数字孪生佛子岭水库群工程设计探索

田向忠 吴 靖

（安徽省佛子岭水库管理处，六安 237000）

0 引 言

国家“十四五”纲要明确要求，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。水利部部长李国英提到要充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，建立覆盖全域的水资源管理与调配系统，推进水资源管理数字化、智能化、精细化[1]。《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试实施方案》中要求以数字孪生水利工程建设为切入点和突破口，在重要水利工程开展数字孪生工程建设先行先试，示范引领数字孪生流域建设有力有序有效推进[2]。

佛子岭水库群是淮河流域的重要水利枢纽工程，经过多年建设积累，水库工程在监测感知、网络通信、业务应用系统及基础环境方面具备一定规模的信息化基础，为数字孪生工程建设提供了较好的基础条件。基于水库群工程信息化的建设基础，开展数字孪生佛子岭水库群工程建设是践行智慧水利建设，切实推动新阶段水利高质量发展的有效路径。

1 工程概况

佛子岭水库群是由佛子岭、磨子潭、白莲崖3座年调节的大（2）型水库构成的串并混联的水库群。3座水库工程均位于安徽省霍山县境内、淮河南岸支流淠河的东支流中上游，均是以防洪和灌溉为主、结合城市供水和发电等综合利用的大型水利水电枢纽工程，是淮河流域重要控制性节点工程，防洪标准均为100 年一遇洪水设计、5 000 年一遇洪水校核。自2010 年实现3 座水库联合调度以来，承担下游20年一遇洪水的防洪安全和淮河干流滞洪、错峰等防洪功能。灌溉供水方面，能充分保障淠河下游灌区农业供水和生态供水安全，并满足下游沿途城镇特别是合肥市的供水需求。

佛子岭水库坝址上游总控制流域面积为1 840 km2，总库容4.9 亿m3。磨子潭水库位于佛子岭水库上游东支流黄尾河，控制流域面积570 km2，总库容3.5亿m3。白莲崖水库位于佛子岭水库上游西支流漫水河，控制流域面积745 km2，总库容4.6亿m3。

2 系统现状与需求分析

佛子岭、磨子潭、白莲崖3座水库由安徽省佛子岭水库管理处统一管理。前期各水库先后建设了闸门监控、水雨情监测、大坝安全监测、视频监控、水库预报调度软件等自动化监测监控系统，但部分系统老旧，厂家不统一，前期无统一规划，导致系统条块分割、体系架构分散。2022年新建一体化管控平台，实现水雨情监测、工程安全监测、视频监控和水库预报调度系统业务关联与交互，完善工程数字化门户应用。但仍有部分监测设施老旧或损坏、监测覆盖不全，数据共享机制不完善、数据资源整体开发利用程度低，信息技术和水利业务融合不深入、不能全流程支撑业务工作，综合分析和决策支持能力弱等问题，仍有较大的提升空间。

基于以上现状，为保障佛子岭水库群工程安全可靠、科学高效运行，以运管业务需求为导向，完善3座水库测控感知。综合运用二维、三维可视化技术搭建数字孪生场景，建设数字孪生平台，推进佛子岭水库群标准化管理工作的可视化、精细化、专业化、现代化，确保佛子岭水库群预报精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化，建成具有“四预”功能的数字孪生佛子岭水库群工程，保障各水库工程安全稳定运行与综合效益最大程度发挥，提升水库群即时、精准调度决策管理能力。

3 系统设计

3.1 总体架构设计

3.1.1 框架设计

遵循“统筹集约、先进实用、安全可靠、迭代升级”建设原则，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化[3]。总体框架主要分为4 个层级，即信息基础设施层、数据底板、应用支撑平台、业务应用层，如图1所示。

图1 总体框架图

（1）信息基础设施层包括监测感知体系、自动化控制、网信基础设备、实体环境。监测感知体系包括大坝安全监测、水雨情监测、视频监控等专业的监测感知设备；自动化控制主要是闸门自动化监控系统设备；网信基础设备包括通信网络设计、计算存储设备；实体环境包括机房环境、会商中心、调度中心。

（2）数据底板包括数据资源和数据引擎。数据资源包括L1、L2和L3级地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据。数据引擎包括数据汇聚、数据治理、数据挖掘、数据服务等功能。

（3）应用支撑平台包括基础支撑平台、模型平台、知识平台。基础支撑平台包括权限管理、统一认证、事件管理、报表组态、流程管理、告警服务、画面组态、表单管理等；模型平台包括大坝安全智能分析、洪水预报、水库群联合调度等水利专业模型，视频识别模型，可视化模型，模型引擎；知识平台包括预报预案调度方案库、工程安全知识库、业务规则库、知识引擎等。

