数字孪生工程数据底板建设与应用——以南四湖二级坝工程（试点）项目为例

李 智，胡文才，刘媛媛，陈 胜，曲 伟，郝 苗，金炎辉

（1.水利部淮河水利委员会沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），221018，徐州；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京；3.水利部数字孪生流域重点实验室，100038，北京）

根据水利部《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》以及推进数字孪生流域建设工作会议部署，南四湖二级坝水利枢纽被列入水利部11 项先行先试数字孪生工程。数据底板要按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，汇集流域基础数据、监测数据、业务数据、共享数据和地理空间数据，利用大数据治理、挖掘等手段，实现多源多尺度数据的汇聚、治理、分析、管理和调用，为模型计算和知识推理提供大数据支撑，为智能业务应用与展现提供数据和载体。

南四湖水系位于山东和江苏两省交界，流域面积31 180 km2。南四湖是我国第六大淡水湖，湖腰最窄处（昭阳湖中部）的二级坝枢纽将南四湖分为上级湖和下级湖。二级坝枢纽不仅具有防洪、蓄水、灌溉功能，还兼具水产养殖、航运、旅游等功能，由水利部淮河水利委员会沂沭泗水利管理局（以下简称沂沭泗局）负责其相关建设。南四湖防洪工程主要包括湖西大堤、湖东堤、二级坝枢纽、韩庄枢纽、蔺家坝枢纽及湖东滞洪区等。

一、数据底板建设难点

1.算据基础薄弱

沂沭泗局在水利感知方面比较欠缺，现有的水利感知信息系统为各业务系统单独建设，缺乏统一的水利感知网。现有监测网络覆盖面不够，监测要素不全，缺乏实时性；数据底板方面，缺少工程实体模型、倾斜摄影、重点工程BIM 模型等数据，现有地理空间数据未能动态更新，难以建立数字化场景。

2.数据共享困难

沂沭泗局信息化系统依托不同项目和业务建设，各系统完全独立，信息采集和传输各自独成体系，没有建设统一的数据接收、传输、存储和应用数据平台，各业务数据之间没有统一要求和服务标准，各业务应用系统间无法以联动方式访问，信息无法共享，从而导致业务数据共享存在壁垒，数据资源未进行整合。同时，沂沭泗局与其他流域管理机构和地方水行政主管部门之间尚未建立共建共享机制，数据共享也存在很大难度。

二、解决措施

针对南四湖水系在数据底板方面存在的短板和不足，按照“整合资源、集约共享”的原则，沂沭泗局建立专业技术团队，从完善南四湖信息化基础设施出发，整合各业务应用系统数据，加强与外单位合作共享，从数据类型、质量、融合和分析计算等方面优化完善南四湖数据底板。

1.不断完善算据

数字孪生数据底板建设，要求以全要素的信息作为支撑。沂沭泗局在有限的资金条件下无法做到全要素信息采集，通过接入已有的水文水资源感知信息、业务管理信息、共享气象信息、地理空间信息，再对感知体系进行完善，建设2 处水文测站，改造3处视频监控点，完善3 处工程监测设施，安装3 套远程警示系统；搭建二级坝一、二、三闸及溢流坝BIM模型，以及闸区倾斜摄影和南四湖湖区三维模型。不断完善算据，解决数字孪生南四湖数据底板的搭建问题。

2.整合业务数据

针对沂沭泗局目前各业务应用系统建设存在的“信息孤岛”问题，项目通过信息抓取、整合共享，打破曾经的数据壁垒，将数据整合到统一的数据底板，初步构建相对完善的业务数据流程。通过南四湖数据底板汇聚、治理各业务数据，实现数据的统一接收、统一存储、统一管理、分开应用，系统间高效快速联动，支撑模型和知识平台运行，服务上层应用。

