走好數字孿生的第一方陣

走進萬家寨電站管理局（以下簡稱電站管理局），我們首先被左邊辦公樓一側的黃河萬家寨數字孿生運管中心吸引。走進大廳，一位正在關注大屏幕的年輕人迎過來，他叫孫超，是電站管理局調度處的工程師，得知我們想采訪公司數字孿生建設工作，就熱情地介紹：數字孿生萬家寨建設工作已取得階段性成效，基礎設施部分全部建成，這個運管中心就是其中之一；六大業務系統全部上線運行，把實體的大壩、水庫“搬”到了計算機里。利用計算機模型模擬業務工作并進行可視化展示，不但可以大大提高算力和算法精準度，減輕現場勞動，也明顯提高了樞紐防洪調度能力和工程安全管理水平。

確定先行先試

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央著眼全局、把握大勢，主動順應信息革命時代潮流，高度重視、全面布局、統籌推進網絡安全和信息化工作。“十四五”規劃明確要求“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”；“十四五”新型基礎設施建設規劃進一步提出，要推動大江大河大湖數字孿生、智慧化模擬和智能業務應用建設。按照國家要求，水利部黨組決定加快建設數字孿生流域，構建智慧水利體系，推動新階段水利高質量發展。2021年6月，水利部作出“把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”的決策部署，此后，相繼出臺《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》等系列文件，明確要求加快構建具有“四預”功能的水利智能業務應用體系，助力推進智慧水利建設。2021年10月8日，中共中央、國務院印發《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》，對數字孿生流域建設提出了明確具體的要求。

2022年2月，萬家寨公司被水利部選定為數字孿生水利工程建設先行先試單位之一。萬家寨公司以此作為提高公司現代化水平、發展新質生產力的一個大好機遇，認真落實水利部黨組決策部署，高度重視數字孿生工程建設工作，迅速成立了以董事長、總經理為組長的數字孿生萬家寨建設工作領導小組，組建工作專班，舉全公司之力，匯全公司之智，聚全公司之才，全力以赴推動數字孿生萬家寨建設。既然需要先行先試，就表明了這項工作的重要性，就要既積極又慎重。經過反復的市場考察與比較，萬家寨公司決定建設項目采用EPC模式，由黃河勘測設計研究院有限公司、中水北方勘測設計研究有限責任公司、云河（河南）信息科技有限公司聯合體共同設計開發。

建設快速完成

數字孿生建設作為先行先試項目，一方面，無先例可遵循借鑒，另一方面，時間緊、任務重。萬家寨公司成立工作專班，深入學習數字孿生水利工程建設技術導則，統籌建設路徑，確定建設目標，梳理短板弱項。他們從謀劃階段就開始與時間賽跑，廢寢忘食甚至通宵達旦，只用一周時間完成數字孿生設計、采購、施工、服務總承包工程招標技術文件，又花了兩周時間完成數字孿生先行先試實施方案和建設方案，按期上報水利部并順利通過審查。在推進階段，萬家寨公司緊抓進度與質量不放松，做到當日工作當日結，先后組織召開周例會75次，技術專題會40次，推動問題解決500多項，如期完成數字孿生先行先試建設任務，萬家寨公司從而躋身數字孿生水利工程建設第一方陣。

按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，遵循“統一規劃、統一設計、統一標準、統一接口”原則，對標數字孿生水利工程建設技術導則和數字孿生萬家寨建設先行先試實施方案，聚焦樞紐防汛調度、工程安全兩大核心任務，倒排工期、掛圖作戰，建設了防洪調度、防凌調度、泥沙調度、大壩安全分析預警、庫區綜合管理、綜合決策支持等六大業務系統，防洪防凌、工程安全“四預”功能不斷完善，數字孿生萬家寨基本建成，主要包括以下4個部分。

一是基礎設施建設全面完成。基礎設施又分為萬家寨數字孿生運管中心、數字孿生太原運管中心、樞紐防汛調度中心、萬家寨機房、太原機房等。太原至萬家寨電力專線、運營商專線均已開通，太原至水利部水利專線完成擴容，為業務系統運行創造了良好基礎環境。網絡設備、服務器、網絡安全設備、云平臺投入運行，通過18個計算力節點，提供1040個物理CPU（中央處理器）核心、9728GB（吉字節）可用內存和150TB（太字節，1TB=1024GB）存儲容量，從而促使算力得到有力提升。