（4）业务应用层包括工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、综合决策支持、移动App、工程标准化管理等智能业务应用。

3.1.2 部署架构设计

在部署架构设计方面，系统总体上分为3层，如图2所示，从下往上，第1层是现地层，部署闸门监控传感器、大坝安全监测传感器、视频摄像头、水位雨量传感器等；第2 层是管理所层，白莲崖、磨子潭两座水库分别部署了闸门监控系统、大坝安全监测系统、视频监控系统，闸门监控系统可采集闸门运行状态等数据、进行闸门控制、查看闸门运行情况，大坝安全监测系统可采集水平位移、垂直位移等监测数据、查看大坝安全分析情况；视频监控系统可采集视频监控数据、查看站点实时视频；第3 层是调度中心层，即佛子岭水库管理处，部署数字孪生系统，该系统以监测感知体系、自动化控制、网信基础设备、实体环境等信息基础设施为基础，以数据底板为底座，以基础支撑平台、模型平台、知识平台为支撑，发挥数字孪生水利工程的数字映射、智能模拟、前瞻预演作用，以工程安全、防洪调度、工程运营、综合决策为核心目标，实现工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、工程标准化管理、综合决策支持、移动App等业务应用。

图2 部署架构图

3.1.3 网络架构设计

在网络架构设计方面，佛子岭水库管理处划分为控制区、业务内网区、外网，如图3 所示，在控制区设控制网，用于承载实时性要求最强、安全性要求最高的闸门监控、水情测报信息。在业务内网区设管理网，用于承载视频监控、移动巡检等相关业务应用系统的信息。在控制网与管理网之间通过单向隔离设备进行联通，保证控制安全。业务外网区提供互联网接入业务，用于门户服务、网上信息查询等。业务外网与业务内网管理区接口通过配置强隔离设备，确保各类监控系统的安全。

图3 网络架构图

3.1.4 数据架构设计

在数字孪生平台的框架下，根据系统功能业务的要求和特性，设计公用模型资源数据库、水雨情数据库、闸门监控数据库、工程安全监测数据库、防洪调度数据库和工程管理数据库等数据库，并设计业务专用数据存储表，通过业务对象内部通信和数据对外服务机制，构建数字孪生佛子岭水库群数据库，其结构如图4所示。

图4 数据库结构示意图

3.2 关键技术

3.2.1 视频图像识别

佛子岭水库群管辖区域多，仅靠人力进行监视和巡查无法满足需要，需通过视频图像识别分析技术对库区视频图像中人、物、车等目标进行智能化分析，帮助管理人员实时掌握各水库运行情况，为水库安全运行、应急处置提供辅助工具。

视频图像识别是通过对视频特征进行分析和处理，从而识别出视频中所表现出的行为，过程可分为信息获取、预处理、特征抽取和选择、分类器设计和分类决策[4]。结合佛子岭水库群工程对视频图像识别的场景要求，设计视频图像识别分析平台，如图5 所示，主要包括配置管理、分析任务引擎、报警规则库。

图5 视频图像识别分析平台示意图

配置管理主要包括分析任务管理、算法模型管理、视频流管理。算法模型和视频流是实现分析任务的重要部分，通过分析任务管理模块将生成的分析任务下发到redis数据库，由分析任务引擎实时获取执行。分析任务引擎是整个分析平台的核心服务，包括人员入侵、车辆监测、钓鱼识别等多种场景算法模型，可对分析任务绑定的视频流进行实时处理与分析，将预处理的图像数据进行特征提取、选择，以及分类决策等，最后将识别结果上传到redis数据库中。报警规则库作用于分析任务的识别结果，综合判断后将满足业务场景报警条件的识别结果推送到平台前端页面展示。

3.2.2 知识图谱技术

知识图谱技术可对原本多专业、多来源、多结构分散的水利知识实现自动化提取、加工、推理和融合，以结构化的形式储存、呈现客观世界中的概念及逻辑。并结合大数据、深度学习等技术手段开发智能应用，挖掘关联数据关系中的潜在价值，能够为水利管理提供高质量的决策辅助[5-6]。

（1）调度知识图谱。围绕佛子岭水库群调度需求，构建防洪调度、预泄调度、灌溉供水调度、生态调度等多种调度场景，梳理不同场景下调度目标、调度尺度、调度周期、调度类型、调度边界、场景数据（输入输出），为知识图谱构建提供基础。结合不同调度场景特点，收集整合、分类提取同类数据信息和关键特征，构建调度方案对应的知识实体，建立实体间的关联关系，通过将不同的知识实体单元进行有机组织，形成调度场景知识图谱，表征场景方案特征。结合目标场景边界，提取场景关键要素信息如水库水位、流量、工况等，基于多维关联规则、大数据及多维空间距离分析等技术方法，从调度知识库中进行匹配分析，结合历史调度方案，推荐当前场景下匹配度最佳的调度计划方案。为用户提供多调度场景方案复盘功能，可根据目标场景特征进行方案对比、指标统计及风险研判，以供用户决策[7]。

