数字孪生技术在水库防洪调度过程中的应用

王洪娜

(福建省溪源水库管理处 福建福州 350001)

为加快构建具有预报、预警、预演、预案的“四预”功能智慧水利体系，坚持系统观念，做好顶层设计，从数字孪生流域、孪生工程等方面构建标准统一、互为融通、共享共用的总体框架，建立健全的水资源调度实施机制，为科学精准开展水资源调度提供制度保障。

基于目前信息技术的迅猛发展，数字孪生技术在水库防洪调度过程中实现自动化、智能化操作，切实解决现阶段水库防洪调度存在问题[1]，保障区域防洪安全，进而有效保障人民群众人身安全及财产安全。

1 应用方案的提出

1.1 问题的提出

水库防洪调度是水库管理的一项重要民生工作，其目的是确保水库防洪安全，发挥水库防洪作用，减轻上下游防洪压力[2]。随着社会经济的迅速发展，目前水库防洪调度工作仍存在诸多问题及弊端：（1）大多数调度系统为早期开发的传统模式，系统本身兼容性较差，稳定性较差，设备也逐步老化，有时参数率定存在延迟现象，对防洪调度工作产生不便，造成影响；（2）大部分水库调度专业人员对水库本身的测报系统硬件、数据库及网站维护等内容无法深层次开展，还是要依托系统开发人员，在系统出现问题时也无法及时解决，因此水情测报工作的准确率也无法达到精准水平；（3）大多数调度系统建设模式缺乏灵活性和扩展性，通常需要依据新任务重新建设整合系统配合服务，难以自主适应业务发展模式的调整，造成资源浪费；（4）一些水库工程早期建设的各个信息设计的内容广，功能独立且又单一，各套系统本身与服务平台存在不统一性，很大程度上加大运行维护管理的工作量和经济成本。此次针对这一系列问题，笔者对水库防洪调度过程在数字孪生场景中的应用做了粗浅的分析。

1.2 技术路线

1.2.1 总体功能需求分析

通过对水库防洪调度过程中重点、痛点分析，结合防洪调度过程中的成果需求，基于数字孪生技术，提出了总体功能要求，主要包括：实现实时雨情、实时水位、实时洪量等数据及信息的采集；实现实时水雨情数据通过云平台实现实时传输与共享；集成水库及周边地形、地貌成果，基于建模技术快速生成三维模型；基于水库及周边流域地形地貌数据库及三维模型，运用数字孪生技术，形成全空间、全过程、可计算的数字化水利工程孪生场景；水雨情数据的设计计算分析及精准化“预报、预警、预演、预案”调度方案的输出，形成工程及流域智慧防洪排涝体系，提升流域整体水灾害防御精准决策能力。具体情况见图1。

图1 水库防洪调度信息化管理与服务总体需求

1.2.2 应用方案总体架构

基于对水库防洪调度的功能需求，结合数字孪生技术，构建从基础的水雨情信息采集、数据传输、数据整编处理、三维建模、孪生场景与调度分析等调度全过程数字化的应用体系，该体系功能架构如图2所示。

图2 基于数字孪生技术防洪调度过程解决方案功能架构

该功能构建的前端主要是实现实时水雨情数据的采集与数据传输，主要以物联网为技术支撑，通过地形图、GPS、无人机、GIS、移动终端等软硬件采集有效的水雨情数据，再通过4G、5G网络、卫星等实现数据的实时传输；核心层以水雨情监测数据的整编、处理计算分析、工程及流域三维建模分析、数字孪生场景展示等为主要内容，充分挖掘水雨情信息在孪生场景中的展示和应用；终端主要为流域三维数字模型的应用及“四预”调度系统建设及调度成果的输出发布。

基于数字孪生体系的水库防洪调度主要分为3个部分：一是通过大数据、等技术实现水库工程项目实时水雨情、地形地貌数据采集编录；二是通过数字孪生技术与三维模型建立全方位、多角度的虚拟仿真场景模式；三是运用物联网、云计算、大数据实现孪生场景与现实场景的动态交互。

