數字孿生岳城水庫建設研究

摘要：為提升大型水庫的工程管理水平、安全性和災害應對能力，以數字孿生技術為依托，結合水庫防洪和大壩安全等業務需求，研究數字孿生岳城水庫建設過程中的數據底板、孿生引擎搭建等關鍵技術，構建水庫工程管理的數字孿生技術框架，并搭建岳城水庫數字孿生平臺，實現了岳城水庫防洪預報調度、大壩安全監測和綜合決策支持。研究結果表明：通過構建數字孿生平臺，可實現水庫物理工程與數字工程的要素精準映射和同步仿真，為水庫工程管理提供更加高效、精準的參考。

關鍵詞：數字孿生； 數據底板； 大壩安全； 岳城水庫

中圖法分類號：TV697.2+3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.021

文章編號：1006-0081（2024）12-0130-06

0 引 言

數字孿生技術通過創建物理對象的虛擬鏡像，實現了對物理對象的實時監測、分析和預測，為信息化發展提供了強大的支持［1-3］。在水利行業中，智慧水利的發展使得數字孿生技術的應用日益成熟［4-6］。

岳城水庫作為《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》中試點水庫之一，當前信息化水平相對較低，工程防洪形勢、安全監測等均缺乏自動化、智慧化的手段。因此，將數字孿生技術應用于岳城水庫的管理和維護中，不僅可以提高水庫的運營效率，降低運維成本，還可以提供更精準的決策依據，具有重要的意義［7］。

本文將重點介紹和闡述數字孿生技術在岳城水庫中的搭建方案和應用場景，尤其是數字孿生平臺搭建中數據底板和孿生引擎構建等關鍵技術。通過這些關鍵技術的實施，建立岳城水庫的數字孿生平臺和智慧應用體系，實現對水庫運行的智慧化管理，以期為類似工程提供參考。

1 岳城水庫工程概況

岳城水庫于1959年開工建設，至1970 年全部建成完工，總庫容13億m3，控制流域面積18 100 km2，屬大（1）型水庫。水庫建成后主要承擔防洪任務，且兼具發電、供水、灌溉等綜合職能，對控制漳河洪水，保證下游河道防洪安全起著重要作用。

數字孿生岳城水庫是水利部首批先行先試重點數字孿生工程之一，主要通過構建防洪調度、大壩安全和綜合決策支持等應用體系，支撐水庫防洪興利智能調度，完成大壩安全監測巡檢從人工到自動的轉變，為決策支持提供直觀的數據呈現方式，有效提高水庫大壩的安全和工程管理水平。

2 數字孿生岳城水庫總體框架

結合《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》要求和《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》，數字孿生岳城水庫總體建設框架分為信息化基礎設施建設、數字孿生平臺搭建、智慧應用體系、網絡安全體系及技術保障體系5個部分［8］。基礎設施建設包括完善監控體系、通信網絡設施、工程自動控制、基礎運行環境；數字孿生平臺建設包括搭建數據底板，建設孿生引擎，逐步構建完善模型庫和知識庫；智慧應用包括防洪興利智能調度、大壩安全智能分析、綜合決策智能支持等，總體架構見圖1。

3 數據底板搭建

根據岳城水庫防洪調度及大壩安全監測的建設要求，在共享水利部及海河流域L1級和L2級數據底板基礎上，補充建設數據底板，整合集成岳城水庫管理局和漳衛南運河管理局的各類數據資源，采集壩區及庫區的傾斜攝影數據，建設區域內的三維實景模型，同時構建主副壩、泄洪洞、溢洪道以及重點監測斷面BIM模型。并集成基礎數據、地理空間數據、監測數據及業務管理數據，構建監測數據庫、預報調度專題數據庫、空間數據庫、三維模型庫、基礎數據庫，逐步完成岳城水庫L3級數據底板搭建工作［9］。

