下坂地水利樞紐數字孿生頂層規劃探析

張 明

(新疆下坂地水利樞紐工程建設管理局，新疆 喀什 844000)

下坂地水利樞紐地處帕米爾高原，高寒缺氧，自然環境惡劣，地質條件復雜，對一線工作人員身體存著在不可逆的傷害。為提升下坂地水利樞紐信息化水平，減少一線工作人員，需對下坂地水利樞紐工程整體進行智慧化及數字孿生規劃設計，以滿足新階段水利高質量發展的要求。

1 概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游，為大(2)型Ⅱ等工程，工程由攔河壩、導流泄洪洞、引水發電洞和電站廠房四部分組成。水庫總庫容8.67億m3，庫區水面面積20.91km2[1]，回水長度22.75km，電站裝機(3×50MW)150MW。

2 建設現狀及存在問題

2.1 下坂地建管局信息化情況

(1)管理局建設有水利信息專網、電子政務內網(OA辦公自動化系統)，實現了公文、通知等電子化流轉。局機關有2套塔管局視頻會議系統；水庫管理處駐地1套華為企業智慧屏視頻會議系統，1套地區綜治視聯網系統。可滿足塔管局、局機關、水庫駐地等三級線上視頻會議。

(2)下坂地水利樞紐樞紐建筑物配套有3個專用水文站、2個雨量站及17個地震監測點，有完備的大壩安全監測系統、上下游水文監測系統以、大壩視頻監控系統以及地震臺網監測系統。已建成并投入使用的自動測站有6個，可實現數據實時傳輸至塔管局綜合業務平臺。

(3)水庫大壩安全監測系統運行正常，可實現監測數據遠程采集并傳輸至塔管局信息中心。擬建水庫智慧巡檢系統建設項目，機關互聯網安全防護、測評等保二級項目，056前端檢測器、609平臺客戶端軟件安裝項目。

(4)局機關、樞紐區及駐地共設置了130余路高清攝像機監控點，實現了對重要設施、重點部位的實時監控，存儲可達90d以上。

2.2 存在的問題

(1)由于樞紐建設較早，各個系統經過多年的實用存在功能落后、部分設備老化不能完全滿足現有的管理需要。水利信息化設施設備老舊且缺失嚴重。水庫安全檢測傳感器丟失、損壞了很多，雖然有自動采集設備，但是水利信息的采集設施不夠完善，達不到要求。電廠雖然能實現工情自動化采集，但無法自動傳輸。計算機配置落后，大多已到報廢年限，不能處理多媒體高信息量，處理能力偏低。

(2)缺少信息化建設長期規劃的頂層設計。由于資金緊張，長久以來，下坂地水利樞紐管理局沒有對信息化建設工作制定短期或者長期持續發展的規劃和投入。

(3)是信息孤島現象突出。由于缺乏系統集成，視頻監控系統、安全監測系統、視頻會議系統、辦公系統相互割裂，沒有統一平臺。

3 下坂地水利樞紐工程信息化建設方案

按照需求牽引，應用至上；系統謀劃，分步實施；統籌推進，協同建設；整合資源，集約共享；更新迭代，安全可控的原則[2]，規劃建設完善下坂地水利樞紐數字孿生系統。具體建設方案如下。

(1)加強頂層設計。借鑒水利信息建設先進單位的成熟經驗，引進內地信息技術公司按照下坂地水利樞紐工程建設管理局工作實際和需求做好信息化建設頂層設計。

(2)通過系統集成，把各個分系統集成到統一平臺，消除信息孤島。結合下坂地水利樞紐實際，通過一張圖建設，建設符合國家水利數據庫建設的標準和規范的水庫信息化綜合體系管理平臺，滿足智慧巡檢、安全生產、演練、安全監測、水情數據采集分析、黨建等方面工作需求，還可以運用數字孿生技術在維修養護工程方面對全過程進行監督，對工程造價、財務預算進行分析控制等。

(3)實現閘控系統自動化。通過改造升級閘控系統PLC控制系統，布設專網光纜，通過閘門控制軟件發送編寫好的PLC控制程序到PLC系統完成對閘門的遠程啟閉操作，設置在閘房內的現地控制開關切換遠程和現場操作，確保特殊環境、特殊需要時閘門控制的靈活性，及時發現和排除工程隱患，以保障水庫工程的安全穩定運行。