2 关键技术解析

数字孪生技术是融合DIM、GIS、渲染技术等技术，主要以智能化输出方式为载体，综合大数据、云平台、物联网等新一代信息化技术，提高水库信息化管理水平，为工情险情预警工作提供实时准确的数据及可视化支撑，提升态势感知的准确性与直观性，增强预警体系的可靠性，提高抵御洪水灾害、水生态保护等多业务的可视化综合态势管理能力，具备数字世界中水利工程运行的场景预演条件，实现工程调度运行决策的科学化。

2.1 GIS技术

GIS技术，又称地理信息系统或地学信息系统，英文全称为Geo-Information Systems，对整个或部分地球表面空间的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、现实和描述的技术系统，广泛应用于各个领域。

水库防洪调度数字孪生展示系统建设基于GIS的应用体现在数据的采集、整编、处理、计算分析等方面。

主要特点为以下几点。（1）GIS 二维、三维数据通过数据模型和数据结构保持一体化，实现二维和三维数据直接在三维场景中可视化。（2）采用多源数据融合技术，实现地形图数据、遥感影像数据、高程数据、制图数据、点云数据服务统一发布展示。通过快速、高效、自动化的技术手段，将多专业、多源、异构空间数据的统一接入与融合，形成地上地下空间三维立体“一张图”，流域“一张网”。（3）运用3D 轻量化技术实现海量数据信息展示，将原始的三维模型原始文件进行最高上百倍地进行压缩，使三维模型的可视化与三维软件无关联，实现百兆级以上数据的流畅浏览与操作。（4）实现开发场景多功能矢量测算效果。

2.2 三维建模

三维实景建模技术实际是一项实景还原技术，是一项高新技术。依据无人机获取的工程及流域影像数据生成DSM，从DSM 自动生成DEM；影像在通过正射校正、影像融合等处理后；将DEM 与处理后影像叠加设置相关参数，实现地形的三维可视化展示。

三维实景模型高精度、高清晰地反映整个防洪调度体系的复杂场景，精确反映了整个水库工程及流域的水工建筑物、测站分布情况以及地形地貌。并且实景模型携带了精确的坐标信息，可进行距离测量、面积测量、体积测量等。

三维建模技术在水库防洪调度中主要应用体系表现为：（1）实时掌握水库溢洪道等泄流设施的空间分布情况，分析泄流量对下游河道沿线两岸的动态变化；（2）实时掌握水库下游河道河势动态变化，在台风暴雨天气及时提醒河道沿岸居民等；（3）水库大坝的分析，对大坝裂缝、渗流等情况进行实时监测分析；（4）实时掌握水库管理区空间分布情况，尤其是滑坡、泥石流等自然灾害监测分析；（5）不能人为预见方面排查的应用。

2.3 物联网、大数据等新一代信息技术

物联网、大数据和云计算等新一代信息技术能有效解决信息共享输出问题，实现水库在运行管理过程中的各种应用系统集中管理[3]，服务目标明确，也能提高各种应用系统的兼容性、灵活性及可扩展性，可适应业务发展模型的调整，避免信息资源浪费，可有效降低维护成本，减少工作量。

大数据，英文Big Data，是一种规模大到在获取、储存、管理、分析方面大大超出传统数据库软件工具能力范围的数据集合。大数据对海量数据进行分布式数据挖掘，依托云计算的分布式数据库、分布式处理、云存储、虚拟化等，在云计算模式下，能提高数据资源获取的便利性，整合软件、硬件、平台等信息技术资源。在水库防洪调度中实时监测的各类数据中心，依托大数据和云计算技术，可以更快速高效地对数据进行获取、整理、分析、存储。

物联网主要是通过信息系统以及应用感知技术，通过各类可能的网络接入，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理，在水库防洪调度中，物联网技术可以实现对水库工程上下游全流域的水雨情信息数据的自动采集与整理，经过传输后，对流域水雨情信息数据进行自主科学地分析与决策，并进行智能化分析与处理。通过大数据和云计算的有机结合及合理应用，进一步完善水库防洪调度制度，有效提升水库管理水平及应急处理能力，通过大数据体系建设和整合的物联网大数据库去打通信息资源共享的症结点、难点等，减少信息化工作的重复性，同时可有效降低运行维护成本，充分发挥社会化公益性服务型作用。

