基于数字孪生的陈蔡水库管控一体数字化平台建设研究

张奇伟，王雪峰，李玉龙

（杭州华辰电力控制工程有限公司，311100，杭州）

陈蔡水库是浙江省绍兴市诸暨市7座大中型水库之一，也是浦阳江流域防洪体系中重要的控制性防洪骨干工程之一，为下游防洪安全和经济社会发展作出了巨大贡献。

近年，诸暨智慧水利平台为诸暨水旱灾害防御能力的提升提供了有力支撑。陈蔡水库是诸暨智慧水利管控的重要节点，通过建设陈蔡水库数字孪生平台，充分运用大数据、人工智能、数字孪生等新型技术，建设“四预”（预报、预警、预演、预案）协同的多跨场景应用系统，进一步提升水利决策与管理水平。

一、总体设计

1.总体框架

陈蔡水库管控一体数字化平台的总体框架可概括为“四横、四纵”（图1）。“四横”自上而下为业务应用体系、应用支撑体系、数据资源体系、基础设施体系，是数字孪生陈蔡水库建设的主体框架。“四纵”为政策制度、组织保障、标准规范、安全保障，是项目的保障措施。

图1 平台总体框架

围绕陈蔡水库业务领域，共享集成各相关业务部门数据，建设物联感知网、数字孪生平台、智治业务应用系统。通过全力推进新技术与业务的深度融合应用，实现数字孪生场景化应用、运行调度一体化模拟、工程管理智能化决策。

2.建设亮点

体系化构建防洪、水资源模型，包括陈蔡水库上下游水文水动力模型、中长期预报模型、供需分析模型等，并在水灾害防御、水资源管理应用设计中将“四预”融入业务应用逻辑，在防洪、水资源两方面实现预报分析、预警研判、方案预演、灾情预估、预案执行全过程的业务融合。

实现陈蔡水库全域范围的深度数字孪生，在感知层面，充分结合现状布局全要素感知控制体系，实现孪生感知体系建设；在孪生数据层面，考虑到水库工程及周边重要水域全覆盖，打造多维度、多手段、差异化精度全域数字底板；在业务层面，实现水库业务的数字孪生全覆盖。

二、“天空地水一体化”物联感知网体系建设

通过应用物联技术实现的自动化监测、智能化监控，是信息化系统感知外界的重要接口，同时也是为后续数据分析、智慧决策提供基础支撑的必要前提。在工程信息化现状基础上，补充完善工程安全监测、安防系统、水雨情监测、闸门自动化控制等功能，实现工程运行过程的全面感知。同时，利用卫星遥感、无人机、无人船、视频AI等新型监测手段，提升对水库工程及周边的动态感知能力，满足水库各类业务对数据和信息在不同时空尺度的需求。

三、数字孪生平台建设

1.数据底板

对于陈蔡水库上下游影响范围内的重点水域，在共享L1和L2级数据底板基础上，利用倾斜摄影技术对重点区域进行空中三角测量加密，汇集重点水域基础数据、直管对象监测数据和跨行业共享数据，融合构建精细化三维底板。利用BIM 模型、倾斜摄影测量数据对陈蔡水库进行三维场景打造，对工程土建、综合管网等构建功能级模型单元（LOD2.0），对闸门、发电机、水轮机等主要机电设备构建构件级模型单元（LOD3.0），融合衔接打造一体化水工程三维实景，并集成基础地理数据、监测及业务数据等，完整体现工程重点部位实时运行工况与状态，支撑工程全貌三维可视化展示、重点部分高保真模拟。

2.模型库

模型是实现系统平台分析最基本的模块，是水旱灾害防御、水资源调度以及水库运行监管等业务应用系统的基础。支持决策的信息化建设需要重点研发水工程智能调度模型，在预报预警基础上，进一步实现水工程智能调度、水灾害动态评估和风险调控、人群避险转移等不同决策阶段信息流全过程、水管理全要素之间的互馈响应关系。