3.实现数据共享

沂沭泗局内部业务系统之间，通过数据底板的信息整合，调用其他业务系统产生的各类数据，解决内部业务数据不连通不共享的问题。根据水利部数字孪生共建共享相关要求，将沂沭泗局数字孪生建设形成的有关数据信息通过共享平台上传给淮委本级、相关水利部门和其他单位。沂沭泗局也可以通过共享平台调用水利部L1 级和流域L2 级数据底板，并提供L3 级工程仿真模型以及工程基础数据、雨水情监测数据、安全监测数据、社会经济数据等共享服务，通过共享服务接口、地址及离线数据上传等方式，供水利部、淮委的数字孪生平台进行调用展示。

三、数据底板框架及主要建设内容

根据水利部数字孪生流域建设相关规范，结合流域特点，构建南四湖流域数据底板。将实时监测数据、水利基础数据、业务数据、空间数据、社会经济数据、气象数据汇聚接入业务信息资源库的全量数据区。系统根据数据模型设计成果，对全量数据区的数据进行规范化处理、融合去重处理等，将数据抽取到核心数据层，以满足流域防洪业务应用要求。最后将核心数据层的数据进行发布，以地图服务和数据接口形式对外提供数据共享，支撑“四预”平台、模型平台和知识平台的数据应用，详细内容见图1。

图1 数据底板框架

1.数据汇聚

（1）基础数据

基础数据包括二级坝所在的南四湖水系范围内流域、河流、湖泊、水库、堤防、水闸等各类水利对象的主要属性数据和空间数据。比如，水库的主要指标包括位置、规模、库容、水库类型、工程建设情况、运行状况、工程等别、工程规模、开工时间、建成时间等；水闸的主要指标包括位置、规模、过闸流量、水闸用途、水闸类型、工程建设情况、闸孔数量、装机功率、设计装机总容量、水闸归口管理部门等。基础数据共计汇聚了28类数据，数据量约为16 GB。

（2）监测数据

监测数据主要包括雨水情、视频、工情等数据。雨水情数据包括实时雨情数据、河道的实时水情数据（水位、流量等）、水库的实时水情数据（库水位、蓄量、出库流量等）等；视频数据包括已经建设的视频监控数据；工情监测数据包括工程运行状况数据、闸门开度等数据。监测数据共汇聚了4 类数据，数据量约为50 GB。

（3）业务数据

业务数据主要包括水行政执法、流域防洪、风险普查等数据，共汇聚了20类数据，数据量约为12 GB。

（4）跨行业共享数据

跨行业共享数据包括通过其他行业部门可以获取共享的社会经济、行政区划等相关数据，共汇聚了12 类数据，数据量约为13 GB。

（5）地理空间数据

地理空间数据是数据底板建设的重点，主要包括DOM、DEM、倾斜摄影模型、水下地形、BIM 等内容。从数据精度和建设范围划分，可以分为L1、L2、L3 三级。共汇聚了19 类数据，数据量约为1.3 TB。

2.数据融合处理及质量控制

（1）统一时空基准

时间基准以公历纪元作为采用的日期、北京时间作为采用的时间。CGCS2000 和1985 年国家高程标准作为空间定位基础。

（2）统一数据格式

实现shp、mdb 等常用数据格式无损转换，对不同来源、不同种类的时空数据，需要统一格式标准。针对非常用格式的数据（如AutoCAD 的dxf（dwg）、MicroStation的dgn 等），需要通过转换统一数据格式。

（3）主题库建设

对数据底板的数据进行存储设计和管理。每一种数据源都有其特性和独有使用场景，数据存储需采用抽象技术，松耦合集成不同特性，针对场景选择最合适的存储方式。根据数据类型、数据体量、使用方式等，将数据库与数据存储逻辑划分为全量层数据库、核心库、主题库。为了提高数据质量，充分发挥数据的价值，需要结合坐标转换、格式转换、数据脱敏等数据治理工具，基于可视化流程方式，对数据进行汇聚和治理，满足数据发布和应用支撑需求。

①全量层数据库：数据主要来自于业务数据库，对业务数据不进行任何处理，存储在全量层数据库中，以核心库的水利对象分类模型目录结构进行分类存储，为上层数据提供统一的数据调用入口。全量层数据库采用HDFS存储，主要存储全量的内部业务数据、互联网抓取数据及其他外部数据。