(4)實現安全監測系統自動化。通過對現有的安全監測系統升級改造，能及時發現工程隱患并報警，以保障水庫工程的安全穩定運行。例如：通過全自動全站儀把測量數據實時傳送至水庫管理處機房安全監測服務器，對已傳回機房的測量數據進行處理、分析、畫過程線，實現樞紐工程原型觀測自動化工作；對安全監測設備進一步進行改造升級，對下坂地水庫壩區基準網進行校核，提高設備測量精度。

(5)建立可持續發展的信息化體系。利用先進實用的計算機網絡技術、水雨情自動測報技術、自動化監控監測技術、視頻監視技術、大壩安全監測技術，實現對下坂地水利樞紐工程的實時監控、監視和監測、管理，基本達到無人值班、少人值守的管理水平。

4 下坂地水利樞紐數字孿生建設內容

4.1 建設目標

總體建設目標是：按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智能化模擬、精準化決策為路徑，構建下坂地水利樞紐數據底板，升級擴展三維展示、數據融合、分析計算、動態場景等功能，建設完善數字孿生平臺、提升信息化基礎設施能力，實現與物理庫區同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，支撐“四預”(預報、預警、預演、預案)功能實現和“2+N”智能應用運行[3]，提升水利樞紐決策與管理的科學化、精準化、高效化能力和水平，為新階段下坂地水利樞紐高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

4.2 總體框架

下坂地水利樞紐數字孿生建設依據水利部數字孿生流域建設技術大綱和數字孿生水利工程建設技術導則(試行)的要求。其總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架

圖1中，信息化基礎設施主要包括監測感知設施、通信網絡設施、自動化控制設施、信息基礎環境等。數字孿生平臺主要包括數據底板、模型庫、知識庫、孿生引擎等。典型應用主要包括工程安全智能分析預警、防洪興利智能調度、生產運營管理、巡查管護、綜合決策支持等。信息安全體系主要包括信息安全組織管理、安全技術、安全運營、監督檢查以及數據安全等[4]。保障體系主要包括管理制度、運維保障、標準規范等。

系統應用架構如圖2所示。

圖2 系統應用架構

4.3 建設計劃

下坂地水利樞紐數字孿生建設根據建設內容和實際需求，總建設周期為兩年，分為2期建設。第一期完善水利樞紐的基礎設施，重點建設基礎信息化設施的傳感網絡、無人機巡查系統；第二期建設信息化設施中的數據中心、通信網絡、地震臺系統，智慧業務系統的綜合調度、綜合監控、巡查管護系統。

4.4 第一期建設內容

4.4.1 通信網絡

下坂地水利樞紐建管局和下坂地水利樞紐相距300km[5]，分別位于喀什和塔縣。水利樞紐地處高原，工作條件比較惡劣，其通訊網絡建設是實現遠程監控、降低工作強度、少人值守的重要基礎。目前從水利樞紐到現場駐地為光纖做成的通信網，從現場駐地到喀什建管局的數據傳輸，通過水利網上傳到塔河管理局后，再通過互聯網返送數據到建管局。為實現建管局對水利樞紐的遠程監控，需要建設一條從水利樞紐到喀什建管局的數據專線。

該專線建設租用運營商物理鏈路或SD-WAN，物理鏈路帶寬建議100M以上。通過專線建立水利樞紐現場與建管局數據中心的數據鏈路，保證建管局對現場的實時監控和遠程管理。

4.4.2 監測網絡

下坂地水利樞紐現有監測網絡有上下游及庫區水文監測系統、水利樞紐地震監測系統、大壩安全監測系統、周界及重點區域視頻監控系統等系統。經過10多年的系統運行，部分系統的監測設備老化，部分監測設備需要人工監測。結合實際，對現有大壩監測系統設備進行升級，實現數據自動采集和傳輸，應用GNSS系統對水利樞紐沉降、裂縫、變形、滲流等進行監測。對周界及重點區域視頻監控系統升級，補充高清數字視頻監控設備，并在關鍵位置考慮部署AI邊緣計算盒對關鍵部位進行邊緣計算實時監控，提高安全監測的實時性和有效性。

4.4.3 無人機系統

水利樞紐管理范圍22km2，處于高海拔地區，目前僅庫區和發電站區域有相關安全監測、視頻監控系統，其余區域因地理條件限制尚未部署相關巡檢監測系統，同時因自然條件和地理條件，人工巡檢難度大效率低。基于無人機+視頻影像+AI的巡檢技術已經較為成熟，能夠滿足在惡劣地理條件和自然環境下替代人工進行巡檢，通過無人機航路規劃、自主飛行、高清影像和視頻同傳獲取，能夠到達人工巡檢很難到達區域的巡檢，同時基于AI算法和機器視覺的影像和圖像處理分析，能夠極大的提高巡檢效率和及時發現問題的能力。