本次构建的模型包括水文产汇流模型、河道一二维水动力模型、防洪调度模型、洪水淹没分析模型等水旱灾害防御模型，中长期水文统计预报模型、水资源需水预测模型、水资源调配模型、调度优化模型等水资源调度模型，以及大坝安全监测分析模型、视频AI分析模型等。

3.知识库

建设知识库的目的是将水利各项业务涉及的基础依据全面结构化、知识化，实现管理依据快速调取、管理流程快速调度、管理执行要求快速调取、管理联动操作自动关联，同时实现预警指标与预警事件关联、监测异常与事件处置关联、业务限制条件及限制因素快速识别等。本次通过汇集多源数据，研究应用深度挖掘、机器学习、知识图谱等技术，构建历史洪水数据库、调度知识库、专家库、图像识别等知识库。

4.孪生引擎

数字孪生引擎以数据底板为基础，依托二维GIS引擎、三维GIS引擎、BIM引擎和虚幻高渲染引擎等图形引擎实现数字孪生工程与物理工程同步仿真运行。

平台采用基于云架构数据驱动的图形引擎，支持多源异构BIM 模型发布与整合；支持模型服务输出；具有完善的图形绘制、浏览、渲染及分析工具组件；满足数据可视化需要，同时满足BIM+GIS+IoT可视化统筹要求；具有多端（B/S、C/S、App）交互工具；具有Restful API、前端开发组件，可快速集成，定制项目需求。

四、智能业务应用

1.水库运行全景

基于陈蔡水库三维倾斜摄影模型，叠加展示水库基础信息、业务数据、实时监测信息（包括水位雨量、大坝安全、视频、闸门开度等）、预警信息、隐患点等信息。根据水文、视频、大坝安全等各类实时监测数据，以及大坝安全分析模型计算成果，结合水库控运管理指标进行融合分析，实现实时数据和计算指标数据基于三维倾斜摄影模型的综合展示。

通过三维倾斜摄影模型进行设施设备管理，对重要设备设置单体化操作，使设备三维可视化，从而能够显示设备完好性情况，并可查看设备具体信息。

2.水旱灾害防御

针对多目标综合调度的复杂性，在自动感知水雨情信息的基础上，结合滚动预报等成果及时进行预警，并利用数学模型和数据分析工具开展模拟、仿真、分析、预测，为水库防洪业务决策提供支撑，促进“四预”过程与数字孪生融合。

一是防洪动态监测。围绕数字孪生支撑水库智能业务应用的需求，充分利用气象信息以及水雨情监测、工情监测、视频监视等手段，形成陈蔡水库的天空地一体化水利感知网，实现对防洪全要素的动态实时监测，为洪涝预报、预警、预演、预案等应用的数据底板建设奠定基础。

二是洪水预报。以气象降雨预报结果、实测水位、降雨量、水库水位-库容曲线为依据，分析水库水文数据，采用产汇流模型进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算，结合河道洪水演进，计算获得水库断面的流量数据，提供入库流量、坝前水位、最大入库流量和最大坝前水位等预报结果。

三是监视预警。整合集成实时监测数据以及未来一个时期形势预测，为实施调度管理、制定调度方案提供全方位信息支撑。建立洪水预警机制，结合实时数据和洪水预报成果分等级预警，实现不同尺度、不同阶段、不同层面渐进式预警。

四是洪水预演。基于陈蔡水库地形、土地利用、河网分布等基础数据，叠加流域水文、水动力模型预报成果，实现水库洪水的可视化预演。系统化集成水库实景三维模型和水动力洪水演进模型，将洪水演进过程通过实景三维模型进行三维化、可视化、智能化、动态化实时展示，展现特定量级或实测洪水的演进情况，实时反映不同场次洪水条件下河道沿线重要保护对象的动态淹没情况（包括淹没范围、深度、持续时间等），从而为预警预报、辅助决策和防灾减灾提供精准的决策依据。

