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水库数字孪生数据引擎及底板构建研究及实践

摘要：2022年2月21日,水利部印发《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》(水信息〔2022〕79号),要求以数字孪生流域建设为主线,以数字孪生水利工程建设为切入点和突破口,水利部本级在小浪底、岳城水库等11个重要水利工程组织开展数字孪生水利工程建设先行先试,示范引领数字孪生流域建设有力有序有效推进,为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

关键词：水库;智慧水利;数字孪生;时空数据;GI

引言

据《2020年全国水利发展统计公报》，我国已建成各类水库98566座，总库容9306亿m3。水库在供水保障、防汛减灾等方面承担重要角色、发挥巨大作用。水库管理既有分布范围广、业务内容多、信息来源杂等特征，又有基础设施缺乏、管理手段落后、地理位置条件不佳、技术人员稀缺等问题，上述特征与问题使得水库运行和监督管理较为困难。在“发展数字经济”国家战略背景下，水利部明确提出推进数字孪生水利建设，数字孪生水库存在巨大的研究与应用空间。

1数字孪生水利工程简介

数字孪生水利工程是数字孪生流域的重要组成部分。也是数字孪生流域建设的切入点和突破点。在《水利部关于印发数字孪生水利工程建设技术导则(试行)的通知》(水信息〔2022〕148号)中明确指出:数字孪生水利工是指以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动,对物理水利工程全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演,与物理水利工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化,实现对物理水利工程的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。

2数字孪生技术与智慧水利融合理论基础

数字孪生技术允许在信息空间中真实地捕获物理单元，创建相应的数字卫生双胞胎，在几何、物理、行为、规则等方面准确地将双胞胎映射到物理单元，并在水项目管理方面进行实时互动，以进行模拟、分析、优化、预测和决策。模拟水项目信息空间任务的执行，使用各种模拟参数，最大限度地提高任务执行过程中出现的机会，动态监测水管理，根据实际情况和环境变化快速调整操作，通过实时监测数据、历史数据、孪生数据和相关物理参数，高效协调和优化系统中的所有水业务活动，通过智能分析技术(如知识库、大规模数据分析、机器学习、潜在干扰预警)评估供水系统的运行状况，为遇到的故障创建适当的修复，以及实现水项目。

3存在问题分析

（1）基础设施有待完善现有的视频监控、水质监测等系统未形成全面覆盖的信息化体系且无智能分析、智能识别等功能，给日常工程监管造成诸多不便，亟需在现有基础上进一步完善建设。（2）缺乏统一的信息管理平台因建设时间等不同，缺乏统一规划，各业务系统数据之间未能互通，尚无统一的信息管理平台。（3）信息资源整合共享困难由于各种信息采集基础设施、数据存储设备信息共享机制并未完全建立，数据存储格式纷杂，影响了水库管理部门与各级水行政主管部门间的信息交流和数据共享。在此现状下，建设水库数字孪生平台，将数据采集、自动化控制、网络、通信等信息化基础设施和数据体系及软件系统进行有机整合，形成统一体系，为水库的防洪、水量调度、环境保护以及推动水库管理信息化、现代化、智能化、可持续发展提供全新的综合管理模式。

4水库数字孪生数据引擎及底板构建技术

4.1三维场景建模

基于数据资源平台的空间数据库，利用水库倾斜影像数据及地理信息数据，建设水库数字场景，构建二、三维结合的空间地理信息应用与展示，基于栅格图片引擎服务，实现多层次、多节点的分布式地图服务的聚合；依据三维空间数据规范，针对重点工程进行建模，实现三维数据在Web环境下传输和解析，提供基础三维场景和三维数据的操作服务；基于三维实景技术，建设水库三维场景，接入水质水文监测、远程监控等实时数据展示。

4.2河道勘测

通过数字化场景的平台驱动层“时空数据治理系统”完成DOM、DEM、DLG、倾斜摄影三维模型、激光点云数据、影像密集匹配点云数据、固定断面测量成果及河道水沙监测成果等多元产品形式的时空基准统一、结构化数据抽取重构及存储管理等;完成基本控制、固定断面控制、固定断面线、区域空间基准转换参数、区域似大地水准面精化模型等基础地理信息数据的存储管理;完成河道勘测成果的合理性分析等。

4.3集控中心

该中心利用一个统一的管理平台，该平台基于统一、开放的国际信息通信和建模标准，由底层硬件平台、系统安全和物理系统环境等组件组成。底层硬件平台由位于大生产控制区和大管理信息区的两个基于计算机的硬件平台组成。根据系统的安全要求隔离不同安全区域的计算机基础平台，底层硬件平台在整个安全区域提供统一的外部通信接口。系统安全通过将安全区域划分到系统中，实现安全区域之间的安全隔离。针对不同安全区的特点，开发具有不同技术和行政程序的综合、有针对性的安全系统。运行该系统