數字孿生官廳水庫建設方案探析

袁 楠，奚 歌 郭晶晶

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 研究背景

數字孿生官廳水庫是數字孿生永定河的重要組成部分和關鍵控制節點工程。在海河流域數字孿生永定河“統規統建、統規自建”的要求下，開展數字孿生官廳水庫建設，可助力提升流域防洪、水資源調度的智能化水平[1]，是充分促進永定河流域骨干工程防洪效益的關鍵所在，是實現流域“四統一”的成敗所在。建設數字孿生官廳水庫，可切實提升官廳水庫工程運行管理先進水平和監管時效性，是推動由人主導的“經驗調度”向計算機推送結合人機互動的“智慧調度”[2]轉變的重要舉措，是實現官廳水庫高質量發展的必由之路。

2 流域及工程概況

官廳水庫位于永定河流域，水庫壩址以上永定河流域面積4.34萬km2，占永定河流域面積的92.3%。官廳水庫主要有3條入庫支流，分別是洋河、桑干河和媯水河。官廳水庫是新中國成立后興建的第一座大型水庫，是永定河上的大型骨干工程，是一座具有防洪、供水、灌溉、發電等多種功能的大型水利樞紐，由永定河庫區及媯水河庫區組成，總庫容41.6億m3，水利樞紐工程主要由攔河壩、泄洪洞、溢洪道、水電站組成。

3 信息化建設基礎與差距

3.1 信息化建設基礎

3.1.1信息化基礎設施

(1)監測感知

1)雨水情監測

通過人工觀測和“北京市水文自動化系統”采集官廳水庫水文站、官廳水庫出庫水文站、八號橋水文站的雨水情信息。通過“北京水情綜合業務系統”采集水庫上游34個報汛站雨水情信息，通過“官廳山峽防汛衛星雨水情遙測系統”對官廳水庫上游29個雨量遙測站實時監測。

2)安全監測

表面變形監測：利用全站儀進行表面變形自動三維觀測。

內觀監測：已建壩體、壩基內部變形監測、剪切位移監測、滲流量監測，壩體和壩基滲流監測，繞壩滲流監測和應力應變監測等，實現自動監測。

3)視頻監控

視頻監控由安防監控、森林防火監控、高清河道和水利工程監控組成。

4)移動監測

官廳水庫管理處已配置1臺水面機器人(無人船)，用于水質自動化取樣和監測。

(2)通信網絡

1)骨干通信網

官廳水庫管理處與北京市水務局通過一條10M專線實現通信傳輸，包括視頻會議及內網工作。

2)二級通信網

北京市官廳水庫管理處至基層站點之間是采用星型拓撲結構的通信鏈路。官廳水庫管理處至出庫站、綜合樓、水工班、溢洪道、水文站、水政樓均已建設光纜，官廳水庫管理處至永定河庫區管理所通過無線擴頻傳輸。

3)互聯網接入

官廳水庫管理處互聯網接入鏈路40M，用于內部訪問互聯網使用。

(3)閘門自動化控制

目前官廳水庫泄水閘門已實現閘門自動化控制，4孔閘門由4臺獨立的泄洪閘閘控系統分別操控。

(4)機房

中心機房位于官廳水庫管理處主樓一層，包括網絡通訊設備、服務器及存儲設備、監控系統等硬件設備。

(5)視頻會商

會商室和指揮調度室實現了與北京市水務局和各管理所的異地會商，發揮現場指揮調度決策的作用。

3.1.2數據信息資源

官廳水庫管理處建設了空間數據庫、實時水雨情數據庫、水質數據庫，積累了一定量的數據資源。

3.1.3水利模型和知識

官廳水庫目前采用粗估徑流系數法粗估降雨區的產流量，利用河道站上、下游洪峰相關的洪水傳播時間相關曲線推求入庫洪峰時間和洪量，對單元產流區的徑流出流過程采用流量過程模式圖計算，根據水庫洪水調度方案，進行調洪演算推求水庫最高水位出現時間及水庫下泄流量。