3.1 數據資源池

根據岳城水庫數據建設現狀與數字孿生建設要求，在可共享水利部本級L1級和海河流域L2級數據底板已有數據基礎上，基于BIM+GIS技術加強岳城水庫L3級數據底板，整合集成多數據源接入、自動化數據萃取、分布數據存儲等多種信息技術，采用數據收集整編、數據生產制作兩種方式進行數據資源池的建設，匯聚工程管理及保護區范圍內全要素信息基礎數據、地理空間數據、監測數據、業務管理數據及外部共享數據，數據建設基本要求如圖2所示。

3.2 數據模型

3.2.1 流域信息數據模型

通過節點之間的邏輯關系，建立物理流域實體之間的各種關系，如關聯關系、指標關系和空間關系等，有助于快速構建數據模型和知識圖譜。有了統一的數據模型和知識圖譜，可以更好地整合各種數據資源，包括物理對象的屬性數據、活動運行數據、水力聯系數據和調度關系數據等［10］。

將對象劃分為標識和屬性，其中對象標識表達本體的唯一性，屬性則是該本體有可能存在的相關特征信息，如基本屬性、空間屬性、業務屬性，以及標識或屬性均有可能存在的時相特征等。水利對象與其屬性的數據模型如圖3所示。

岳城水庫工程對象標識用于存儲水庫唯一編碼，基本屬性可存儲水庫名稱、編碼、庫容、正常蓄水位等信息，業務屬性可存儲設計參數、防洪指標等。同時，水庫的空間屬性可在大比例尺空間時表達為一個面狀要素，在小比例尺空間時又表達為一個點狀要素。水庫的對象標識、基本屬性、業務屬性和空間屬性均可能存在時相特征，如：水庫的消亡、名稱變更、大壩安全情況發生變化、蓄水水位不同引起的淹沒范圍變化等。水庫工程的具體數據模型如圖4所示。

3.2.2 地理信息參考模型

數字孿生岳城水庫遵循OGC標準，提供包括WMS網絡地圖服務（Web Map Service）、WMTS網絡地圖瓦片服務（Web Map Tile Service）、WFS網絡要素服務（Web Feature Service）、WCS網絡覆蓋服務（Web Coverage Service）、CSW網絡目錄服務（Cata-logue Service for the Web）、地形數據服務3D-WTRS（Web Terrain Service）、模型數據服務3D-WMS（Web Model Service）等不同類型地理空間數據服務的方式，實現地理空間的有序、規范、標準的匯集與集成。

3.3 數據治理

數據治理是對多源數據進行統一、規范管理的過程，數據治理的核心目標是確保水利數據的準確性、完整性、一致性和及時性。該項目考慮數據集成效果和成果訪問效率，擬對匯集的數據開展標準化、融合化、輕量化治理。

3.3.1 標準化治理

（1） 統一空間參考。數字孿生岳城水庫建設將以2000國家大地坐標系（CGCS2000）為基準，統一對漳衛河流域范圍內匯集的空間數據進行統一投影轉換，特別是水工建筑BIM模型，需要收集資料建立并轉換所在坐標以便后續的數據融合與集成。

（2） 統一符號設計。該項目數據底板建設基于二維符號庫開展三維空間對象符號化設計，結合工程區域內水利對象要素的空間分布特征與地理要素形態特征，主要針對漳衛河流域范圍內的水庫、水文站、水位站、雨量站等地物對象。

（3） 統一語義。為方便水利對象要素多源數據間的關聯與集成，定義字段語義，統一標識碼。使基礎數據、空間數據、監測數據、業務數據等對象標識碼唯一，保證數據關聯準確、屬性表達無歧義。

3.3.2 融合化治理

（1） 物陸融合。物陸融合指BIM模型、傾斜攝影模型以及地形數據DEM的融合，提取BIM模型的邊界面，基于空間坐標大規模地形進行鑲嵌，實現精確位置匹配，完成岳城水庫大壩與水工建筑BIM模型、庫區傾斜攝影模型與DEM數據融合。

