基于数字孪生的水库大坝安全管理云服务平台研发与应用

卢建华 刘晓琳 张玉炳 徐琨

摘要：当前中国水库大坝安全管理具有点多面广、安全状态时空多维演变、监测数据海量且多源异构、监管机构多层级等特点。为提高水库大坝安全管理水平，研究面向以监控和管理为主要目的的多层级安全监管需求，在充分梳理相关业务流程体系的基础上，引入数字孪生技术，给水库大坝安全运行管理提供新的展示方式和分析手段。运用以物联网、边缘计算、云计算等为核心的信息化技术实现数据采集、传输、存储、计算和综合利用，进而提出一套基于数字孪生技术的水库大坝安全管理云服务平台方案，并从数字孪生技术实现、云服务平台架构、运行支撑环境建设、业务功能设计等方面进行了论证。研究成果在安徽省梅山水库大坝成功投入实际运行，实现了水库大坝安全监控与管理的智能化、可视化、实时化、标准化。

关键词：水库大坝; 云服务平台; 数字孪生; 安全监控; 安全管理

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.015

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0081 - 06

0 引 言

中国重要的水库大坝都建有大坝安全监测信息采集及管理系统，可实现数据采集与安全管理，但无法形象高效地实现大坝安全状态的实时分析及诊断预警，不能满足多层级水库大坝安全管理需求，亟需引进新理论、新技术和新模式，从工程措施和非工程措施两方面发力，切实提高水库大坝安全管理水平。近年来，物联网、边缘计算、云计算、数字孪生等现代信息技术飞速发展并逐步成熟，为有效解决水库大坝安全运行问题提供了新途径。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程[1]。数字孪生其实就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。

数字孪生体被创建在信息化平台上，相比较于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于它是对实体对象的动态仿真。它“动”的依据来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。本体的实时状态，还有外界环境条件都会复现到“孪生体”身上[2]。除了“会动”之外，数字孪生还具备“全生命周期”“实时/准实时”“双向”等特点。

中国已经在战略产业层面提出众多重大科技专项[3-4]，有力促进了数字孪生应用发展，该技术有效用于卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市等诸多行业领域，覆盖设计、建造、运行管理、预警监控、故障诊断以及健康管理等全过程。

数字孪生在其他行业成功运用，并展现出广阔的应用场景，水库大坝与其他工程一样具备从设计建造到运行管护的全过程，因此迫切需要探索数字孪生技术与业务应用相结合的数字化新模式[5]，数字孪生技术的应用必将改变水利行业传统管理模式，给水库大坝的监管带来更加便捷科学的技术手段[6-8]。

1 大坝安全管理的数字孪生技术

为支撑水库大坝数字化运行安全管理，研发了1套完整的高性能、强扩展、易使用的水库大坝安全数字孪生支撑技术。

1.1 大坝安全数字孪生應用需求体系

按国家、地方政府和业主单位的政策文件，进行总体布署和顶层设计，广泛调研当前水库大坝的工程现状、管理现状、信息化建设现状，以工程基本情况、业务管理情况、应用系统使用情况为突破口，分析数字孪生应用建设需求及发展趋势，理清安全监测业务关键点和孪生应用技术重难点。

1.2 大坝安全运行管理体系与数字孪生应用框架

在业务需求和发展趋势的充分调研基础上，梳理首页一张图、基本信息、水雨情、预报调度、安全监测、视频监控、闸门监控、综合管理、系统管理等业务的流程、指标、运行体系，建立面向多层级、多类别、多目标的孪生应用框架。

1.3 大坝安全数字孪生应用标准组件库

以业务内在逻辑为出发点，分别建立由BIM，GIS，倾斜摄影等组成的三维展示模块化组件库;由水工建筑物、监测断面、监测点等组成的安全监测模块化组件库;由雨量计、渗压计、流量计、水温计、GNSS、应力计等组成的仪器模块化组件库;由水质模型、气象预报模型、水文预报模型、调洪演算模型、防洪调度模型、大坝安全预报预警模型等组成的服务模型模块化组件库;以及由弹窗、列表、饼图、柱状图等组成的结果展示模块化组件库。统一组件的开发、封装及接口的技术标准，实现从组件、业务、应用到平台的完全解耦。