已有北京市官廳水庫洪水調度方案、設計洪水成果和調洪計算成果、調度會商、調度決策、調度實施方案等文件類成果，但未形成知識庫。

3.1.4業務應用

官廳水庫管理處主要應用上級業務應用系統，主要包括北京水情綜合業務系統、北京市水務局綜合信息平臺、北京水旱災害防御綜合指揮平臺、北京水文自動化系統查詢、北京市水資源統一調度平臺、衛星雨水情遙測系統、北京市重點流域洪水調度系統、大壩安全監測系統等，為防汛抗旱和水資源調配提供了重要的支撐。

3.2 問題與差距

3.2.1信息化基礎設施不足

(1)感知體系

水情監測方面：水情監測觀測點存在傳輸信號不穩定等問題，部分站點需要補充北斗應急通訊。

安全監測方面：大壩安全監測主要以全站儀半自動觀測為主，個別儀器設備存在損壞和測值異常情況，尚未應用北斗、GNSS等技術，智能化程度不高。

視頻監控方面：目前安防監測、森林防火視頻點密度不足，溢洪道、閘門、泄洪洞缺少視頻點監測運行狀況和自動識別水尺讀數功能，智能視頻識別技術尚未應用。

其他方面：遙感、無人機智能巡檢等監測手段應用不足。

(2)通信網絡

數字孿生工程建設技術導則中要求“應接入上級單位水利業務網，連接帶寬應滿足服務調用和數據共享的需求，原則上宜不低于50M”。

官廳水庫管理處與北京市水務局之間骨干通訊網為10M，難以滿足數字孿生官廳水庫對上級單位的信號實時傳輸、數據實時共享以及實時會商調度的需求。

此外，監測站網網絡不穩定，存在傳輸信號易中斷等問題；壩區移動運營商信號覆蓋弱。

(3)閘門自動化控制

目前的閘門調度管理模式導致閘門控制者無法直觀看到閘門狀態，閘門狀態的觀察者又無法操作閘門；閘門控制模式采用手動控制方式，一是無法同步對多個閘門進行操作，二是很難控制閘門的升降精度。

(4)機房

機房建設年代久遠，環境不符合標準機房要求，設備老舊，程控交換機不能滿足現在的要求。

3.2.2數據開發利用有待提升

地理空間數據覆蓋不全、精度不夠，不足以搭建數字孿生場景；數據更新頻率不足；數據來源較多、數據孤島嚴重、標準不統一等問題；數據驅動不夠，與全要素真實感知的要求不適應，不能滿足數字孿生水利工程對“算據”的要求。

3.2.3水利模型和知識應用不足

模型方面：隨著官廳水庫流域城市化的快速發展，下墊面和產匯流條件發展巨大變化，原有計算方法和模型系統已難以滿足實際需求；人工智能集合視頻、圖像、語音等技術尚未應用，缺少三維可視化場景模型和高性能模擬仿真引擎，難以支撐數字孿生高性能仿真。

知識方面：目前水利知識分散、零星分布，大部分以紙質或電子版為主，部分專家經驗未能總結提煉。知識規模化程度不夠，業務規則數字化應用程度較低。

3.2.4業務應用水平不高

官廳水庫管理處現有系統比較分散，業務協同困難，信息無法及時共享，效率低下，急需整合各類系統，再造業務流程，形成一個全過程快速響應的業務平臺。

3.2.5網絡安全防護能力欠缺

隨著機房設備增加，機房內現有的網絡交換設備接入端口不足，現有防火墻老化，性能不足，不能滿足當前通信網絡需要，需要進行替換更新。

4 總體思路

4.1 建設目標

全息化洞悉水利工程狀況，全過程評估水利工程狀態，全景化模擬水利工程態勢，全要素賦能水利工程管理，實現水利工程日常管理標準化、安全管理精細化、調度管理科學化，提升工程管理水平，為新階段官廳水庫高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