二是數字孿生平臺全部建成。數據底板方面，采集約360平方千米， L2、L3級DEM（數字高程模型）、DOM（文檔對象模型）、水下地形、傾斜攝影等GIS（地理信息系統）數據，完成萬家寨、龍口樞紐水工建筑物、工程地質、機電設備、金結設備、安全監測設備等BIM（建筑信息模型）建設，添加屬性信息25946項，解決了數據不足、精度不夠問題，算據得到充足保障。算法模型方面，構建了洪水演進、泥沙動力學、冰水動力學、冰塞冰壩、CAE（計算機輔助工程）數字場景等16類水利專業模型，積水、火災、流速、人員入侵等4類智能識別模型，算法精準度不斷提高，工程運行管理智能化水平有效提升。

三是“四預”功能持續優化。防洪調度、防凌調度、泥沙調度、大壩安全分析預警、庫區綜合管理、綜合決策支持等6大業務系統正式上線，各業務系統累計迭代優化60余次，解決問題574項，防洪、防凌、工程安全，“四預”功能不斷完善，并在實踐中得到應用。

四是網絡安全保障不斷增強。根據數字孿生各業務系統開發及部署需求，優化調整兩地網絡安全策略34次；開展網絡安全定期運維，完成入侵防御系統、漏洞掃描系統、防病毒系統等特征庫升級15次，服務器病毒查殺、漏洞掃描等安全檢查任務22次，對安全告警事件分析研判73次；完成數字孿生系統網絡安全等級保護定級、備案、測評工作，推動網絡安全問題整改，切實增強數字孿生萬家寨網絡安全保障。

數字孿生建設是一項新事物，網絡安全增添了許多不確定性。面對這一新形勢，工作專班人員迎難而上，以降低試錯成本、杜絕網絡安全隱患為己任，結合建設任務和網絡安全防護要求，經過與建設方共同反復打磨，最終設計出了一套適用于太原、萬家寨雙系統防護要求的網絡安全體系。該體系滿足了行業標準，實現了多設備的報警聯動和統攬統管，從而確保了數字孿生萬家寨系統的安全、便捷，同時還出臺了《數字孿生萬家寨網絡安全管理辦法》。

2023年7月，經過各方一年多的團結奮戰，萬家寨數字孿生先行先試任務全部完成，并于2023年年底順利通過水利部驗收。

應用成效顯著

數字孿生萬家寨泥沙調度系統經實際應用檢驗與持續迭代優化，于2023年4月正式上線。當年9月，萬家寨、龍口聯合敞泄排沙調度正式啟動。在萬家寨數字孿生運管中心大廳，工作人員用經過閘孔調度模型精細計算后的結果，向樞紐現場操作人員下達指令，最大限度利用上游來水的流量對兩座水庫庫底進行沖刷，上游來水與萬家寨、龍口水利樞紐庫水位、下泄流量、閘門操作時間、順序與閘門開度等要素實現了“無縫對接”。視頻監控系統發揮了“千里眼”作用，相比以往，需要工作人員上下游往返奔波，實地查看排沙情況的次數大大減少，所有的工作安排都更加有序，工作人員更加從容。

數字孿生萬家寨建成之后，迅速投入使用，多方面的工作生產實踐表明，應用成效十分顯著。

——防凌調度系統有效提升防凌預報能力。防凌調度系統充分利用大數據、人工智能識別、GIS定位等技術，集成水情監測、視頻圖像、人工巡河等多源數據，應用大數據凌情特征日期預報、經驗公式等模型，解決了無凌情信息管理平臺、信息獲取不及時不全面問題，實現了凌情特征日期自主預報，提升了凌情預報能力。2022至2023年度、2023至2024年度凌汛期，對萬家寨入庫水文站頭道拐流凌、封河、開河的預報日期與實際日期僅差2至3天，預報結果比較準確。