1.4 大坝安全数字孪生支撑平台

采用标准化、模块化、可视化、智能化的开发思路，建立水库大坝安全平台框架，利用图形化编辑方式，按照具体项目业务流程需要，在可视化条件下模块化组件的快速拼装，减少开发人员的重复劳动，提高水库大坝安全信息化系统的开发效率，从而实现系统低成本、少维护、高效率、大规模的应用。支撑平台支持三维可视化数字场景构建，实现空间数据、BIM模型数据、业务数据、物联感知数据、多媒体数据等多源异构海量数据之间无缝融合，以及与现实世界的动态映射。

2 云服务平台架构

水库大坝安全管理云服务平台旨在通过信息化技术手段建立一套满足水利主管部门多层级管理需要（图1）、保障水库大坝安全运行的业务平台[9]，它对水利工程运行数据进行采集、分析、处理以实现对运行环境、工程状态等全方位的监控和管理，辅以日常管理功能，达到用一套系统解决水利工程管理单位所有问题的目的，它是水利工程现代化管理的具体体现。

平台通过采集水库大坝的水情、雨情、工情、监测、图像等信息，构建相应的数字孪生体，综合分析水利工程当前运行的状况和历史过程，通过相关模型演算未来发展趋势，并运用建立的水库大坝安全诊断与预警指标方法体系，实现异常智能化识别和自动化预警报警。除此之外，系统设置管理功能，可以对辖区内的水库进行综合调度和系统评价，并根据需要制定分析统计报表。

整个系统分为6个层级，分别是数据采集层、基础设施层、数据资源层、应用支撑层、应用层和表现层（图2）。

（1） 数据采集层。数据采集层主要是获取实时的监测数据，包括水位、雨量、流量、安全监测、视频监视、闸门监控等各种水库信息采集点的传感设备，数据采集层与其他层次之间的数据通信以无线为主，有线为辅。

（2） 基础设施层。基础设施层包括工程管理局和政务云两部分，均包含服务器设备、存储备份系统、网络基础设施、安全基础设施、视频会议及会商系统以及其他用于数据传输、存储和利用的网络通信设施。

（3） 数据资源层。数据资源层是为了合理地实现数据存储而设计的数据存储结构，采用标准数据表结构进行设计，数据存储和划分可以根据数据类型、格式和传输方式来进行，包括元数据库、指标分析数据库、公共基础数据库、水库管理业务专业数据库和管理数据库等。

（4） 应用支撑层。应用支撑平台层是为应用系统的运行提供辅助支撑，主要包括GIS平台、视频监视平台、应用服务中间件、报表中间件、工作流引擎、服务总线等。

（5） 应用层。应用层是指面向业务的各类应用服务，按照业务功能划分为水库基本信息服务、水雨情监测服务、大坝安全监测服务等业务，该业务应用层基于SOA架构进行部署，可以根据业务的实际情况进行动态扩充和删减，不仅满足当前业务需要，而且能够支持将来业务的扩展，而不影响整体的层次架构。

（6） 表现层。表现层是业务系统在客户端的具体表现，它是业务和信息的集中体现。展示的媒介包括PC客户端和移动客户端，包括Web应用系统和移动应用APP两种形式，展示方式是以BIM模型和二、三维GIS为基础实现数字孪生，展示内容包括实时展示及分析数据、文字、表格、图形等。

3 云服务平台功能设计

水库大坝安全管理云服务平台采用面向服务的思想进行设计，由数据中心、数字孪生平台、统一业务平台及搭建在该平台上的防汛管理相关信息化业务系统构成，提供多元业务应用和多级用户交互的防汛业务处理以及专业智能的决策支持，满足多业务类型、组织架构和规程规范要求。水库大坝安全管理云服务平台的功能模块涵盖县市级水利管理部门水库群管理的主体业务，旨在建立信息集中、业务全面、风格统一、交互友好的综合性水利工程管控一体化平台。系统功能所述如下：