4.4.4 應用系統建設

水利樞紐綜合監控系統作為水利樞紐安全管理的核心，也是數字孿生系統數據的來源，作為基礎系統在一期規劃中建設完成其全部功能。巡查管護系統是水利樞紐日常管理系統，在一期建設中完成其全部功能。安全預警分析依賴于監測數據的分析與分析模型的建設，一期建設完成安全預警系統的實時監測功能、安全分析功能、安全預警功能。

4.4.5 水利樞紐數字孿生系統

數字孿生系統較為復雜，涉及到基礎數據、引擎等多個內容，建設周期較長，根據系統的基礎功能和依賴關系，一期建設完成數字孿生系統中的數據底板、孿生引擎建設。初步實現水利樞紐的數字孿生應用和可視化展示。

4.5 第二期建設內容

4.5.1 數據中心

下坂地水利樞紐目前有部分服務器支撐現有系統運行，沒有專業機房和機柜，沒有數據存儲。IT基礎部分比較薄弱，因此在信息基礎設施建筑中需要予以加強。建議在下坂地水利樞紐設立現場數據中心，在喀什建管局設立核心數據中心。現場數據中心在現有服務器基礎上增加數據存儲設備，建議數據存儲容量為48T，滿足3個月的現場數據存儲要求，同時增加數字孿生及業務應用系統服務器。建管局建設核心數據中心和遠程監控中心，主要承擔數字孿生引擎AI算力支持、智能化業務系統高性能算力支持，以及算法和算據的存儲支持，以及對水利樞紐現場的遠程監控調度管理。

4.5.2 網絡監控

建管局遠程監控中心建設以監控系統運行、日常值班和應急指揮調度為主。監控中心建設系統運行大屏，視頻會議、協商調度系統和應急指揮系統。

(1)監測網絡。下坂地水利樞紐現有監測網絡有上下游及庫區水文監測系統、水利樞紐地震監測系統、大壩安全監測系統、周界及重點區域視頻監控系統等系統。經過10多年的系統運行，部分系統的監測設備老化，部分監測設備需要人工監測。根據樞紐現有的選址和通信條件，對現有無法實用的地震監測系統進行更新，選用數字化的地震監測設備，滿足對樞紐地震數據的監測。水利樞紐的泄洪洞及引流洞，補充水下監測點，以便對因滑坡、泥石流或洪水等原因導致的洞口堵塞進行監測。

(2)網絡安全體系。按照網絡安全等級保護相應等級要求開展安全物理環境、安全通信網絡、安全區域邊界和安全計算環境建設。落實工控系統、云與虛擬化、移動互聯和物聯網擴展安全要求。最小化數字孿生水利工程網絡暴露面，嚴格內部信息和技術文檔控制管理。

工控網實時控制區與過程監控區嚴格物理隔離，原則上僅允許實時控制區數據單向交換至過程監控區。工控網與業務網的物理隔離，僅在工控網過程監控區設置專用的前置交換區用于數據交換；對數字孿生水利工程核心系統設置獨立的邏輯或物理區域，并根據業務功能、設備類型等劃分子區域。

4.5.3 應用系統建設

綜合調度系統是水利樞紐各個業務融合，依賴一期建設的各個系統的數據和業務融合，二期建設依據一期的業務數據和業務系統完成調度系統建設、水利樞紐安全預警系統、生產運營系統、數字孿生系統等建設，完成知識庫建設和模型庫建設。

5 結語

根據水利部對重大工程的智慧化管理要求和智慧水利建設需求，結合下坂地水利樞紐現狀及存在的問題，經過分析探討，下坂地水利樞紐數字孿生系統包括數字孿生平臺建設、信息化基礎設施、智能業務應用、系統安全體系和保障體系。整個系統按照需求對進行兩期建設，一期主要完成通信網絡、監測網絡、無人機系統、應用系統等基礎，二期在一期的基礎上，完成數據中心、網絡監控、網絡安全體系、數字孿生系統等建設，這將對駐地值守人員工作強度的降低、工作方式的優化有著積極的作用，為類似水利工程信息化建設提供了借鑒。