（2）工程安全知识图谱。将工程风险隐患、隐患事故案例、事件处置案例等在内的工程安全知识进行抽取、融合，构建工程安全知识图谱，为保障工程安全提供智能知识化依据。如建立水库设备各种运行异常状态与设备异常原因及维修方案之间关联，当设备出现异常预警时，主动向运维人员推送预警信息及对应的维修方案，以便在进行工程设备检修时降低运维难度，简化运维流程，提高运维效率，降低运维成本。

3.2.3 联合防洪调度

佛子岭水库群是由佛子岭、磨子潭、白莲崖水库串并混联的水库群，其中白莲崖水库和磨子潭水库先并联，然后再与佛子岭水库串联，为了能充分发挥水库群的防洪兴利效益，需针对水库群的实际情况，建立三库联合防洪优化调度模型，才能使三库达到设计洪水标准，且产生最大兴利效益的汛限水位组合。

该优化调度数学模型以水库群总兴利效益最大为优化目标函数；以遭遇5 000 年一遇校核洪水时不超过校核洪水位为约束条件；同时重视上游的白莲崖水库和磨子潭水库对洪水调蓄作用，并综合考虑了下游防洪限制、白莲崖水库为佛子岭水库承担防洪任务、各库的水位库容关系、水位泄流关系等因素[8-9]。具体情况如下：

（1）目标函数。由于佛子岭、白莲崖、磨子潭3座水库均可以发电兴利，且需要满足下游灌溉要求，因此，优化模型的目标函数应该同时考虑发电和灌溉要求，是典型的多目标问题。为使发电目标和灌溉目标协调，需对发电兴利和农业灌溉进行处理，使库存电量乘以上网电价，以及库容乘以水费单价，将发电兴利和农业灌溉均直接转化为经济利益，然后以其和最大为目标函数。具体公式如下：

式中：VFX为佛子岭水库兴利库容，m3；VMX为磨子潭水库兴利库容，m3；VBX为白莲崖水库兴利库容，m3；CF为佛子岭水库发电耗水率，m3/kW·h；CM为磨子潭水库发电耗水率，m3/kW·h；CB为白莲崖水库发电耗水率，m3/kW·h；Pe为佛子岭水库群的上网电价，元/kW·h；Pi为安徽省农业灌溉水费，元/m3。

（2）约束条件。校核水位限制：在发生5 000 年一遇洪水时，佛子岭水库水位不得超过129.80 m；磨子潭库水位不得超过203.93 m；白莲崖库水位不得超过234.50 m。下游防洪限制：当佛子岭水库水位超过汛限水位但低于防洪高水位时，按水库下泄流量不超过3 450 m3/s控泄。防洪设施运行限制：佛子岭水库水位超过防洪高水位时，全开泄洪设施泄洪；当磨子潭库水位高于汛限水位时开启新、老泄洪洞泄洪；当磨子潭水库超过汛限水位时且能开始溢洪道时，开启溢洪道泄洪；当白莲崖水库超过汛限水位时，全开泄洪设施泄洪。水库水位泄流能力关系：

式中：QF为佛子岭水库下泄流量，m3/s；QB为白莲崖水库下泄流量，m3/s；QM为磨子潭水库下泄流量，m3/s。水位库容关系，包括水库库容关系和库容水位关系等：

式中：VF为佛子岭水库库容，m3；VB为白莲崖水库库容，m3；VM为磨子潭水库库容，m3；ZF表示佛子岭水库水位，m；ZB表示白莲崖水库水位，m；ZM表示磨子潭水库水位，m。

白莲崖水库承担佛子岭水库的防洪任务。当佛子岭水库水位大于某个特定值且白莲崖水库水位小于某个特定值时，白莲崖水库关闭溢洪道，当白莲崖水库水位大于此特定值时，溢洪设施全开。

（3）三库的汛限水位浮动范围。在进行最优汛限水位求解时，依据佛子岭水库、磨子潭水库及白莲崖水库的实际情况，给定联合优化调度模型取值范围，佛子岭水库、磨子潭水库及白莲崖水库汛限水位浮动范围分别为114.56～124.56 m、174.50～184.50 m 及197.00～207.00 m，其汛限水位浮动的最小间隔为0.10 m。

