數字孿生響洪甸水庫工程建設探索

程習華

（安徽省響洪甸水庫管理處，安徽 六安 237000）

1 概述

數字孿生流域在智慧水利建設發展中承擔重要使命，是推動新階段水利高質量發展的關鍵實施路徑之一[1-2]。數字孿生流域的應用范圍涵蓋流域內的水庫、堤防、蓄滯洪區等關鍵工程，以及河道水文站點和沿岸防洪區域等要素[3]。根據《水利部關于開展數字孿生流域建設先行先試實施方案》的要求，數字孿生流域建設被強調為首要任務，并要求率先在關鍵水利工程上推進數字孿生工程建設[4]。

響洪甸水庫是淮河流域的重要水利樞紐工程，通過近年來信息化建設，在監測感知、業務應用、網絡通信及基礎環境等方面已具備一定規模的信息化基礎，被安徽省列為數字孿生水庫工程建設試點。本文提出充分運用新一代信息技術，進行數字孿生響洪甸水庫工程建設，實現與實體水庫同步仿真、虛實交互、迭代優化。這為水庫防洪、水資源調配等“四預”功能（預報、預警、預演、預案）的實現提供了支持，從而提升了水庫工程科學化決策能力與高效化管理水平[5]。

2 工程概況

響洪甸水庫是新中國治理淮河水患的關鍵骨干工程之一。該水庫的建設始于1956 年4 月，1958 年7 月順利竣工。在2009 年7 月—2012 年7 月期間，響洪甸水庫開展除險加固工程建設，并在2018 年完成除險加固后首次安全鑒定，被評定為一類壩。響洪甸水庫位于淮河流域淠河西源，控制著1431km2的流域面積，總庫容高達26.1 億m3，是具備綜合利用、多年調節的大Ⅰ型水利樞紐工程，同時具備防洪、灌溉、供水、發電、航運、旅游和養殖等多種功能[6]。響洪甸水庫自建成以來，成功應對多次淮河洪水，蓄洪錯峰的次數超過100 次，累計攔蓄1500m3/s 規模以上的洪峰高達115 次。每年平均防洪減災效益超過2.5 億元，為保障人民的生命財產安全作出了重要的貢獻。

3 信息化現狀與需求分析

當前，響洪甸水庫水利信息化建設尚存在以下短板和薄弱環節：（1）數據資源體系有所欠缺，孿生場景數據驅動能力有待提高；（2）信息化基礎設施存在不足，智能化監測感知水平還有待提高；（3）模型體系未進行深度挖掘應用，知識體系尚未構建；（4）業務應用智能化水平不高，水庫管理系統與信息技術融合不夠深入。

基于以上現狀，需以響洪甸水庫工程安全為底線，以信息技術為動力，以業務需求為導向，在水庫已建的相關業務系統的基礎上，整合相關業務基礎數據、監測數據，集成、優化現有洪水預報模型、一維和二維水動力模型，以及水庫調度模型、大壩安全監測模型等，構建數字孿生響洪甸水庫工程，提升水庫的智慧化管理決策水平。

4 總體設計

數字孿生響洪甸水庫工程主要由數字孿生平臺建設、信息化基礎設施建設、業務應用建設、網絡安全體系以及保障體系建設等多個部分組成。總體架構如圖1 所示，其中數字孿生平臺是最核心的環節。

圖1 數字孿生響洪甸水庫工程總體架構圖

5 數字孿生平臺

5.1 數據底板

數據底板為數字孿生水利工程提供“算據”支撐，主要包含數據接入、存儲和服務三項內容，其中數據接入是數據底板的建設入口，數據存儲是數據底板的內核，數據服務是數據底板的出口，數據底板構建的數據內容涵蓋了基礎、監測、跨行業共享、地理空間和業務管理等多個數據類別。

5.2 模型平臺

模型平臺是實現數字孿生響洪甸水庫的精準映射和虛實互動的核心組成部分，為響洪甸水庫智慧水利應用提供了必要的“算法”支持。同時，按照“標準化、模塊化、云服務”的原則制定覆蓋平臺開發、模型調用、數據共享和接口等多方面的技術標準。平臺涵蓋水利、智能識別、可視化和模擬仿真等專業化模型。響洪甸水庫工程“四預”功能展示可視化模型設計如圖2 所示。

