数字孪生流域在幸福河湖建设中应用与实践

袁 楠，张云姣，奚 歌

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 幸福河湖与数字孪生流域关系

2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发出“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召，为新时代江河流域治理保护指明了方向。很多专家和学者围绕幸福的内涵、评价指标体系、建设思路进行了不同程度的研究，幸福河湖课题研究组归纳出幸福河湖是安澜之河、富民之河、宜居之河、生态之河、文化之河的集合与统称[1]。王浩院士提出现代水治理体系(天空地一体监测，智能水网)是幸福河八个愿景之一[2]。数字孪国家“十四五”规划纲要明确提出“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”。水利部党组高度重视智慧水利建设，并将智慧水利作为新阶段水利高质量发展和现代化治理体系的显著标志，其中数字孪生流域是智慧水利的重要组成部分，是幸福河湖建设中管护能力提升的新模式。丁志良等提出加强数据监测和互联共享，强化数字孪生流域建设，提升河湖管护治理现代化水平[3]，为提升幸福河湖管护水平提供了新的思路。钱树芹、李璐等在南岗河幸福河湖建设中指出完善优化流域数据底板、模型平台、知识平台，提升相应信息基础设施能力，建设数字孪生南岗河(智慧南岗河)[4，6]，为南岗河幸福河湖管护水平提升提供了先进引领力和强劲驱动力。王朝晖，许祚卿等以东盐河幸福河湖建设为范例，提出集流域防洪调度、水资源管理与调配、水生态过程调节等功能于一体的数字孪生模拟仿真[5]，为东盐河水利“一张图”的建立提供支撑。综上，建设幸福河湖，要应用数字孪生技术强化数字赋能提升能力，加快构建具有预报、预警、预演、预案能力的数字孪生河湖，提升流域管理智慧化水平[7]，为新阶段幸福河湖管护能力提升赋予强劲的支撑和保障。

2 数字孪生流域建设路径

2.1 整合算据，打造数字化场景

新建并整合区域内已有的各类物联感知数据，通过数据采集、通信、融合、存储与组织于一体的信息平台，基于BIM+GIS+IoT技术，通过工程BIM模型和流域三维空间网格的融合，完成数字孪生流域三维融合场景的建设。通过在三维融合场景中，按照物理空间现实情况，完成各类水利建筑物、设备以及感知数据、属性数据、业务数据在虚拟空间中的一一映射。通过统一的数据治理平台，打造数字孪生流域的数据底板，实现物理流域的虚拟映射。

2.2 构建算法，实现智慧化模拟和精准化决策

建立模型平台与知识平台，以算法驱动数据应用。通过构建水利专业模型、智能识别模型、可视化模型等各类模型和智能算法，以及预报调度方案、历史场景、业务规则和专家经验结合人工智能算法，为系统赋予智能认知、自主学习、自主决策的能力。系统通过自发性收集系统使用过程中涉及的基础数据、感知数据、过程数据等，通过多种算法手段及人工判断获得决策结果，并反馈到工程现实中，实现数据、算法对现实决策的辅助驱动作用，从而最大程度地发挥数据信息的价值。

2.3 创建应用，实现智能业务应用

承载业务需求，以智能化应用驱动工程管理模式的革新。以数据底板为基础，以模型算法为支撑，强化信息技术与水利业务深度融合，深化业务模式创新和业务流程再造，构建创新型管理业务智能应。其建设路径如图1所示。

图1 数字孪生流域建设路径

3 幸福河湖之数字孪生流域建设实践

3.1 总体架构

聚焦数字孪生九十九湾连通水系建设所涉及的“防洪排涝、河湖管护、康养科普”核心业务，对标“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，秉承“需求导向、数据引领，拓展智能、务求实效”建设宗旨，深度耦合并高度集成物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，以物理流域为单元，以感知网、信息网、数据中心构成的信息基础设施为支撑，以数据底板、模型平台、知识平台构成的数字孪生平台为核心，以强化业务应用为抓手，以网络安全体系和保障体系为保障，组成数字孪生九十九湾连通水系总体架构，其总架构图如图2所示。

