数字孪生水库

数字孪生水库平台由数字孪生技术、业务应用、网络安全体系、保障体系、信息基础设施以及实体工程等关键组成部分构成。在这些组成部分中，数字孪生技术和信息基础设施构成了系统建设的核心与关键要素。数字孪生技术主要涵盖了模型库、知识库、数据库以及孪生引擎等关键组件。而信息基础设施则包括了立体感知体系、工程自动化控制、工程基础信息环境、通信网络等重要方面。业务应用方面，系统支持包括“防洪四预”、“水资源四预”在内的多项“四预”应用以及日常管理、综合态势等N项业务应用，这些业务应用能够调用数字孪生技术所提供的数据、算法、计算能力等关键资源。

图  数字孪生水库平台总体框架图

（1）信息化基础设施

信息基础环境。机房环境：根据数字孪生建设需求确定机房建设级别，并按照相关标准开展机房建设，及预留冗余空间。计算存储：加强高性能计算、AI计算能力建设，并按需配置并预留一定冗余和发展空间。会商调度中心：满足本地、异地会商要求，支持多场景一体化展示。

监测感知体系。在已建的监测感知体系的成果基础上建设完善水库工程监测感知体系，重点建设水情监测站点，雨量监测、水位监测、流量监测、泥沙监测等工程水文监测；变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测、专项监测、工程运行监测、险情监测、专项监测、白蚁监测、安全巡视检查等工程安全监测，安防监控、设备运行状态监测等其他监测，具有供水任务的水库开展水质监测、取水监测计量等。

自动控制系统。建设水库工程自动化控制系统，对工程闸门、泵站、发电机组等进行自动化控制。工程自动化控制系统应具备运行监控功能，可通过数据外发、传感器检测、视觉识别、声纹监测等方式实现对被控制设备运转状态的实时监测。工程自动化控制系统采用现地控制和远程控制，根据实际进行远程自动化控制升级改造。加强工程自动化控制系统网络安全保护。

提升水利信息网。建成高速互联的水利业务网、工控网。提升水利业务网，优化网络结构、增强资源动态调配能力，满足工程与相关部门数字孪生业务交互需要。根据需要可将工控网划分为现场控制区和过程监控区，两个区域逻辑隔离，已建立水利工控网现地控制网络的水利工程应确保与其他外部网络严格物理隔离。

（2）数字孪生平台

数据库。基于现有的数据资源池，水库数字孪生平台数据库构建完善水库工程数据库，汇聚工程全要素、全过程基础数据、业务管理数据、监测数据、地理空间数据和外部共享数据。为数字孪生水库工程提供全面及时“算据”支撑。

基础数据：包括计参数与规格（设计和校核洪水标准、正常蓄水位、防洪限制水位、设计流量、库容等）、工程结构特征（如水库坝体、溢洪道、放水设施、发电站等结构的设计参数）、建设与投资信息、社会经济影响等基础信息。

监测数据：气象（气温、风速、降雨量等）、水情（水位、流速、流量）、工情（工程运行、视频）、工程安全、工程运行以及安防、设备运行状态等其他监测。

业务数据：获取水利工程业务管理中产生的有关数据，主要包括工程建设期项目管控、数字工地、智能建造、数字交付等以及工程运行期综合调度、工程安全、运行维护、生产运营等业务数据。实现与业务系统实时对接。

地理空间数据：根据业务需求，数据底板建设共享水利部L1级数据平台，共享省级L2级数据平台基础上，采用卫星遥感、无人机倾斜摄影、激光雷达扫描建模、BIM等技术，细化数字高程模型（DEM）、正射影像图（DOM）、倾斜摄影模型、水下地形、BIM模型等数据，构建工程多时态、全要素地理空间数字化映射。地理空间数据精度和更新频次需满足水利专业模型分析计算需求。

跨行业共享数据库：包括流域水雨情数据、上级部门下达的调度指令、库区水质环境数据、地质灾害预警数据、上下游影响范围的人口、土地利用、重要基础设施（保护对象）等社会经济数据，以及工程管理所需的流域内其他工程的相关业务数据。根据业务需要更新并通过外部共享方式接入。

模型库。模型库的建设主要包括通用模型算法库的开发以及实体模型和方案库的搭建。

水库工程专题模型包括降雨预报模型、洪水预报模型、水库溃坝模型、泄水建筑物三维流态模拟模型、水库下游河床冲刷模型、大坝安全分析模型、水库上游及区间水文模型、水资源调度模型。

智能识别模型库，包括利用机器学习等多种先进技术方案基于遥感影像、视频、音频等数据自动智能识别模型。

可视化模型，包括一二维水动力模型可视化、水文模型可视化、溃坝分析可视化、洪水演进模型可视化、满足数字孪生水库工程建设对渲染效率、稳定性、渲染效果、多样性等实际业务需要，实现以三维交互方式精准呈现大坝、溢洪道、取水口等结构特性。

知识库。构建水库工程预案库、工程安全知识库、业务规则库、历史场景库等水库工程知识库，并不断积累更新。

预报调度方案库：主要建设内容包括工程防汛预案、入库预报方案、工程调度预案、超标准洪水防御预案、安全生产事故综合应急预演、防汛抗旱应急预案、突发环境事件应急预案、船闸应急预案及现场处置方案等在内的预报调度方案库。

工程安全知识库：构建包括工程风险隐患、隐患事故案例、事件处置案例、工程安全鉴定、专项安全检查、专家经验、工程运行维护档案等在内的工程安全知识库。

业务规则库：构建包括工程调度运用规程、机电设备运行操作规程、工程安全监测资料整编规程、工程安全现场检查规程、工程安全应急预案等业务法律法规、规章制度、技术标准、管理办法等构成的业务规则库。

（3）数字孪生水库业务应用

日常管理。按照《水利部关于推进水库、水闸、蓄滞洪区运行管理数字孪生的指导意见》中提出的“能用尽用原则”，积极将水利工程运行管理的日常业务与智能监测、大数据分析、人工智能等前沿技术深度整合，持续探索并完善数字孪生技术的应用场景，以推动水利工程运行管理的数字化转型和迭代升级。同时，积极促进水利工程责任人的具体落实、日常巡检、安全鉴定、隐患探测与治理、维修养护、库区管理、运行调度等运行管理业务的数字化、网络化、智能化进程。

综合态势。基于可视化模型和数据底版，通过数据与模型的融合，形成多层次的方式呈现水利工程的整体三维工程全景展示、态势监控。汇集水库、水闸相关的各类水文、工情、气象、水质监测数据，结合三维可视化数据与GIS成果，将监测数据与模型挂接，在综合态势一张图上按不同业务专题进行监测数据展示；建立综合查询功能，按不同关键字进行实时、历史数据的查询。

“四预”业务应用。强化水利工程的调度运用，预报预警预演预案的“四预”功能应用，基于流域和区域的雨水情监测预报，构建起“三道防线”，以加强雨水情信息的精准监测预报和生态流量泄放的监测分析。

防洪调度“四预”系统：根据工程防洪、水资源配置、发电、灌溉、生态、航运等调度规则，突出预报、预警、预演、预案等重点环节，构建数字化场景，在数字化场景中可视化呈现流域基本信息以及水库及库区水位、闸门启闭、气象等情况，实现库区、下游影响区等重点区域的洪水过程模拟、综合形势分析、调度预演评估以及预案智能推荐等应用。

水资源调度“四预”系统：通常包括“水源预警、气象预警、用水需求预警”和“设备故障预警”四个方面，旨在通过实时监测、数据分析和预警机制，提高水资源管理效率，保障水资源的合理调配与安全运行。