圖2 響洪甸水庫工程可視化展示模型圖

5.3 知識平臺

構建水庫工程知識平臺，將水庫各項業務涉及的基礎依據全面結構化、知識化，實現管理依據快速調取、管理流程快速調度、管理執行要求快速調取、管理聯動操作自動關聯，同時實現預警指標與預警事件關聯、監測異常與事件處置關聯、業務限制條件及限制因素快速識別等[7]。利用知識圖譜和機器學習等技術提取、管理以及綜合應用水利對象之間的關聯關系以及水利規律等信息，這一智能核心為數字孿生響洪甸水庫的運行進行賦能，支撐正向智能推理和逆向溯因分析。

6 信息化基礎設施

6.1 水利感知網

基于響洪甸水庫現有監測感知體系，充分利用先進感知技術，完善水庫雨水情監測、出入庫流量監測、視頻監測、閘門工情監測等內容，按需求加強衛星遙感、高清視頻、雷達等新型監測手段應用，提升水庫智能感知水平。

6.2 水利信息網

利用已建水利專網實現響洪甸水庫水利業務訪問和數據傳輸。開展水利專網與政務網貫通建設，通過所屬地的數據資源局節點，開展政務網與水利專網的互聯建設，實現水利云平臺與政務云平臺融合。

6.3 計算與存儲資源

計算與存儲資源建設是響洪甸水庫數字孿生建設中的重要環節。數字孿生建設進行復雜的模型計算、圖形處理等環節需要配置足夠的計算資源；同時，建設產生大量的基礎數據、監測數據、業務數據及空間數據，需配置相應的存儲資源，滿足數字孿生響洪甸水庫未來10～20 年的計算與存儲需求。

7 業務智能應用

面向響洪甸水庫水旱災害防御、工程運行管理、水資源與河湖管理等業務需求，建設基于響洪甸水庫數字孿生體系的專業智慧應用服務，實現預報、預警、預演、預案“四預”全過程管理。

7.1 防洪調度管理

利用響洪甸水庫數據底板，構建防洪數字化場景，融合水文、水動力學等水利專業模型，遙感識別、視頻識別等水利智能模型和可視化模型，預報調度方案庫、歷史場景模式庫、專家經驗庫等水利知識庫，構建“四預”防洪預報調度系統，實現洪水預報、預警分析、調度方案預演、預案智能生成等功能，為流域洪水防御提供超前、快速、精準的決策支持。

7.2 水資源調配與管理

依托水庫及周邊重要水文站點實時監測數據以及流域的來水水文預報信息、供水預測（計劃）信息、短臨氣象預報等技術手段和取用水監控、取水計劃等數據的分析與應用，生成水庫綜合調度計劃，實現庫區水資源科學合理調配、智能預演模擬和預警，并生成決策建議方案，確保庫區水資源綜合管理和科學調度，提高效益。

7.3 工程運行管理

工程安全運行管理方面，構建響洪甸水庫大壩安全預警研判、發布、處置及效果評價體系，實現水庫大壩安全運行監測預警全過程管理。日常業務運行監管方面，以工程虛擬化場景應用為主體，打通融合數字運行管理、多源監測等組件，實現工程日常業務智慧化、精細化管理。

7.4 河湖管理

實施河湖岸線綜合管理，建立河湖日常巡查、問題發現上報、整改反饋、跟蹤復查、考核評價等全過程管理機制。實現河湖岸線防護、水事案件查處、水事糾紛、采砂等自動化管理，并可查詢事件進展及處理結果，建立起有效的河湖安全管理運行機制，提升綜合監管水平和處置效率。

8 結語

結合當前水利部推進智慧水利、數字孿生水利建設的形勢，開展數字孿生響洪甸水庫工程建設，構建水庫高精度數據底板和數字化場景，應用水利專業模型、智能識別模型和可視化模型，以預報、預警、預演、預案功能提升水庫管理和調度能力，實現響洪甸水庫工程的智慧化、精細化管理，十分必要且具有重要意義。有利于推進響洪甸水庫水利工程信息化從數字化、網絡化向智能化轉變，為水庫防洪、水資源配置與調度等業務提供支撐，進而提升水利工程設施運行效能，推動水利業務的全面創新■