3.3 功能设计

功能应用包括工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、标准化管理、综合决策支持、移动应用App等内容。

3.3.1 工程安全智能分析预警

工程安全智能分析预警包含工程安全分析评估、智能告警与多系统联动、视频识别行为分析3部分。

（1）工程安全分析评估通过调用相关的统计模型、混合模型、确定性模型等，对工程安全监测数据等进行综合分析、挖掘，根据事先选定的预测模型预测工程变形、渗流、应力应变等重要监测物理量所表征的工程安全性态及其演化趋势，及时发现安全隐患。

（2）智能告警与多系统联动是基于孪生平台的数据底板，对水库的闸控、雨水情、大坝安全监测等多业务的监测数据与告警指标进行综合对比分析，实现智能报警与多系统联动及与App 交互等功能，提升水库的自动化管理水平及预防性维护决策能力。

（3）视频识别行为分析借助安装的智能视频监视及安防系统，针对水面漂浮物，游泳、钓鱼、入侵人员等场景，对视频进行识别、检测、分析、跟踪，并针对危险事件进行记录、报警，帮助管理人员实时掌握各个水库运行情况，为水库的安全运行、应急处置提供辅助工具。

3.3.2 防洪兴利智能调度

防洪兴利智能调度包含预报、预警、预演、预案管理。预报是基于数字孪生系统实现流域水位雨量数据的态势感知，进行气象水文耦合预报、洪水自动预报等。预警是系统接入洪水预报所需的所有水文监测站点，实现防洪业务的过程预警、结果预警等。预演是基于三维场景实现防洪调度方案仿真预演，根据预报来水结合历史洪水场景，实现不同方案和边界条件下的调度结果预演，主要包括上下游淹没预演、水库调度预演、闸门调度预演。预案管理是基于调度方案对比，推荐最优调度方案，针对洪水预报成果、实时汛情信息、调度边界等方面，生成防汛调度方案，并实时动态监控预案执行情况，提供更加精细化决策支撑。

3.3.3 工程标准化管理

工程标准化管理业务涉及远程集控、调度运行、工程状况管理、安全管理、工程巡查、项目管理、水行政执法、协同办公系统、综合事务、系统运维，以及水环境、水生态、水文化展示系统等方面内容。同时通过构建水库群运行调度、安全管理、工程巡查等关键应用场景，实现可视化的水库场景化联动管理数字孪生应用，形象展示工程关键业务的数据指标以及执行情况，提供“一站式”决策支持，有效增强水库群的调度能力。

3.3.4 综合决策支持

综合决策支持包含二维、三维一体化综合展示，工程数字化门户升级，应急会商决策3部分。

（1）二维、三维一体化综合展示是基于二维、三维GIS构建满足用户需求的远程监控、信息查询、统计分析等方面的服务功能，采用可视化手段展现服务内容，实现对流域、水库、闸门、大坝等关键要素的综合态势监测，对闸门监控、大坝安全监测、雨水情监测等各业务领域关键指标的综合可视展示，实现佛子岭水库群管理综合运营态势全景掌控。

（2）工程数字化门户升级是基于数字大屏理念，深入分析工程日常管理业务和管理场景，利用大屏数据可视化应用组件，以及表格、图形、控件、图片、视频等多种可视化元素，深度融合各个业务子系统重点管理事项及应用数据体系，形成前后台联动的决策支持专题大屏。当业务系统数据更新时，前台及时更新，时刻掌握最新数据。

（3）水库安全是水利安全生产工作的重中之重，按照“平战结合”的原则，以佛子岭、磨子潭、白莲崖水库大坝安全管理应急预案数字化管理为主线，实现水库工程危险源辨识与管控、大坝突发事件应急组织、监测预警、应急信息报送、应急启动与响应、应急处置、应急宣传演练等应急信息管理功能。

3.3.5 移动应用App

利用先进的移动信息服务平台，建设一个与业务应用和功能相匹配的移动应用环境，发挥移动调度便利、便捷、时效性强的特点，为不同业务人员提供全面、快捷、简便、高效的移动化办公手段。工作人员随时随地全面掌握水库群运行状况、实现对水库群的实时监管，为水库防汛调度和应急响应提供有力保障。

4 结 论

佛子岭水库群是淮河流域的重要水利枢纽工程，现有的工程信息化管理已不能满足其联合调度智能分析、精准控制及智慧协同运用等高级应用需求。本文结合佛子岭水库群工程特点开展数字孪生系统需求分析，对系统架构、关键技术、功能应用等进行研究与设计，构建数字孪生水利工程，实现水库工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度、工程标准化管理、综合决策支持、移动应用App 等业务的数字化转型和智能化升级，为推进数字孪生工程建设提供借鉴。