——防洪調度系統有力支撐防洪“四預”業務。利用河道流速智能識別技術增加楊家川、紅河、偏關河等主要支流關鍵斷面流速測量，提升雨水情監測“三道防線”預報能力。構建洪水預報模型，對區間干支流洪水進行預報，實時推送紅、橙、黃、藍4級預警。應用水庫調度、蓄水淹沒、洪水演進等模型進行防洪調度方案計算，在模擬仿真場景中對調度方案計算結果進行預演，綜合泄流能力、工程風險、淹沒范圍、經濟損失等因素，比選出最優調度方案，通過知識庫自動推送應急預案。防洪調度系統為萬家寨、龍口兩座水利樞紐2023年汛前防洪搶險應急演練、黃河中下游水庫聯合調水調沙中進行應用，提供了有力的技術支撐和決策支持。

——泥沙調度系統助力推進水庫庫容優化。泥沙調度系統通過應用水庫泥沙水動力學模型，提前預演水庫排沙方案，預測水庫沖淤量變化、庫容變化、壩前漏斗區縱剖面變化以及庫區淤積形態變化等過程，預判水庫淤積末端延伸距離及水庫排沙效果。2023年度萬家寨、龍口水庫聯合敞泄排沙調度期間，模型計算得出的萬家寨、龍口水庫泥沙沖刷量與實測值相對誤差僅為7.3%和2.3%，其精度相比人工計算大幅提高，有效提升水庫排沙調度的科學性。排沙后水庫總庫容為6.10億立方米，比汛前庫容增加0.15億立方米，庫容得到有效恢復。

——庫區綜合管理系統全面提升庫區管理數字化水平。綜合運用衛星遙感、視頻監控、移動巡查等技術，發揮超圖GIS軟件強大的數據管理、地圖繪制、空間分析等功能，豐富了庫區巡查手段，提升了風險分析能力，改變了庫區管理主要依靠人工、信息化手段落后的情況，庫區管理數字化、智能化水平進一步增強。庫區綜合管理系統上線以來，共計開展各類庫區巡查327次，在支撐“四亂”問題巡查整治中取得良好成效。2023年4月，在利用庫區綜合管理系統巡查App開展庫區巡查時，發現萬家寨庫區喇嘛灣黃河大橋右岸橋墩下違規修建了污水收集池，對黃河防洪安全造成影響。發現該問題后，工作人員立即向有關部門反映。2023年6月，該污水收集池被成功拆除。

——智能識別模型有效提升工程運行管理智能化預警水平。數字孿生萬家寨建設中構建了積水、火災、流速、人員入侵等智能識別模型，在工程運行管理中得到應用，及時識別出樞紐運行過程中的工程險情并推送報警，對水淹廠房、火情火警、支流突發洪水、人員入侵等異常情況能早發現、早預警、早處置，提升了工程運行管理突發事件的智能化預警水平。2023年6月、11月，積水智能識別模型及時識別萬家寨快速門廊道水管滲漏積水、龍口一號機組尾水進入門試水閥噴水并推送報警，成功消除了事故隱患，為工程運行安全提供了有力保障。

為了增強技術人員對數字孿生系統的應用能力，2024年5月，萬家寨公司專門在萬家寨水利樞紐舉行了為期2周的數字孿生系統培訓，邀請黃河勘測規劃設計研究院有限公司22名項目設計開發人員就數字孿生防洪調度系統、防凌調度系統、泥沙調度系統、大壩安全分析預警系統、庫區綜合管理系統、數據引擎、模擬仿真引擎、基礎設施等18個方面內容對公司的相關人員進行了全面、細致的培訓，公司有關業務部門（單位）就培訓內容進行了實際操作。

加快改進完善

數字孿生建設的應用成效是顯著的，但作為一項先行先試的新事物，其在運用過程中也難免存在一些問題，尤其是萬家寨、龍口兩座水利樞紐“四預”能力總體還處于初級運行階段，需要在后期應用中加快改進完善。