图2 总体架构图

3.2 基础设施

3.2.1感知网

整合汇聚已建雨水情监测、水质监测、视频监控数据，持续扩大感知范围，提升数字化监测能力，增强水利信息感知、分析、处理和智慧应用的能力和水平。

(1)扩大感知范围

整合已有监控数据，新增视频监测主要布设于龙舟码头、上美湖、湘桥湖、水文化馆、一库、一闸、湘桥、觉皇庙、蓝田古镇、河口湿地公园水文化景点、水文化风景区等位置，其内嵌算法，基于人工智能影像解析技术，实时分析河面漂浮物、水岸垃圾等；浦头港主港道水雨情监测站增设4处水雨情监测站；新增东墩泵站水闸、湘桥水闸、孚美水闸、和内林泵站水闸等水平倾斜、沉降、震动在线监测设施，结合人工神经网络的软土地基沉降分析数学模型，对其稳定性进行计算分析，实现风险研判。

(2)利用新技术提升监测感知能力

通过卫星、无人机、无人船等技术，及时掌握数字地形、植被覆盖、河道阻水建筑物、河滩占用、水文大断面、重要河段水下地形等信息，提升数字化监测能力和水平。

3.2.2信息网

(1)业务网络建设

通过租用4G/5G运营商网络的方式，为监测站点、视频监测点之间的数据、视频等信息传输与交互共享提供高速可靠的通信链路，实现河湖管护信息化网络全覆盖，满足数字孪生九十九湾建设的要求。

(2)工控网络建设

桂林排涝泵站工程控制系统应用和监测数据均在现地节点的机房内部署和存储。工控数据有着较高的安全等级，现地节点工控网络应与办公网络等其他外部网络实现隔离，并划分现场控制区和过程监控区。现场工控网络本地实现工控数据的本地存储，其他应用禁止通过现地工控网络直接获取。

3.2.3运行环境资源

数字孪生九十九湾连通水系数据中心软硬件环境充分利用现有的软硬件基础设施资源，配备相应的软硬件资源。

3.3 数字孪生平台

3.3.1数据底板

(1)数据资源

数据资源主要包括地理空间数据和其他数据。

①地理空间数据

地理空间数据包括DEM、DOM、实景三维模型、水下地形、BIM数据，见表1。

表1 地理空间数据建设内容

②其他数据

包括基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据。

(2)数据引擎

数据引擎是用于存储、处理和保护数据的核心服务。利用数据引擎可控制访问权限并快速处理事务，支持处理大量数据的应用程序。

3.3.2模型平台

模型平台包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型和模拟仿真引擎等。

水利专业模型为模拟仿真提供其运行所需遵循的基本规律，主要包括水文模型、水力学模型、水环境模型、水利工程安全模型等。智能识别模型包括遥感AI识别模型、视频AI识别模型；可视化模型是指能完成自然背景、流场动态水利虚拟现实VR、水利增强现实AR和水利混合现实MR渲染的模型和技术，主要用于实时渲染专业模型的计算结果；数字模拟仿真引擎可组合多种水利专业模型并为各专业模型适配输入数据，从而完成特定业务的功能仿真，调用可视化模型将模拟结果渲染，以更贴近真实的方式展示给用户。

3.3.3知识平台

在共享水利部、流域、福建省级知识平台的基础上，以水利对象关联关系、预报调度方案、业务规则、历史场景、专家经验等知识的抽取、融合、挖掘和结构化处理为重点，建设了包括水利知识和水利知识引擎的知识平台，支撑数字孪生九十九湾连通水系精准化模拟。

3.4 业务应用

3.4.1防洪排涝“四预”

(1)预报

系统可依据实时及预报的雨水情以及工情信息，完成自动预报调度计算，实现自动预报、交互预报调度、模拟试算预报以及河道渠系洪水演进计算，并实现多模型专家交互分析、智能校正等功能。

