宜水河数字孪生平台建设方案概述

万国勇 袁媛 张国文

1中铁水利水电规划设计集团有限公司 江西省南昌市 330029

2中铁水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 前言

2021年12月23日，在水利部推进数字孪生流域建设工作会议上，李国英部长强调：要深入学习贯彻落实习近平总书记关于网络强国的重要思想、习近平总书记“十六字”治水思路和关于治水重要讲话指示批示精神，以时不我待的紧迫感、责任感、使命感，攻坚克难、扎实工作，大力推进数字孪生流域建设，积极推动新阶段水利高质量发展。2022年4月，水利部决定在获得国务院督查激励的江西等7个省份（直辖市）的河湖长制工作开展首批“幸福河湖”项目建设，用一年左右时间，完成相关水域的河湖系统治理和管护能力的提升，助力这些流域的经济发展，最终实现河畅、岸绿、水清、景美、人和。宜水河作为首批入选国家首批“幸福河湖”建设项目的江西省唯一项目，有着重要的示范意义。

宜水河位于江西省抚州市宜黄县，属鄱阳湖水系抚河流域临水一级支流，地处武夷山脉与雩山山脉向抚河平原过渡地带，东南邻抚河，西北毗临水，东北依梨溪水，发源于神岗乡杨坊村西华山东麓白石岗，干流自南向北流经神岗、圳口、棠阴、凤冈等4个乡镇，从右岸汇入临水。宜水河数字孪生平台作为宜水幸福建设项目配套工程信息化建设内容，围绕防洪、水资源调配、河湖管理等为引领的水利业务，充分应用云计算、物联网、大数据、互联网等新兴技术，将水利业务管理与新一代信息技术深度融合，实现“预报、预警、预演、预案”四预功能和数字孪生水利的目标，提升宜黄县水利行业管理和决策的信息化水平，为宜黄县新时期水利行业的高质量发展提供强大的技术支持。

1 建设目标

以需求为导向，按照水利部印发的智慧水利及数字孪生流域建设相关技术文件，根据江西省水利厅下发的《江西省数字孪生流域建设工作计划》等通知，结合宜水流域现状和水利信息化的建设情况，充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，建立全要素真实感知的宜水数字孪生流域，支撑河湖管护能力强化、防洪“四预”能力实现、水资源调配优化、幸福河湖成果展示和专项水利业务智慧应用等目标达成。

2 设计原则

宜水河数字孪生平台建设项目依据国家及行业相关标准、规范要求进行规划。为确保项目建成后能够达到预期目标，遵循“需求主导、实用可靠、先进开放、安全共享”的原则开展项目设计及建设。

项目须充分考虑水利信息化系统的特点，结合宜水流域现状和智慧水利建设情况，在充分利用好原有资源的基础上，按需要布置，做到经济合理。系统设计时注重功能的实用性，考虑不同层级用户的多样化需求，做到系统操作方便、界面直观、易学易用、所见即所得。同时系统还要方便管理，功能上对系统实施统一集中管理，能通过对系统运行日志数据的分析，进行各种功能的检测和清障［1］。

（2）可靠性原则

系统设计时应采用成熟、稳定的技术，由于需要处理、展示大量的信息数据，系统任何故障都有会带来无法可估量的损失，因此要求系统具有很高的可靠性。选取成熟并广泛使用的硬件产品，提供各类故障的快速恢复保障。

（3）先进性原则

项目的各类软件设计应采用国际上成熟先进的物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术，硬件选型应采用先进的在线监测设备和系统平台设备，保证系统不仅满足现有需求，而且具有向未来技术平滑过渡的能力。

（4）开放性原则

埋藏深度2463.90～2902.90 m，厚度439.0 m。该地层据测井解释成果反映，共有28层砂岩，砂岩总厚度为34.3 m，砂厚比为7.81%。砂岩孔隙度10.38%～28.41%；砂岩渗透率1.15～134.72 md；热储层顶板井温为80.56℃，底板温度为86.72℃。