目前，萬家寨、龍口水庫洪水預報采用的預報模型為樞紐設計單位中水北方勘測設計研究有限責任公司所設計，模型設計時開展的預報成果精度驗證滿足規范要求。但由于萬家寨、龍口水庫處于半干旱地理位置，屬于溫帶大陸性季風氣候，自水庫投入運行以來，尚未經歷過能影響水庫調度的區間流域洪水，洪水預報模型參數采用的設計參數仍未經歷過實際洪水檢驗，需要擇機進行驗證分析和總結優化。

水庫徑流預測預報工作尚存在短板、弱項。支撐水庫徑流預報工作的上游水庫運行、灌區引退水及氣象等基礎信息需繼續補充完善，中長期徑流預報無固定方案，預報精度隨機波動大，指導性不夠強，制約了水庫優化調度和公司經營決策。

隨著雨水情測報遙測站點和庫區視頻監控站點數量越來越多，需要持續加強對萬家寨、龍口水庫水情水調自動化系統和庫區視頻系統的軟硬件設備設施運維管理，保障系統預報預警功能有效發揮。

系統功能需要繼續總結完善，持續迭代優化水庫防洪調度系統中的水庫調度、蓄水淹沒、洪水演進等算法模型，加強系統應用，切實指導萬家寨、龍口水庫防洪調度。

近年來，受全球氣候變化影響，極端天氣多發重發，時刻威脅著萬家寨、龍口水庫防洪調度安全，需要持續完善極端天氣事件應急處置措施，提升防洪應急處置能力。

推動矩陣建設

鑒于萬家寨公司在數字孿生萬家寨建設中取得的優異成績，水利部在加快推進現代化水庫運行管理矩陣先行先試工作時，再度將其定為4個重點單位之一。2024年7月5日，萬家寨公司召開現代化水庫運行管理矩陣建設先行先試工作推進會，傳達了水利部運行管理司《關于加快推進現代化水庫運行管理矩陣先行先試工作的通知》精神，強調矩陣建設是公司打造工程管理國家隊、推進公司治理現代化的一項重要工作，各部門、單位要提高政治站位，統一思想，攻堅克難，不折不扣提前完成各項工作。要早做計劃，提前著手做好特色亮點總結提煉工作，形成優秀示范成果。要結合實際，協調個別工作補充立項事宜。要向水利部運管司多匯報工作進展，取得技術支持；與行業兄弟單位多交流建設經驗，取長補短；技術管理部要加強牽頭抓總工作，做好項目整體協調推進、考核督辦工作。

按照水利部的相關工作要求，對標對表認真查擺不足，基于萬家寨、龍口水利樞紐的標準化管理工作和數字孿生萬家寨建設的基礎，以服務黃河流域生態保護和高質量發展為指導思想，系統謀劃、因庫施策，推進全覆蓋、全要素、全天候、全周期“四全”管理，完善體制、機制、法治、責任制“四制（治）”體系，強化預報、預警、預演、預案“四預”措施，加強除險、體檢、維護、安全“四管”方面工作，充分利用已有條件，找準存在的差距，采取有力有效措施，全面推進現代化水庫運行管理矩陣建設。

萬家寨公司積極推動數字孿生建設與水庫運行管理矩陣建設。2024年第三季度，數字孿生持續迭代，完成河曲河段6個水位站點建設，完成冰壩智能預報模型的研發基礎數據處理，開展模型搭建工作。三道防線建設，完成十八盤以及北場站的鐵塔基礎建設工作，10月15日，十八盤站測雨雷達成功吊運、安裝至雷達鐵塔塔頂，萬家寨測雨雷達建設先行先試工作取得重要進展。涉及運行管理矩陣建設的30項工作，已完成24項，剩余6項正有序推進。

數字孿生風光好，快馬加鞭未下鞍。萬家寨公司將繼續堅持“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，錨定“實用、管用、好用”目標，認真學習十大樣板經驗做法，確保在數字孿生水利工程建設的第一方陣里走得更好，持續迭代優化數字孿生建設成果，強化數字賦能樞紐工程運行管理，推動萬家寨、龍口水庫運行管理矩陣建設，為打造工程管理國家隊、推進公司治理現代化提供高水平信息化保障，為推動新階段水利高質量發展貢獻萬家寨力量。