(2)预警

基于九十九湾连通水系洪水“空天地”一体化监测成果，分析水雨情、工情及水雨情可能的变化态势，研判防洪面临形势，根据洪水预警指标体系及时发布相关预警信息。

(3)预演

以流域数值模拟为基础，构建面向九十九湾连通水系的水工程运用对重要防洪排涝控制节点防洪排涝需求快速响应模型仿真体系，针对外江水位涌高顶托(导致城区水位大幅升高且排水困难)、沿河道城镇区域行洪、蓄滞(分)洪区行洪进行仿真，实现洪水(水量)动态时空模拟推演和成灾风险影响分析，以指导防洪排涝联排联调管理和灾害防御应急等。

(4)预案

针对超标准洪水可能带来的洪灾风险，避洪转移是应对洪灾的积极躲避行为，是减少洪灾人员伤亡的重要手段。在洪水风险计算分析的基础上建设洪水淹没区避险转移辅助功能，以防洪应急转移预案为指导，根据特定频率/场次洪水的淹没范围、水深、到达时间等风险信息，通过对受淹居民区位置、人口数量、道路、安置区域等信息的综合分析和路网计算，得到居民区避洪转移安置方案和转移安置最优路径，实现受灾群众快速、高效的疏散转移。

3.4.2河湖管护

为了实现生态廊道动态、精细化监管目标，以河长制管理制度为依托，分析河湖管理中存在的薄弱环节和主要问题，建设河湖一张图、水域保护管理、生态廊道监管考核、运维管理。

3.4.3工程电子沙盘

提供基于数字模型三维可视化展示水情、雨情、泵站工情、水闸工情、视频监控、水质等监测信息，并可提供对工程建筑物信息的在线查询与展示，实现工程信息的一张地图展示与查询。还可实现工程三维实景模型进行大场景浏览展示以及设施设备BIM模型漫游，实现建筑物大场景与细部精细展示的虚实结合，为管理者、公众供三维可视化交互平台。

3.4.4康养科普

结合九十九湾连通水系三维场景，构建康养科普系统，为公众提供水景观点的水环境指标，帮助公众决策游玩地点，为公众提供路径导航、文化宣传、接收预警信息、灾害疏散转移路线。

3.5 网络安全及标准规范体系

3.5.1网络信息安全

为了保证数字孪生九十九湾连通水系的安全、稳定运行以及平台建设的统一性和可扩展性，在建设过程中，从物理安全、网络安全、系统安全、数据安全等方面采取相应措施并建设完善平台安全管理。

本次实现九十九湾系统安全等保“2.0”二级，在九十九湾部署数据中心防火墙、数据库审计系统、堡垒机、工业安全管理平台、工业安全主机卫士、入侵检测系统、系统备份与恢复、漏洞扫描、网页防篡改、日志审计、终端管理授权服务器、IPS入侵防御、web防护、上网行为管理、防火墙等安保设备，保证数字孪生九十九湾连通水系的安全可靠运行。

3.5.2标准规范体系

从体制机制、标准规范、技术创新、运维体系、人才队伍、宣传与交流等方面，统筹谋划，持续推进，保障数字孪生九十九湾连通水系健康、可续持发展。

4 结语

幸福河湖建设是实现人水和谐共生的必要举措，也是推动新阶段水利高质量发展的重要途径。结合幸福河湖建设工作要求，数字孪生九十九湾连通水系围绕防洪排涝“四预”、河湖管护等重点业务，以促进全景化感知、数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为重点，通过“提升算据、优化算法、强化算力”，加快推进数字孪生九十九湾连通水系建设，实现“防洪排涝管理精细化、河湖管理一体化、环境监督可视化、管理决策科学化”目标，实现“智慧精准”科学管护的数字河湖新局面。数字孪生九十九湾连通水系建设对推动九十九湾连通水系精细化管护、维护九十九湾连通水系生命健康具有重要意义，同时为公众参与治水、享水、乐水提供了重要途径，也为新时期幸福河湖管护能力提升提供了重要手段。