②核心库：主要存储水利基础对象数据、水利业务数据以及其他相关数据，在核心库层需要进行基础对象建模及业务数据建模，全部数据会根据建立的关系模型进行组织存储。采用关系型数据库存储及对象存储，关系型数据库主要存储水利基础对象数据、业务数据、监测汇总数据、空间数据，对象存储则用来存储多媒体数据。

③主题库：面向特定主题，在主题库完成报表或者指标的统计，采用HDFS 存储，主要存储由核心库汇总统计后的主题分析数据。

（4）数据脱敏

数据脱敏工具可对平台数据库中的敏感信息进行脱敏处理并提供追溯依据，为数据共享、迁移、分发提供安全保护措施。

（5）地图服务发布

将治理后的数据进行配图和符号化，发布到服务器端，应用系统可通过接口方式进行调用。发布服务的类型包括OGC 服务（WMS、WMTS、WFS、WCS、WPS)、网络地图服务等。

（6）数据质量控制

数据底板数据审核分为三个阶段：第一阶段是对调研收集到的数据资料进行完整性检查，该阶段主要依靠人工目视审核；第二阶段是按照数据标准规范对加工处理后的数据进行检查，以确保数据符合汇聚入库标准，该阶段采用人工与工具相结合的方式，对数据进行质检；第三阶段是基于数据模型设计标准，通过软件自动审核方式对汇聚入库的数据进行质检，只有质检通过的数据才能上线共享。

3.数据模型设计

数据模型在数据底板中具有承上启下的作用，实体对象可能包含基本属性信息和其他补充属性信息等多种关联表，实体与数据库中的表是一对多的关系。以南四湖和二级坝枢纽工程为例进行数据模型设计。该模型实例主要包含两项内容：实体属性和实体关系。

实体属性包括：①二级坝水闸以水闸标识为核心关联水闸的基本信息、设计信息、历史运行信息、电动机信息、启闭机信息、闸门信息、变压器信息和发电机信息等相关信息；②湖泊以湖泊标识为核心关联湖泊基本信息、特征值和历史运行信息；③堤防以堤防标识为核心关联堤防的基本信息和安全鉴定信息；④测站以测站标识为核心关联测站的基本信息和监测信息。

实体关系包括：①二级坝枢纽与南四湖的位置关系；②二级坝枢纽与各水闸之间的包含关系；③南四湖与上级湖、下级湖的包含关系；④上级湖与下级湖的流入关系；⑤湖泊与河流之间的流入、流出关系；⑥堤防与湖泊之间的位置关系；⑦测站与水闸之间的监测关系。

4.管理平台开发

以南四湖二级坝水利数据资源需求作为切入点，在数据治理基础上，搭建数据资源共享管理平台，对数据的生命周期、质量、标准、安全隐私、元数据等进行全方位管理，最终实现“统一模型、一数一源、共建共享、授权使用”，避免数据冗余和重复。

（1）数据概览

以全局概览视角，聚焦二级坝数据资源整体情况，展示现有数据资产，实现多方位、多角度的数据资源统计及管理。

（2）数据目录

将脱密之后可对外公开的数据资源，以目录的方式对数据进行梳理展示，基于水利数据分类设计不同目录，可以查看目录中数据的基本元信息和缩略图，并可以根据数据来源对目录展示成果进行筛选。

（3）服务目录

针对脱密之后可对外公开的数据服务信息，将服务目录分为空间服务和数据服务两大目录，提供可按照名称模糊检索的功能，并针对检索结果按照发布时间、访问量和服务名称进行排序。空间服务可以提供基础数据、监测数据、跨行业共享数据、业务管理数据和地理空间数据分类查看服务；数据服务提供监测数据查看服务。

（4）数据清单

实现实时展示平台数据资源清单，包括数据分类、数据名称、数据来源、收集日期、收集人、联系人、数据格式和数据描述等信息，提供多样化管理手段。本项工作最大的特点是在数据底板运维工作中能够实现疑问信息“溯源”。在数据使用过程中，发现数据有异常，可以根据登记的信息找相关人员进行核对，纠正错误信息。