（1） 一张图。借助于三维数字孪生，通过“一张地图”的形式展示水库相关工程的监测和统计信息，以可视化、形象化、立体化的方式将水库的主要信息进行集中展示。

（2） 水雨情。及时了解水情、雨情实时信息和历史变化过程。以表格、曲线、柱状图的形式呈现水位统计、多雨量站统计，提供环比、同比功能，实现中长期的水雨情分析。通过建立的洪水预报模型，做好来水预报，并智能提供调度方案。

（3） 安全监测。全面掌握大坝安全监测现状和变化过程，绘制实时浸润线和等值线，提供分布图对比和轮播功能以掌握浸润变化过程。通过建立回归分析、有限元分析模型为数据分析提供专业性补充。提供巡视检查在线填报、上报机制，真正实现发现问题、报告问题和解决问题的流程化管理[10]。

此外，通過数字孪生相关模型演算未来发展趋势，并运用建立的水库大坝安全诊断与预警指标方法体系，实现异常性态智能化识别和自动化预警报警，并给出初步推荐处置方案。

（4） 防洪调度。针对水库的防洪业务需求，主要从防汛值班管理、防汛物资管理、辅助应急事件处理以及闸门监控等方面支撑水库安全度汛。

（5） 灌区管理。提供可视化的灌区管理，制定灌溉计划，跟踪计划执行，按需统计灌溉实绩，实现可视化设备监控、检修维护，建立设备请购上报流程制度，实现灌区有效的调度，提供来水预报、优化配水等技术模型辅助灌区科学化管理。

（6） 电站管理。全面形象地展示电站整体运行状况，了解机组、开关站等主要设备的工作状态，展示运行参数和统计报表，实现交接班、操作票流程化管理，建立安全生产制度。

（7） 水质监测。集水质参数监测、分析于一体，具备实时可视化监测、专业模型分析、水质污染应急处置等。

（8） 视频监控。集成视频监控相关软件及硬件设备，实现水库实时视频监控及历史资料检索查看。

（9） 综合管理。不仅具有水库日常运行管理中的维修养护、管理考核、单元化管理、安全生产管理，而且整合了办公自动化系统、流程管理、档案管理等模块，更能提供数据在线可视化整编、资料分析报告自动生成功能，全面满足水库管理的信息化需要。

4 关键技术

水库大坝安全管理云服务平台在技术路线选择时通盘平衡处理运行效率、开发效率、扩展灵活性和系统健壮性，综合运用物联网、3S技术、云计算和大数据等先进技术。

4.1 基于混合存储架构的大数据存储方案

经过多次测试和比选，选用HDFS作为大数据文件存储解决方案，MongoDB分布式存储作为对象数据存储方案，MySQL分布式部署作为关系型数据和时序数据存储方案。设计了两个混合数据存储服务集群，原始数据存储集群和成果数据存储集群。系统通过ETL服务，把各水库的原始数据，第三方机构提供的水文气象数据、地形地貌数据抽取到原始数据集群进行数据存档。基于Hadoop分布式计算框架MapReduce，搭建计算模型云，搭载水情预报模型、调度演算模型、气象预报模型、回归分析模型、相关性分析模型、浸润线分析模型、渗透坡降分析模型等，并提供后续模型能力扩展接口。通过集群模型计算后，将成果数据汇聚到成果数据混合存储集群中备用。通过微服务集群调用成果数据集群中的数据，使用微服务网关进行心跳管理、负载均衡管理、服务使用权限管理等，使用WebAPI为水库管理机构、水行政管理机构、流域管理机构、第三方服务机构提供数据服务。

4.2 多级缓存热点数据交互方法

缓存是内存中存储数据备份。为保证程序的高性能、可用性，减少数据的重复存取或计算过程的消耗，对高频热点数据进行缓存处理尤为重要。

基于大数据平台下的多级缓存热点处理方法，通过采用Redis集群缓存能保证数据的安全写入、一致性（非强一致性）、可用性（容忍少量节点出错）;同时采用消息队列机制一方面能平衡用户的数据消费与集群访问关系，另一方面也能发现高频、异常数据以及实现对热点数据的统计分析等。