3 应用方案简介

如图3所示，根据前述的GIS、三维建模技术、大数据、云计算、物联网等技术，形成水库防洪调度全流域一体化数字智能采集处理、三维建模数字孪生场景系统建设及“四预”精准化调度系统三大功能模块，为水库调度管理提供智能化、科学化技术支持，提升整个流域水旱灾害防御智能化建设支撑力量，形成整个流域智慧防洪防涝体系，提升流域整体水灾害防御精准调度能力。

图3 基于云计算、物联网的数字孪生概念模型

3.1 防洪调度三维数字化智能采集

数据库服务依照用Oracle数据模型进行组织并存放到存储器的数据集合，可兼容并整合多种数据库管理软件系统。

水库防洪调度的三维数字化智能采集系统的建立，可实现流域内工程调度水文信息数据的采集、地形地貌编录，建立水库在防洪调度过程中的智慧化预判功能，充分挖掘水库防洪调度数据价值，主要可分为数据的采集、分析、管理这3个部分。

防洪调度数据的采集服务主要是实现数据从杂乱的原始数据，到经预处理转换为格式规范中间数据，并支持多种数据源的数据采集，系统按照数据采集标准，可采用多种方式，分别从内部系统和外部系统采集业务数据，结合流域已建的监控站点，根据不同需求可适当增加站点，加入已有资料整理成规范的数据集，统一进行数据集成，并对监测的水雨情库、水利工程、安全监测等数据以及现有的数据集进行共享、查询、集成等，利用前端软件对数据进行处理分析以及整理归类，形成索引类、缓存类和日志类文件。

利用云平台一体化存储分析管理体系，与物联网进行数据间连接，融入水库防洪调度方案以及应急预案信息[4]，实现监测数据的云储存、云计算、云服务，实现对水库大坝及水工建筑物、水文测站、河段两岸重点保护对象的数字化、矢量化、结构化处理，对业务流程、预警机制、调度原则、防汛预案、响应措施等进行梳理入库和程序化管理。

3.2 三维建模数字孪生场景系统建设

对流域内监测站点的断面信息集成，实现在流域水系拓扑基础上断面信息、河道基础信息、水位特征信息、监测站点的孪生场景的集成展示。

数字孪生场景系统的建设基于GIS的二三维一体化技术，利用WebGIS 功能架构，实现水库所在流域水系拓扑、监测站点、地形地貌等要素的二三维嵌套展示，实现地上、地表、地下全空间一体化三维表达，形成地上地下空间三维立体“一张图”，流域整体“一张网”，提供三维场景坐标、距离、面积量算工具，实现场景可量算，与物理的地理信息相互映射，实现720°VR 展示效果。实现整个流域感知信息、流场信息、水利工程智慧管理信息专题图的绘制提供基础地理信息服务。

该系统在建设的同时，也要完善相应制度机制、预留足够多的标准化接口，为中远期发展接入区域内其他扩展功能或者相关对象打好基础，方便开发完成后系统的二次升级与再次开发，统一管理和业务应用。

3.3 “预报、预警、预演、预案”精准化调度系统建设

“预报、预警、预演、预案”精准化“四预”调度系统是利用水库上下游实时水位流量监测数据以及气象部门的天气预报数据，结合水文动力模型，实现对水情、工情、险情等的实时监测预警预报，对入库设计洪水进行模拟，为洪水来临情况下淹没分析、动态演进、对未来水位、水情走势进行模拟预测分析，并利用该系统的智能调度方法及智能调度系统生成的调度方案进行水库防洪调度[5-6]。同理，还可以进行各类复杂的水文调度、水工建筑物管理业务分析应用，为水库管理人员提供有效决策支持。

4 结语

该文主要分析了在水库防洪调度中如何利用数字孪生技术优化传统调度模式，构建水库防洪调度全流域一体化数字智能采集处理、三维建模数字孪生场景系统建设及“预报、预警、预演、预案”精准化调度发布三大功能模型建设的数字孪生应用方案，该方案为水库防洪调度精准化、数字化、智能化的方向提供了思路，同时具有开放性、可靠性和可维护性，对水利高质量发展具有积极作用，也对其他水利水电工程的数字化建设具有重要参考价值。