四、数据底板的主要应用

1.工程仿真

以南四湖流域L1、L2、L3 级数据底板数据为支撑，融合了U3D 引擎，建成数字孪生南四湖二级坝工程仿真平台。平台场景可以展现实时气象、水情、监测等信息，动态展示南四湖流域相关信息和二级坝直管工程运行状况。

2.模型平台

数据底板为模型平台提供基础数据服务、地理空间数据服务、监测数据服务等，支撑各类水文模型、水动力学模型、调度模型、智能模型、渗流模型和知识平台运行。

3.知识平台

数据底板作为知识平台的主要数据来源，为知识平台提供治理后的数据成果和数据服务，知识平台基于自然语言处理引擎和知识图谱技术，提取水利知识数据，建设知识图谱库、调度方案库、历史场景库、业务规则库和专家经验库，支撑南四湖防洪“四预”业务，为流域洪水预报、水闸优化调度和安全运行管理提供知识驱动。

4.防洪调度

基于南四湖数据底板，运用水利专业模型，结合知识平台知识驱动，建成具有“四预”功能的南四湖防洪调度系统。系统主要包括实况、预报、预警、预演和预案五大功能。其中实况模块以数据底板中的GIS 底图为场景，展示南四湖流域降雨及水情信息。同时提供实时的卫星云图、雷达信息、台风及降雨预报气象信息查询服务。

5.运行管理

通过数据底板数据支撑，利用知识平台中泄量纠偏知识驱动，调用模型平台AI 智能识别模型、渗透模型，建设二级坝水闸综合管理系统。系统包括数据总览、调度仿真、工程管理、综合应用、指令管理、安全预警、直管工程七大功能。其中总览模块以GIS 地图为底图，左右两边分别展示了工程检查次数及记录、指令执行、视频监控等内容，可以整体查阅水闸运行状况。

五、主要特色

1.数字孪生工程业务全覆盖

在数据底板建设之前，各类数据相对割裂，传统业务数据治理、空间数据治理、IoT 数据治理、档案类数据治理等“分而治之”，相互之间无法融合，形成了新的“数据孤岛”。通过提升数据底板的一体化治理功能，对数字孪生工程各类数据进行综合治理，可以实现对多源异构数据进行统一汇集、入湖、建模、质检、开发、服务等全生命周期过程的治理，实现数字孪生工程业务全覆盖。

2.以工程为核心构建时空数据模型

数据底板覆盖了江河湖泊、水利工程、监测站、基础设施对象、其他管理对象等五大类对象，积累了流域、河流、水库、物联网监测站、水文测站、行政区划、道路等40余种实体关系模型、实体基础信息模型、实体业务过程模型及实体空间模型。在数据建模过程中，以工程为核心、支撑防洪“四预”和水资源“四预”等业务应用为目的，建立业务全覆盖的时空数据模型。

3.汇集质控一体化数据治理流程

通过数据底板，实现多来源、多类型空间数据的自动化接入与处理、质检与入库。数据底板内置时空数据质检算子，包括数据有效性、完整性、唯一性、一致性、拓扑关系、拓扑规范性、数据规范性、上图规范性、图属一致性等检查，支持数据表级及字段级、文件级、数据模型级质检。

六、结语

数字孪生工程是实现智慧水利的主要任务之一，数据底板是数字孪生工程的必备支撑。通过数字孪生南四湖二级坝工程（试点）项目，构建了包括数据汇集、数据融合处理及质控、数据模型设计、管理平台等核心内容的数据底板。建设成果具有数字孪生工程业务全覆盖、以工程为核心的时空数据模型、汇集质控一体化数据治理流程等特色。下一步将根据数字孪生南四湖二级坝先行先试建设总结技术成果和建设经验，逐步推进沂沭泗数据底板建设工作，为沂沭泗水利高质量发展提供基础数据支撑。