（2） 空屬融合。空屬融合是將對象的基礎屬性數據與空間數據相關聯，在完成數據的語義統一后，根據對象的唯一標識碼與數據庫中完成對象的基礎、空間數據關聯，豐富對象屬性數據。空屬融合在數據資源池中完成，主要是基礎數據庫與地理空間數據庫間水利對象的基礎屬性數據與空間數據關聯。

3.3.3 輕量化治理

（1） 模型輕量化。模型輕量化是對BIM模型的輕量化處理，采取提取外殼、三角網簡化的方式，實現岳城水庫水工建筑、閘門、安全監測儀器BIM模型的輕量化，提高其在三維場景中的加載效率與可視化效果。

（2） 地形輕量化。地形輕量化主要針對漳衛河流域內地形數據的輕量化，通過區域分幅、三角網簡化的方式提高其在不同尺度場景下的加載效率。

（3） 屬性輕量化。屬性輕量化重點在漳衛河流域各類水文站、水位站、雨量站、水庫等重要基礎設施等對象上，根據可視化場景中不同尺度配置其屬性展示粒度。

3.4 數據服務

提供統一的數據服務管理，確保各類數據服務能方便快捷地被調用。數據服務平臺整體采用微服務的技術架構，由下到上依次是數據層、服務層和應用層。系統內所有的接口，均需在服務管理平臺中進行注冊登記。注冊時，需說明接口調用方法類型、URL地址、接口名稱及描述、參數的說明、接口服務的測試案例。業務接口（API）采用類似RESTful風格提供接口服務，使用JSON格式進行數據交換。在接口開發時，需對接口給出網絡上唯一的資源標識符URL。接口使用者通過URL來訪問相關的資源，完成調用請求。訪問方式采用標準的HTTP協議，分為GET、POST、DELETE、PUT四種HTTP方法。

4 孿生引擎搭建

4.1 模型引擎

模型引擎實現對防洪調度、大壩安全等專業模型的承載和服務，總體框架見圖5。引擎具備以下核心功能。

（1） 版本管理。確保模型數據的準確性和一致性，對模型的不同版本進行有效的管理。

（2） 參數配置。為用戶提供靈活的參數調整選項，滿足不同業務場景下的模型需求。

（3） 組合裝配。支持多種模型的組合應用，以應對復雜的水利問題，提高模型的整合效率。

（4） 計算跟蹤。實時監控模型的計算過程和結果，確保模型運算的準確性和可靠性。

4.2 數據引擎

數據引擎對氣象、水文、監測、防洪對象等多源水利數據進行整合，通過數據治理確保數據的準確性、完整性、一致性和及時性，為后續的數據分析和業務應用提供以下數據引擎服務能力。

（1） 提供統一的調用方式。不論是何種業務模塊，都通過數據引擎進行統一的調用。調用方式統一，后續使用數據資源時不再需要適配不同的協議或格式。

（2） 提供更貼近業務的接口服務使用方式。數據引擎能夠定義接口名稱、參數名稱。根據接口的功能和使用的場景，設置更貼近業務的名稱而不需要受限于數據存儲的字段名稱。

4.3 仿真引擎

仿真引擎為專業應用提供實時渲染和可視化呈現支撐，引擎提供數據加載、模型融合、場景管理、空間分析、可視仿真能力，可實現多個維度的可視化呈現，為物理工程和運行過程的數字化映射與可視化表達提供堅實基礎。

本項目中仿真引擎采用“資源層-數據層-功能層-服務層-應用層”的分層系統架構，在智慧水利標準體系、信息系統安全規范、數字孿生標準體系的基礎上，構建水利信息從感知、接入到應用的完整鏈條，總體架構見圖6。