2023年：完善安全監測、閘門自動化改造、配電管理系統等基礎設施，完成官廳水庫工程運行管理智能化提升。

2024年：信息基礎設施升級完成，遙感、無人機等手段全面應用，在防汛和工程日常管理方面完成智能業務升級，水資源、工程安全“四預”等業務建成，基本建成數字孿生平臺，初步形成主要業務的智能應用全覆蓋。

2025年：北斗應用持續深入，完成知識庫建設、庫區綜合管理、綜合決策支持業務應用建成，數字孿生平臺與智能業務應用深度融合，數字孿生官廳水庫工程基本建成。

4.2 總體框架

數字孿生官廳水庫包括信息化基礎設施、數字孿生平臺、業務應用、網絡安全體系等部分，總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體架構圖

5 建設方案

5.1 數字孿生平臺

數字孿生平臺主要由數據底板、模型庫、知識庫、孿生引擎4部分構成[3]。

5.1.1數據底板

數據底板包括地理空間數據和其他數據。

(1)地理空間數據

地理空間數據包括共享的L1級、L2級數據與本項目建設的L3級數據。

L1級數據：共享水利部的官廳水庫控制流域4.34萬km2范圍內L1級數據，L1級數據為優于30mDEM、優于2mDOM數據。

L2級數據：共享海委建設的永定河流域河流L2級數據，進行流域河流場景精細建模。包括洋河、桑干河、永定河、永定新河河道，長度860km，寬度：山區河道(洋河、桑干河、永定河三家店以上)1.0km，平原區河道(永定河三家店以下、永定新河)為堤防內。面積總計約1068km2。L2級數據為優于15mDEM、優于1mDOM數據。

L3地理空間數據具體建設內容如下：

DEM數據：對庫區和壩區構建DEM，面積約168.51km2。庫區范圍為官廳水庫管理范圍線外擴10m，總面積168.29km2。壩區范圍為官廳水庫大壩上下游770m范圍，范圍包含樞紐工程構筑物、配套建筑及溢洪道等，總面積0.223km2。

DOM數據：對庫區(不含水面)和壩區構建數字正射影像(DOM)，面積約73.223km2，庫區DOM地面分辨率優于1m，壩區DOM地面分辨率優于0.1m。

水下地形數據：官廳水庫庫區大斷面及回水區重要斷面，范圍為庫區水面，面積約95km2。

實景三維數據：建立官廳水庫壩區實景三維模型，總面積0.223km2。

BIM模型是官廳水庫樞紐工程區域內建筑物、構筑物、設備設施等L3級數據的模型載體。BIM模型建設內容見表1。

表1 BIM模型建設內容

(2)其他數據

包括基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據。

5.1.2模型平臺

(1)水利專業模型

水利專業模型包括水文模型、水動力模型、水資源模型、工程安全模型，為防洪調度、水資源調度、工程安全管理等業務提供決策支持。

1)水文模型

流域產匯流模型主要用于官廳水庫上游來水預報。預報方案包括友誼水庫、南洋河、西洋河、柴張區間、清水河、張響區間、冊田水庫、冊石區間、錢家沙洼、東庫區(媯水河～官廳區間)、西區庫(石～響～官廳區間)共11個流域，預測入庫八號橋和東大橋控制斷面的流量過程。

2)水動力模型

建立官廳水庫以下至屈家店的一維水動力模型，結合地形、地貌、土地利用等數據，進行一維非恒定流的動態模擬，實現水工建筑物及潰壩洪水模擬分析，永定河生態補水官廳水庫放水后下游流量過程預測等。

3)水資源模型

建設中長期徑流預報模型和生態流量優化調度等水資源模型，用于水資源管理與調配。中長期徑流預報模型，包括趨勢預測、自回歸、門限多元回歸、神經網絡BP、支持向量機SVM等方法；生態流量優化調度模型：結合永定河全線通水業務需求，新建生態水量優化調度模型，實現官廳水庫年度調度計劃的制定，同時用于確定永定河重要河段生態基流、全線通水的河長、流動時間、有水時間。