五是防洪预案。将防汛预案、度汛预案、应急预案等进行树形结构分解，转化为数据块进行存储和组合，建立水库防洪应用数字预案场景库。自动匹配多要素组合需求，提取相应预案内容，推动不同场景下的预案优选，推送应急响应级别、组织方式、责任主体等信息，实现场景化预案处置，支撑指挥调度决策。

3.水资源调配

统筹灌溉、供水等调度目标，基于水雨情、工情等预报和监测信息，调用来水预报、需水预测等水利专业模型及调度规程、调度预案等相关知识，结合陈蔡水库数据底板及数字流场信息，构建水资源调配“四预”应用支撑体系，为水库水资源调配提供科学决策支持。

一是供水实时监测与信息展示。基于陈蔡水库供水监测和预报信息，结合二三维数据底板，综合展示供水情况实时监测信息（时间、库水位、供水水量等），用户可查询和导出供水监测表单。依托可视化水资源监控体系，结合水资源预测成果，以水资源分配总量和有关考核指标为基础，建立水资源监督考核系统，实现对水资源承载力的“红线预警”和管控。

二是调配方案制定和展示。模块具备中长期方案的自动生成和展示功能，即基于来水预测和需水预测，采用相应数学模型对陈蔡水库的总体水量平衡进行估计和分析，从而制定中长期水量调度方案。调度方案能够大致确定特定时间段内（年、旬、月）水源地水资源量的配比，合理分配水库供给的水量。模块提供实时校正修订中长期调度方案的接口，可根据日调度运行过程实际情况，对中长期调度方案实施人工调整。

三是水资源调度决策配置下达。水资源调度决策配置模块包括水资源的年调度、旬调度、月调度、旱期应急调度的决策配置下达以及基础信息的增、删、改、查功能，实现对不同时间尺度水资源量的动态调节与配置。年调度、旬调度、月调度模块通过调用来水预测（预报）模型实现年度、旬度、月度的来水形势分析；通过调用多水源地水量平衡分析模型，生成可供决策者参考的水资源调度意见，帮助制定年、旬、月水资源调度方案。通过调用旱期应急调度模块，生成旱期应急调度意见。

四是供水调度统计分析。供水调度要素包括历史及当年日、旬、月、年累计供水量、生态流量、来水量、弃水量等。系统提供供水调度要素的统计分析功能，如平均值、最大最小值、总量等。通过对上一时段调度要素的统计，形成兴利调度总结。同时结合需水预测和来水预测，为下一时段供水计划和用水方案提供参考依据。

4.目标管理

平台以管理中心日常业务需求为导向进行应用场景设计。围绕日常运行监督管理，以工程虚拟化场景应用为主体，打通融合数字运行管理、多源监测等组件，实时展示日常运行监督场景的所有相关信息，在场景内实现日常运行的统筹管理和实时追踪，保障日常管理工作有序开展，对物业化运维内容进行精细化线上监管与评估，同时可依托本部分内容构建模板化的工程目标管理模块。

日常运行监管的重点内容包括计划管理、考核管理、合同管理、控运调度、巡查巡检、维修养护、设备管理、安全管理、工作门户和孪生巡检等内容。

5.工程安全

为保证工程运行安全，以安全监测预警、安全运行评价等模型为驱动，快速分析工程运行过程中存在的安全问题及隐患，提升工程安全监测预警的时效性与智能化程度。同时，结合可视化需求，在二三维数据底板上对实时监测预警结果、安全隐患点进行快速定位、可视化展现，提高预警处置时效性和安全隐患发现能力。

一是大坝安全。以陈蔡水库二三维模型为主体，全面挂接工程安全监测场景的所有相关数据，多方面综合统计分析，研判工程安全状态。大坝安全监测应用模块具有数据处理、整编分析、图形制作、分析评估等功能，可初步分析评判建筑物的安全稳定性，为工程安全运行提供尽可能充分的信息、方法、分析评判服务。

二是设备安全。以陈蔡水库二三维模型为载体，实时显示设备监测数据，包括机电设备的电压、电流、温度等，以及闸门、启闭机等金属结构的实时状态数据，并根据设定的安全阈值进行不同级别的报警提示。

6.库区安防