4.3 BIM+GIS融合技术

为应对BIM+GIS融合的技术难题，更好地实现三维BIM模型与三维地图的结合，并支撑水库大坝安全数字孪生应用，云服务平台采用国产主流的GIS软件产品，实现BIM主流数据的无损接入、BIM数据到GIS平台的精准匹配等关键技术，保证BIM数据与三维实体模型无缝对接技术，借助三维实体数据模型，实现了BIM数据在GIS平台中的分析及运算能力，为BIM+GIS应用提供了有力的技术和平台支撑。

5 工程应用

基于数字孪生的水库大坝安全管理云服務平台，专注于水库大坝安全管理业务。为验证开发的水库大坝安全数字孪生支撑成套技术与安全管理云服务平台的实际工程应用效果，在安徽省梅山水库进行了试点运用。梅山水库位于淮河中游南岸支流史河上游的金寨县境内，总库容22.64亿m3，水库以防洪为主，承担为淮河干流蓄洪的任务，是结合灌溉、发电、航运及水产等综合利用的大（1）型水利枢纽工程[11-12]。“十三五”以来，梅山水库在加快水利信息基础设施建设的同时，重点完善了水库大坝安全监测系统、防汛调度自动化系统、工程管理系统，在此基础上建设水库大坝安全管理平台。

梅山水库大坝安全管理平台以水库大坝安全数字孪生支撑成套技术为基础，整合二、三维GIS，建立数字孪生运行体系平台，接入大坝渗流渗压、变形监测、坝体温度等近300支自动化监测仪器，通过WebAPI实现监测数据实时接入，用户也可以通过操作数字孪生体实现参数设置和数据召测，与仪器设备进行互动（图3）。另外，梅山水库大坝安全管理平台还通过在数字孪生环境中建立各项监测对象的预警指标体系，实现大坝安全动态预警，为运行管理提供智能化指导。梅山水库试点运行取得了优异的应用效果反馈，极大提高了水库大坝安全运行管理水平，降低了相关技术人员的工作压力。

6 结 语

传统的信息展示方式已经不能满足新时期水库大坝监管需要，数字孪生技术为水利工程管理带来了新的展示方式，它具备全生命周期、实时或准实时、数据双向流动等特点，为水利工程管理智慧化转型提供了新理论、新技术和新模式。数字孪生在水利工程管理方面的应用还处于初级阶段，要想实现虚拟场景与现实状况完全孪生，还需将水利专业与GIS、BIM技术更好地融合，进一步实现水库大坝安全的理论突破、技术探索、业务理解和模式创新。本文提出的基于数字孪生的水库大坝安全管理云服务平台可为中国大坝安全管理运行提供借鉴。

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（编辑：李 晗）

Development and application of cloud service platform for dam safety

monitoring and management based on digital twin

LU Jianhua1，2， LIU Xiaolin1，2， ZHANG Yubing1，2， XU Kun1，2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety Research Center， Wuhan 430010， China）

Abstract： At present， the safety management of reservoir dams in China is characterized by a wide range of dam points， multi-dimensional spatio-temporal evolution of safety state， massive monitoring data with multi-source heterogeneity， and multi-level regulatory agencies. In order to improve the safety management level of reservoir dams， we carried out the research oriented to the multi-level safety supervision requirements with the main purpose of monitoring and management. On the basis of fully combing the relevant business process system， the Digital Twin technology is introduced to provide a new display mode and analysis means for the safe operation management of reservoir and dam， and the information technology with Internet of things， edge computing and cloud computing as the core is used to realize data collection， transmission， storage calculation and comprehensive utilization， and then put forward a set of cloud service platform scheme for reservoir and dam safety management based on Digital Twin， which is demonstrated in detail from the aspects of Digital Twin technology implementation， cloud service platform architecture， operation support environment construction， business function design and so on. Relevant research results have been successfully put into practical operation in Meishan reservoir dam in Anhui Province， realizing intelligent， visual， real-time and standardized monitoring and management of reservoir dam safety.

Key words： reservoir dam; cloud service platform; Digital Twin; security monitoring; security management