数字孪生江垭皂市工程总体框架研究与设计

杨恒玲 谌岚 王敏 陈小平 刘志辉

摘 要：结合水利部关于数字孪生工程建设的有关要求，立足江垭皂市工程管理需求，梳理了信息化基础设施现状和系统建设情况，提出了包含信息化基础设施、数字孪生平台、智能业务应用、网络安全体系和运行保障体系的数字孪生江垭皂市工程总体框架，围绕数据底板、模型平台、知识平台等核心任务及强化工程安全和流域防洪预报、预警、预演、预案“四预”模拟的“算据”“算法”“算力”资源，提出数字孪生江垭皂市工程平台应用架构、数据架构和部署架构，为工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营、库区巡查和综合决策等智能业务应用提供支撑。

关键词：数字孪生；江垭皂市工程；应用架构；数据架构

中图分类号：TV61；TP319                                    文献标志码：A

0 引 言

数字孪生（Digital Twin，DT），是指充分利用现实数据和实体模型，在数字空间内对物理空间进行“孪生镜像”，反映物理实体的全维度、全生命周期过程的数字映射系统[1-2]，其本质是以数字化的形式在虚拟空间中构建与物理世界一致的模型，主要利用实时监测数据和历史数据，结合数据统计分析、多物理场仿真和机器学习等功能，实现数字空间与物理空间的实时双向同步映射及虚实交互[3]。随着物联感知、网络通信、云计算、三维可视化等技术的日益成熟与广泛应用，支撑流域数字孪生的“算据”不断丰富、“算力”显著提升、“算法”逐步精准，数字孪生流域的概念应运而生。2021年3月，全国人大通过《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，明确提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。2021年6月，水利部提出把推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一，明确要求构建数字孪生流域，开展智慧化模拟，支撑精准化决策，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水利体系[4]。

为加快推进数字孪生长江工作，做好全面构建数字孪生长江技术储备，提高长江流域水旱灾害防御能力，提升水工程调度科学智能化决策水平，2021年8月，长江水利委员会印发数字孪生长江试点建设工作安排的通知，明确将数字孪生澧水作为数字孪生长江四项试点任务之一。2022年2月，水利部印发《关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，明确将江垭皂市工程作为11个先行先试对象之一[5-11]。鉴于澧水流域和江垭皂市工程均被列入数字孪生试点，且两者空间范围属于包含关系，两者在信息化基础设施、孪生平台等方面高度重叠，在智能业务应用方面紧密协同，为贯彻落实数字孪生“整体谋划、协同推进、流域统筹、避免重复”的共建共享原则，可以将数字孪生澧水与数字孪生江垭皂市进行整合，一体化推进数字孪生试点[12-13]。

本文围绕江垭、皂市工程运行管理需求，在已有信息化基础设施和应用系统的基础上，综合运用物联网、大数据、云计算、数字孪生等新一代信息技术，提出澧水数字孪生总体框架，构建智能业务应用，支撑数字孪生澧水流域模拟过程与流域物理过程高保真同步运行与交互，为澧水流域水利决策管理科学化、精准化提供有力支撑。

1 总体框架

数字孪生澧水以江垭皂市工程为核心，整体框架分为信息化基础设施、数字孪生平台、智能业务应用、网络安全体系和运行保障体系五大部分，实现江垭皂市工程的物理实体与数字孪生体之间的同步仿真运行、虚实结合、迭代优化[14]。总体框架如图1所示。

1.1 信息化基础设施

信息化基础设施以利旧为主，对主要监测感知体系和网络通信带宽进行适当升级，包括监测感知、工程自动化控制、通信网络和信息基础环境部分。监测感知方面，根据工程管理的实际需求和数字孪生技术要求，开展大坝安全监测采集系统、水雨情遥测系统、视频监控系统等升级改造；工程自动化控制方面，充分利用目前计算机监控系统和闸门控制系统；通信网络方面，主要对工程内部的视频监控通信网络进行改造，提升数据中心之间的通信宽带。

1.2 数字孪生平台

包括数据底板、模型库、知识库和孪生引擎。数据底板方面，针对基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据开展搜集整理和标准化治理，并采集部分地理空间数据；模型库方面，构建防洪兴利调度模型、工程安全模型等水利专业模型、遥感影像及视频图像识别等智能识别模型以及可视化模型；知识库方面，构建预报调度方案库、工程安全知识库、调度规则库等，为精准、高效决策会商提供技术支撑；孪生引擎方面，建立数据引擎、知识引擎和模拟仿真引擎，实现数据管理、模型計算、实时渲染等大容量、低时延、高性能要求。其中，数据底板中的基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据主要结合已建信息系统的数据库进行升级完善，而地理空间数据主要整合已有资源，构建基于二三维GIS的地理空间数据库。

1.3 智能业务应用

包括工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营管理、库区巡查、综合决策支持等。工程安全分析预警方面，在已有安全监测系统平台的基础上进行升级，并新建预测预报、在线监控、维护管理等功能；防洪兴利调度方面，充分利用升级改造的防洪预报模块，针对防洪调度、洪水资源利用调度、发电调度三个方面进行定制开发；生产运营管理方面，主要针对已建的电力生产管理系统进行数据接入；库区管理方面，开展“四乱”问题识别、巡查任务管理、处置跟踪等功能开发；综合决策支持方面，建立全景可视化平台，并结合其他4个业务进行综合会商决策和应急调度指挥。

2 业务架构

基于对工程安全、防洪兴利、生产运营、库区巡查和综合决策等业务的流程分析与数据分析，针对当前江垭皂市工程管理中的重点工作与薄弱环节进行业务协同，统筹考虑工程管理所涉及的部门职能，利用数字孪生技术手段协同工程安全、防洪兴利、生产运行、库区巡查和综合决策支持等各项业务应用，推动业务流程改造，提升工程管理效能。