺在三維空間的數據服務能力[2]。數字孿生體的模擬仿真采用高性能3 D 實時渲染技術，融合地圖、數據、場景、物聯網和外部系統，形成一體化業務執行系統。所有業務搭載在三維平臺圖層之上，將視頻、動畫、2 D/3 D 圖形與實時數據流進行統一整合，最大限度滿足原生模擬輸出呈現。

3 “四預”數字孿生系統設計

3.1 系統總體設計

以物理流域水利工程及相關水文數據為基礎支撐，在已有信息基礎上建設數據底板、模型平臺、知識平臺進而構建數字孿生平臺，面向水行政主管部門領導、管理人員、工作人員等提供洪水預報、預警、預演、預案業務應用。系統總體框架分為物理流域層、數字孿生流域層、業務應用層和用戶層，如圖1所示。

圖1 總體框架

3.2 業務流程設計

基于前端感知設備采集或共享的氣象、河流、監測等數據，利用模型平臺構建的可視化模型、水利專業模型等，對水文站所在流域洪水過程進行提前預報；洪水預警是在洪水預報的基礎上，通過設定的防洪相關數據的閾值，對監測數據、預報結果數據進行綜合分析，并最終發布預警信息；洪水預演模塊是對已有的多種防洪調度方案進行三維可視化預演，預演結果將展示在會商決策模塊，為領導提供決策支持；防洪調度預案模塊是基于預演的結果數據，結合知識平臺提供的知識依據，比選出最優的調度方案以及適宜的應急預案。在防洪工作結束后利用防洪評估系統對洪水災害損失、防洪調度執行等方面進行評價評估。“四預”業務流程，如圖2所示。

圖2 “四預”業務流程設計

4 “四預”數字孿生系統建設

4.1 數字孿生平臺

4.1.1 數據底板

虎山水文站數據底板建設內容包括數據資源池、數據模型、數據治理和數據服務等。

（1）數據資源池。建立虎山水文站數據資源池，充分整合與集成實時雨水情庫、水文信息數據庫、防汛抗旱專用數據庫、水利工程庫、實時工情庫等相關數據，實現基礎信息、監測信息、成果信息、地理空間信息、多媒體信息的構建、整合、集成和管理。

（2）數據模型。數據模型包括水利數據模型、水利網格模型和水利工程模型。其中，水利數據模型面向水利業務多目標、多層次的復雜需求，通過描述水利對象的空間、屬性、關系、時態等信息，構建水利數據模型，形成描述水利信息全貌的模型體系。虎山水文站所處樂安河流域水利網格管理模型的建設，參照其他行業成功的網格管理模型，從行政區劃、自然流域、水資源功能區等不同角度出發，劃分不同的管理分區，對不同分區維度進行整合，形成水利網格化管理模型。通過傾斜攝影技術，構建虎山水文站高精度模型。

（3）數據治理。數據治理為三級數據底板構建提供標準化的數據支持。對數據資源池中二維數據、三維數據、業務數據等海量數據資源進行預處理、清洗、加工、輕量化、關聯鏈接、融合、入庫和備份與恢復等工作。

（4）數據服務。對各類基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據、地理空間數據進行整合處理，形成可融合共享和聯動更新的數據底板；對水文、水資源等專業水力模型進行整合，通過Web服務接口提供模型調用、參數配置、預先條件定義、成果定制等數據服務，為防洪“四預”數字孿生系統提供數據保障。

4.1.2 模型平臺

模型平臺重點建設水利專業模型、可視化模型、數字模擬仿真引擎。其中，水利專業模型的建設利用已有分布式水文模型和水文水動力模型，補充構建集總式水文模型和預報調度一體化模型，對現有水文模型進行集成和優化；可視化模型的建設依托數據底板地理空間數據、監測數據和水利專業模型，根據需要構建水利工程自然背景演變、工程上下游流場動態、水利工程、水利機電設備的“四預”過程等可視化模型，滿足仿真模擬等需要。

4.1.3 知識平臺

根據收集的虎山水文站歷年水文實測數據和所在流域的水利工程情況，集成各類預報調度方案、調度規則和專家經驗，通過現實情況與預演情況的對比分析迭代優化模型算法，形成調度預案知識庫，構建動態優化、實時更新的水利知識庫，提升智慧化決策支撐水平。

4.2 “四預”業務應用

按照江西省智慧水利建設技術規范和水利部數字孿生流域建設要求，采用微服務、二三維一體化等關鍵技術，建設虎山水文站“四預”業務應用系統。充分利用已建成果，構建虎山水文站“四預”數字孿生系統。該系統融合洪水預報調度的各類信息資源，全面掌握虎山水文站及所在流域防汛相關信息，在信息整合與展示的基礎上，構建虎山水文站預報、預警、預演、預案的數字化場景，實現虎山水文站及所在流域內重點關注對象的智慧化模擬，輔助管理者實施精準化決策。

4.2.1 預報業務

預報業務主要是構建綜合信息查詢與展示、多源降雨數據接入、多模式預報、洪水態勢分析等功能應用。通過應用功能的開發建設，為數字孿生平臺提供基礎數據查詢，提高降雨數據的精度（如雷達測雨數據[3]）以及延長洪水的預見期（如利用降雨數值預報）。針對不同的應用場景和需要，采用集總式水文模型、分布式水文模型、一二維水文水動力耦合模型等多種預報模型方法進行洪水預報，基于時間軸，分析虎山水文站所在流域洪水過去、現在、未來的變化過程，包括動態變化趨勢。

4.2.2 預警業務

智能化預警通過各類技術手段，包括智能分析技術，將洪澇災害信息及時或提前傳遞給防洪工作人員和社會公眾，達到避免或減少洪水帶來的損失的目的。實時信息監測預警通過雨情、水情、工情信息的實時監控，掌握虎山水文站所在流域的實時汛情；河道洪水預警根據流域上游集總式水文模型、分布式水文模型的預報成果，結合河道水文站的洪水預警指標，實現斷面的洪水預警；鄉鎮洪水及淹沒預警依據分布式水文模型、一維水動力模型的計算成果，結合各斷面的洪水預警指標，實現河道重要斷面的洪水預警。

4.2.3 預演業務

通過調用模型平臺中的一二維耦合水文動力學模型微服務，后臺實時滾動計算洪水演進[4]過程，結合三維可視化模型對虎山水文站所在流域洪水的實時洪水演進情況、淹沒情況、防洪應急方案等進行推演模擬、可視化仿真，并對流域范圍內雨情、水情、淹沒形勢進行綜合分析。

4.2.4 預案業務

依托現在的流域下墊面條件，對虎山水文站記錄的歷史典型洪水、設計洪水或者實時洪水進行預演，并通過可視化手段將推薦的各種方案直觀地展示給用戶。預案主要為水文部門水位加測加報工作預案。

5 結語

數字孿生流域建設是強化流域治理管理的迫切要求，江西省虎山水文站“四預”數字孿生系統具有技術攻關和示范引領作用，對探索水文站點防汛“四預”體系的建立有現實的重要意義，在未來項目實施運用較好的前提下，可以考慮將數字孿生系統的建設范圍和涵蓋業務不斷擴展，形成覆蓋整個虎山水文站所在流域以防洪調度、水資源管理為基礎的多尺度、多業務的應用體系，為江西省“2+N”水利智能業務應用體系提供可以借鑒的實例。