4)工程安全模型

包括監測數據治理模型、大壩運行安全性態分析模型、大壩運行安全監測“四預”模型、大壩安全智能模型分析。

(2)人工智能模型

基于機器學習、卷積神經網絡、大數據等核心算法，結合水利業務應用場景建設智能識別模型，對衛星遙感影像和無人機、攝像頭等采集的視頻圖像進行智能化識別。

(3)可視化模型

以實體官廳水庫為主體對象，L1、L2、L3級數據底板為基礎，BIM模型為支撐，監測與業務管理為導向，構建官廳水庫自然背景演變、水庫上下游流場動態、水利工程、水利機電設備等4大場景類可視化模型。

5.1.3知識平臺

在共享水利部、海委相關知識庫的基礎上，構建官廳水庫工程知識圖譜、預報調度方案集、工程安全知識集、業務規則集、歷史場景集、經驗集，同時為后續不斷充實知識庫提供便捷入口。

5.1.4孿生引擎

以數字孿生官廳水庫建設需求為牽引，針對數據引擎、知識引擎、模擬仿真引擎內容進行建設，開發接口以網絡應用程序接口(Web API)或軟件開發工具包(SDK)等形式提供。

5.2 信息化基礎設施

5.2.1監測感知

(1)大壩安全監測

基于北斗GNSS對現有77個大壩表面變形監測點進行改造，實現水庫大壩表面水平位移的全天候自動化監測。

(2)山體監測

根據危巖體分區情況，在官廳水庫大壩下游右岸山體隱患處安裝危巖體監控設備，實現對山體滑坡隱患點的實時在線監測和預警分析。

(3)視頻監控

新建19個視頻站點，泄洪洞和溢洪道新建8處視頻點，壩區增加6處安防監控視頻點，庫區森林增加2處防火視頻點，三個濕地增加3處鳥類觀測視頻點。

(4)無人機巡檢

開展無人機智能巡檢，通過無人機智能自主實時視頻、影像采集，對庫區水面漂浮物、污染源、捕魚、違規排放以及“亂占、亂采、亂堆、亂建”等情況進行定期監測，實現巡檢無人值守，遠程操控，數據處理流程式操作巡檢圖像、視頻等自動化接入官廳水庫數字孿生平臺。

(5)衛星遙感監測

對庫區和壩區應用衛星、無人機等遙感技術手段，定期開展高光譜高分辨率遙感監測，及時發現消落區及岸線違法違規水事行為，為庫區監管工作提供全面準確的數據支撐。

5.2.2通信網絡

對官廳水庫水利業務網、移動網絡和監測傳輸網絡進行完善。

(1)水利業務網

考慮到數字孿生對網絡傳輸的需求，將官廳水庫管理處與北京市水務局之間骨干網絡帶寬拓寬至50M(由北京市水務局管理)。

(2)移動網絡

建設覆蓋壩區的無線網絡系統，實現辦公區域和壩區的移動應用全覆蓋。需購置一套無線控制器AC及終端辦公區的無線AP接入。

(3)應急通信

在樞紐中心、庫區中心等部門配備衛星電話，并在防汛備汛工作中對配備的衛星電話進行測試和維護，滿足日常和極端條件下的應急通訊保障需求。

建設基于北斗應急通信系統的指揮通信網，保障常規通信覆蓋不到或因人為破壞和自然災害影響而無法使用情況下的應急通訊。對官廳水庫管理處自建的3個水文站(官廳水庫水文站、官廳水庫出庫水文站、八號橋水文站)進行“公網+衛星”雙主信道改造，實現遙測數據雙主信道傳輸，確保極端天氣條件、偏遠地區等情況下，水文測站通信的實時性和可靠性。

5.2.3閘門可視化集控系統

建設溢洪道及新閘門井可視化集控系統，將需要監測和控制的信息數據集中到控制臺進行一體化管控，包括閘門狀態、閘門開度、閘前水位、供電系統等信息。通過設置在工業控制臺的集控系統，集中控制溢洪道和泄洪洞新閘門井的所有閘門，展示閘門的實時畫面或模擬畫面，顯示閘門開度和狀態，可以通過設定開閘關閘數值來精準的控制各個閘門的上升或下降，也可以通過解鎖按鈕來手動控制閘門上升或下降，可將音視頻數據通過現場大屏進行統一展示，有效的提高工作效率，確保水庫運營安全。

