數字孿生水庫的設計思路和效益分析

周維平，秦 鑫

（1.馬鞍山市博望區農業農村水利局，安徽 馬鞍山 243131；2.四川省水利科學研究院，四川 成都 610072）

水庫在調蓄洪水、減免洪災、調節徑流、蓄洪補枯方面起著重要的作用，目前我國一些主要水庫均建立了安全監測信息的收集和管理體系，能夠對水庫進行信息采集和安全管理[1-3]。但由于水庫管理存在基礎設施缺乏、管理人員與技術人員不足、監管手段落后等問題，使得水庫在運行以及監督管理方面難以進行[4-5]。為此，需要引進新技術、新方法與新模式，改善水庫的運行與安全管理體系。

依據“十四五”規劃和2035 年遠景目標要求，為推動新時代水利高質量發展，大力推進流域智慧水利建設，水利部明確提出要加強數字孿生領域工程建設，數字孿生水庫存在著極大的研究與應用空間。加快推進數字孿生水庫建設，將為水庫的安全運營和防汛調度提供實時、精準的信息，輔助管理決策，做好水庫的管理工作，確保水庫良性運轉，為新時期水利事業的發展注入有力動能。

1 數字孿生水庫建設意義

1.1 水利智慧化轉型的必然選擇

數字孿生水庫建設是按照智慧水利建設“全國一盤棋”思路，按照水利部相關規劃，進行針對性建設的數字孿生先行先試工程，是響應國家智慧水利建設的重要體現，具有技術攻關和示范引領作用，有助于水庫信息化向水庫智慧化轉變。

1.2 實現水利現代化的必然階段

數字孿生水庫建設作為智慧水利建設的重要組成部分，通過“立體感知、互聯互通、科學決策、智能管理”，提升精細化管理能力，推動水利現代化進程。

1.3 實現整合共享的必然途徑

數字孿生水庫建設按照“整合已建、統籌在建、規范新建”的要求，整合現有水工程管理系統等的相關信息，共享水利部L1 級、省水利廳L2 級數據底板，結合數字化場景搭建、模型庫的建設，形成統一的數字孿生平臺。

2 建設原則與目標

2.1 建設原則

一是堅持需求牽引。要求數字孿生建設從水利事業發展的全局出發，立足部門職責，認真開展業務需求分析，掌握水庫業務的目標、流程、功能、數據等需求，將需求作為數字孿生建設規劃設計、建設管理的基本依據。

二是堅持應用至上。數字孿生水庫建設要立足于水庫管理單位的管理職責，切實從工程管理和業務需求出發，充分采用數字化、智慧化手段為管理單位增效賦能，確保業務管理系統實用、管用、好用，為工程運行管理提供科學、精準的應用和決策支持。

三是堅持數字賦能。數字孿生水庫建設要緊抓水庫業務與新一代信息技術融合創新，充分運用新一代信息技術，激活數據要素潛能，賦能工程運行精細化管理等重要領域，形成數字化管理新模式，切實解決實際問題，全面提升工程運行管理現代化水平。

四是堅持提升能力。要求在數字孿生工程建設的支撐下，提升對水庫的精細化運行管理能力，確保工程安全穩定運行，發揮工程調蓄洪水、為民興利的功能。

2.2 建設目標

數字孿生水庫建設在現有信息采集、通信網絡、計算存儲等基礎上，運用三維建模技術建設數字化孿生模型，構建水利工程L3 級數字底板；強化感知和傳輸網絡建設，夯實信息基礎設施；共享調用水利部Ll 級和省水利廳L2 級數據底板，實現水利信息化資源集約節約利用；融合水位、流量、視頻等在線監測信息和可視化模型，實現水庫運行狀態的可視化展示；通過優化調度模型，結合實際運行調度規則，實現優化調度；利用安全監測設備采集的閘門、電機、金結設備等運行狀態信息，結合各組件的精細化模型，實現工程運行的智能化管理，切實提高運行管理效率，保障工程的安全穩定運行，確保水庫防洪、調水等功能的正常運轉。

3 建設思路

數字孿生水庫的建設充分整合已建的信息化系統，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，對物理場景進行全要素數字化映射；建立并逐步完善具有智能分析和決策支持服務的數字孿生平臺，在此基礎上以流域防洪為出發點，重點建設數字孿生水庫展示平臺，協同構成以水庫為核心的實用、綜合、智能的應用系統，支持智慧化模擬和精準化決策，推動水資源、水安全的良性發展。

4 總體設計

4.1 基礎設施

基礎設施主要包括水利感知網、水利信息網和水利計算存儲三個方面。水利感知網主要為數字孿生工程提供數據，水利信息網實現數據的傳輸和流轉，水利計算存儲主要為系統運行提供計算存儲資源。

4.2 數字孿生平臺

數字孿生平臺是智能中樞，具體包括數據底板的搭建，模型庫和基礎支撐等內容。通過數據底板的搭建，實現各類數據接入、共享和治理，為后期平臺擴展提供標準要素；模型庫主要為可視化模型，實現水庫的三維可視化展現；基礎支撐主要利用已建的支撐平臺收集整理相關數據。

4.3 智能業務運用

智能業務應用主要實現數據可看、可查及管理，將工程的各類信息在三維場景下展現，并注重水庫智能化運行管理建設，具體包括智能供水發電調度系統、視頻監控系統、水雨情及工程防洪管理系統、工程安全監測系統、水質監測應用系統、應急響應系統、決策會商支持系統、工程運行維護管理系統、綜合辦公系統等。

4.4 交互

以PC 端和移動端的方式為用戶提供友好的界面展示效果和交互手段。

5 效益分析

5.1 經濟效益分析

優化調度。系統以經濟最優、效益最大為目標，充分在現有調度規則基礎上，引入優化調度模型，結合數字孿生工程，進行不同情形下的調度優化計算，并在三維場景下展現，實現優化調度推演，形成優化調度預案，輔助科學、經濟調度。

5.2 社會效益分析

信息動態實時更新上圖，實現了掛圖作戰，及時發現并解決問題，減少損失。數字孿生水庫的建設利用了BIM+GIS 融合技術，在可視化大屏中結合各樞紐的三維模型展示各類監測信息，并進行問題預警，通過可視化平臺工作人員能及時發現整改問題，加強問題源點管控，減少損失，實現工程運行的精細化管理，保障工程安全穩定運行。

提高效率，充分利用在線監測、移動監測等手段，降低人工監管成本、提高監管實效性。通過布設監測設備以及實時共享已建的監測信息，使各種監測信息能夠實時上傳，避免了人工監測的繁瑣、精度無法保證、時效性差等問題出現，從而為工程運行管理、故障及時處理等創造了條件，提高工程運行的安全性。

5.3 生態效益分析

通過工程運行精細化管理平臺的建設，可以實現水利工程的安全穩定運行，保障工程分洪、調水、灌溉等功能的正常運轉，維持區域生態用水，具有一定的生態效益。

6 結論

數字孿生水庫的出現響應了數字現代化的要求，為提升水庫運行管理水平提供了新途徑與新思路。工程在建設時可以水庫為重點，著重考慮工程運行管理方面的業務職責，以業務管理需求為導向，采集、共享數據為底板，水庫三維可視化建模為支撐，建設“可看、可用、可管”的數字孿生水庫工程■