5 成果應用

5.1 防洪預報調度系統

防洪預報調度是數字孿生岳城水庫系統重要功能，該系統實時接入了漳衛河系雨水情數據，實現了漳衛河系防洪預報、預警、預演、預案的“四預”功能［11-12］。在強降雨期間應用該系統開展漳河上游預報調度作業，按照預報分區和預報方案，預報2022年10月4日15∶00入庫洪峰流量278 m3/s。經人工經驗修正，預報10月4日15∶00入庫洪峰流量為240 m3/s，實際10月4日18∶00入庫洪峰流量257 m3/s，洪水預報模塊實用性和準確性均達到工作要求，在當年汛期和汛后試運行中發揮了重要作用，其預報成果及生成的預報方案可為今后的防洪調度和防災減災提供技術支撐。

5.2 大壩安全監測業務系統

大壩安全監測自動化是保障岳城水庫工程安全的重要抓手。通過新增自動監測設施，補充智能巡檢移動應用，2022年汛期實現了大壩典型斷面每天1次自動化采集監測數據，完善了工程安全監測感知體系，并在此基礎上構建安全監測信息系統，實現了安全監測從人工到自動的轉變。建設完成了基于自動監測數據的大壩安全監測分析模型，實現了大壩安全監測信息在線智能分析處理。結合移動智能巡檢應用，在傳統人工巡檢基礎上應用“物聯網”技術與GNSS實時定位技術，實現巡檢簽到、巡檢記錄、巡檢層級、巡檢報表和報告生成等智能化功能，實現了智能化巡檢，自動生成巡檢報告［13］。通過建設北斗/GNSS自動化監測系統，實時、自動化地獲取岳城水庫高精度的外觀變形序列，為水庫大壩運維管理提供高質量的數據支撐。精確掌握了大壩安全態勢，確保了岳城水庫工程安全。

5.3 綜合決策支持一張圖系統

綜合決策支持一張圖系統在多方面發揮了應用成效（圖7）。在數據底板方面，集成并接入漳河流域基礎地理信息、岳城水庫水利工程設施、水雨情、預報調度、大壩安全監測等數據，流域基本情況的可視化展示為決策支持提供了直觀的數據呈現方式，有效提高了數據的管理和使用水平。在業務應用仿真方面，實現防洪“四預”和大壩安全可視化仿真［14］，為更快速、準確地作出判斷和決策提供了可視化輔助。

6 結 語

岳城水庫通過數字孿生平臺的搭建以及防洪調度、安全監測和綜合決策支持等業務體系的建設，實現了數字工程與物理工程的要素精準映射和同步仿真，大幅提升了岳城水庫工程管理水平。① 防洪調度業務方面，通過超前預報、災害預警、調度預演、預案優化等功能建設，保障了水庫防洪興利任務，提升了水庫調度效率；② 大壩安全方面，通過新增的自動監測設施，結合監測數據及安全監測分析模型，對大壩安全趨勢進行探索嘗試，實現了岳城水庫大壩安全監測巡檢從人工到自動的轉變；③ 綜合決策支持系統也在多方面發揮了應用成效，通過接入數據底板和業務分析信息，對水庫基本情況進行可視化仿真，為決策支持提供了直觀的數據呈現方式，有效提高了數據的管理和使用水平。

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Research on construction of Digital Twin Yuecheng Reservoir

Abstract：

In order to improve the engineering management level，safety，and disaster response capability of large reservoirs，based on digital twin technology and combined with the business needs of reservoir flood control and dam safety，key technologies such as data base plate and twin engine construction in the operation and management process of reservoir engineering were studied.A digital twin technology framework for reservoir engineering management was constructed，and the Yuecheng Reservoir Digital Twin Platform was built，achieving flood control forecasting and scheduling of Yuecheng Reservoir Dam safety monitoring and comprehensive decision support.The research results indicated that by constructing a digital twin platform，precise mapping and synchronous simulation of elements between physical and digital engineering of reservoirs can be achieved，providing more efficient and accurate decision-making references for the field of reservoir engineering management.

Key words：

digital twin； data motherboard； dam safety； Yuecheng Reservoir