5.2.4信息基礎環境

(1)北京市水利云

數字孿生官廳水庫擬部署在北京市電子政務云。根據業務實際需求在北京市電子政務云配套計算與存儲資源，利用云管理軟件實現資源的統一管理。其中，計算資源方面，服務器資源按照標準外界交換方式組網，配置5臺設備共10個物理CPU節點，折合320核，通過外接交換機形成邏輯池。存儲資源方面，按照云平臺架構，采用分布式存儲的方式進行資源池管理。網絡資源方面，為完成資源組網，形成邏輯資源池，按照北京市電子政務云現有管理網絡、存儲網絡、計算網絡結構，配套網絡交換設備。

(2)官廳水庫管理處機房

按照相關的機房建設標準對機房進行改造，完成機房環境改造，機房運行環境監控系統建設，完成程控交換機的更換，更換空調，標準化線纜整理及標識。

(3)機房環境監控系統

改造機房環境監控系統，監控內容主要包括動力系統、環境系統、消防系統。

5.3 業務應用

在數字孿生平臺和信息基礎設施建設的基礎上，構建應用系統，應用系統包括防洪預報調度、水資源調度、工程安全智能分析預警、水庫綜合管理等子系統，為官廳水庫工程運行管理提供支撐。

5.3.1防洪預報調度

通過與流域水雨情實時信息的有效銜接提供流域水情服務，通過調用水利專業模型、智能模型等實現水庫來水預報，并根據防洪形勢對可能的風險進行洪水預警，調用模擬仿真引擎進行防汛預演、防汛協同工作預演、潰壩預演、下游淹沒范圍預演、人員轉移預演，對預演結果進行影響評估。通過與已有調度預案及歷史經驗對比，確定最優調度預案，支撐官廳水庫防洪調度業務，實現官廳水庫防洪“四預”功能。

5.3.2水資源管理調配

在永定河水資源管理系統的基礎上，建立官廳水庫水資源管理臺賬；結合來水、生態流量以及用水等邊界條件，構建水資源管理與調配“四預”體系，預報方面，通過中長期徑流預報模型，對官廳水庫中長期來水進行預測預報；預警方面，結合區域用水總量控制和生態流量監管要求，對官廳水庫入庫徑流、出庫水量以及生活、生態供用水情況進行實時監測，根據設置的預警啟動條件開展預警；預演方面，圍繞年度(月)水量調度計劃和實時調度業務需要，對調度方案進行模擬仿真預演；預案方面，結合決策會商業務需求，開展水量調度方案滾動調整，制定官廳水庫水量調度運行方案和應急調度預案。

5.3.3工程安全智能分析預警

整合現有的大壩安全監測系統，建設工程安全智能分析預警子系統。包括綜合信息展示、安全分析預測、實時預警展示發布、巡查信息展示。

5.3.4庫區綜合管理

整合北京市水務局下發的庫區巡查管理軟件，形成庫區、壩區、辦公區以及濕地管理于一體的庫區綜合管理系統，實現庫區管理標準化、流程化、網格化、精細化。

5.4 網絡安全體系

按照關鍵信息基礎設施安全保護有關法規、水利網絡安全保護技術規范、網絡安全等級保護相關規范要求。完善網絡安全體系，強化安全防護和管理，統籌考慮物理和環境安全、網絡與通信安全、設備與計算安全、應用與數據安全、安全管理平臺、安全管理制度，實現網絡安全體系的自主可控，重點保障關鍵信息基礎設施安全。

6 結語

本文詳細分析了官廳水庫信息化建設的現狀及差距，對照數字孿生工程建設技術要求，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的要求，提出數字孿生官廳水庫總體建設思路和方案，為實現水利工程日常管理標準化、安全管理精細化、調度管理科學化奠定了基礎，為新階段官廳水庫高質量發展提供有力支撐和強力驅動，也為數字孿生工程建設探索了新的模式。