项目应以各类国际标准、国家标准和行业标准为基础，在系统设计时充分考虑与各类标准的一致性和兼容性，软件系统支持二次开发，支持多类通信网络，支持多种软硬件接口［2］。为系统未来的扩展升级、与其他系统的互联互通提供良好的基础，从而降低系统平台的开发成本和运维成本。

（5）安全性原则

项目应充分考虑信息安全的重要性，从终端设备、网络配置、数据传输、软件系统、运行环境和管理操作等各方面充分考虑系统和信息数据安全，保证整个智慧水务项目的高效运行。

（6）互通共享原则

项目以整合已有设施数据、监测设备数据及其他现有成果，并预留通用API接口，实现资源数据共建、共享和共用，减少重复建设和投资［3］。

3 总体框架和技术路线

3.1 总体框架

按照数字孪生技术建设要求和水利现代化发展需求，设计本信息化建设项目总体架构，其总体架构分为信息基础设施层、数字孪生平台层、业务应用层和网络安全保障体系、运维保障体系，详细总体架构图如下：

3.2 技术路线

（1）云计算和虚拟化技术

本项目将通过云计算技术和虚拟化技术实现水利专题数据管理和满足用户高可靠、高性能、安全性和高适应性的要求，实现业务应用种类多、计算时效性要求高和不断扩展的业务应用的计算需求，从而提高自动化管理水平和节约投资。

云计算技术是新一代IT模式，它能在后端庞大的云计算中心的支撑下能为用户提供更方便的体验和更低廉的成本［4］。

云架构共分为服务和管理这两大部分：

◎服务主要以为用户提供基于云的服务为主，主要有SaaS （Software as a Service） 服务、PaaS（Platform as a Service）服务和IaaS（Infrastructure as a Service）服务。从用户角度来看，这三层服务提供不同的服务，面对的用户也不相同，它们是相互独立的关系；从技术角度来看，这三层服务是有一定依赖关系的，并不是独立的。

◎在管理方面，主要是确保整个云计算中心安全稳定运行和有效管理。

（2）面向服务的体系结构

本项目建设将采用SOA 架构来进行设计和建设，把应用程序的不同功能服务通过定义好的接口和协议联系起来。采用中立的方式进行定义的接口，构建统一和通用的方式进行交互。

这些中立的定义接口，有服务之间的松耦合的特征。可以灵活组成整个应用程序的每个服务，当内部结构发生改变时，服务能够继续存在。应用程序需要根据业务的需要灵活地采用松耦合系统，以适应不断变化的环境及业务。

（3）基于微服务的部署架构

微服务架构是在云中部署服务和应用的一项新技术，微服务可以在自己的程序中运行，可以将服务公开与微服务区分开来。在服务公开中，需要增加某种功能时就必须缩小进程范围，服务可以被内部独立进程限制；而在微服务中增加某种服务中所需的功能，不会影响整体进程的架构。

（4）基于地理信息服务的技术架构

地理信息服务平台可划分为空间数据生成与处理、空间数据交换以及地理信息集成应用三个部分地［5］，三个部分通过网络有机地连接在一起，从信息获取、处理、分发、传输、管理、表现以及集成应用等形成一个完整的地理信息服务网络化共享平台。

4 结束语

宜水流域水系错综复杂，产业密布，水资源条件有限，水利工程管理和防汛工作任务十分繁重，流域防洪减灾能力对区域产业经济和社会稳定发展影响很大。近些年来，恶劣气候时有发生，极易形成洪涝灾害。因此，对宜水河的防洪排涝、水资源调度能力提出了更高的要求。加强水利信息化建设，及时准确地获取信息、提供决策、处理突发暴雨等事件，显得尤为必要。

宜水流域水利工程类别较多，主要包括水闸、泵站、堤防等，日常管理工作涉及众多方面，包括对水利工程运行监控、巡查管理、取排水调度、日常办公等，数据量庞大，随着信息技术的飞速发展，特别是当前正处于智慧水利、孪生水利发展的关键时期，对水利工程管理工作提出了更高要求，需要建立现代化、智能化的自动化监控和信息化管理体系，革新传统手工管理手段，利用先进的物联网、大数据、云计算等技术，从整体上提高水利工程智能化管理水平、工作效能和保障能力。