智慧水利建设是新阶段水利高质量发展的最显著标志之一。近年来，江垭皂市工程已初步形成了信息化支撑的业务平台体系，但仍存在监测感知能力不足、数据资源整合共享困难、业务应用智能化不高等短板。

数字孪生江垭皂市工程建设方案研究

卢金友¹，王志宏²

（1.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2.长江水利委员会湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司，长沙 410000）

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摘 要：智慧水利建设是新阶段水利高质量发展的最显著标志之一。近年来，江垭皂市工程已初步形成了信息化支撑的业务平台体系，但仍存在监测感知能力不足、数据资源整合共享困难、业务应用智能化不高等短板。梳理了江垭皂市工程已有系统建设情况，对表对标数字孪生工程建设技术要求，提出了数字孪生江垭皂市工程建设方案，包含数字孪生平台、信息化基础设施、智能业务应用、网络安全体系和共建共享等内容，探索了数字孪生水利工程建设模式。研究成果可为长江流域数字孪生工程建设起到典型示范作用，为推进智慧水利建设提供参考依据。

当前，随着云计算、物联网、大数据、人工智能等高新技术的逐步成熟，“智慧水利”正在从理论研究走向实际应用，水利信息化转型发展正迎来新的窗口期，推动水利发展向数字化、网络化、智能化转变的技术条件已经具备[1-2]。水利部党组高度重视智慧水利建设，将其作为推动新阶段水利高质量发展的六大实施路径之一以及新阶段水利高质量发展最显著的标志之一，水利部部长李国英亲自布局顶层设计，要求按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”，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，全面推进算据、算法、算力建设，构建数字孪生流域，并提出加快构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的智慧水利体系[3-4]。数字孪生流域是智慧水利的核心，是提升国家水安全保障能力的重要支撑，数字孪生水利工程是数字孪生流域的重要组成部分，也是数字孪生流域建设的切入点和突破点[5-8]。

数字孪生江垭皂市为“十四五”期间首批重点水利工程数字孪生建设项目之一。开展数字孪生江垭皂市建设，围绕江垭、皂市工程运行管理需求，在已有信息化基础设施和已建应用系统的基础上，综合运用物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术，完善工程数据底板，建设数字孪生平台，提升信息化基础设施，构建智能业务应用，建成物理空间与数字空间互馈的数字孪生水利工程体系，可实现数字工程与物理工程的同步仿真运行，支撑江垭皂市工程安全与调度运行，保障江垭、皂市等水工程安全高效稳定运行，提高水库管理能力，为新阶段水利高质量发展和智慧水利建设提供有力支撑。

澧水为洞庭湖四大水系之一，澧水流域河流密布，支流众多，干流有南、中、北三源，以北源为主干，发源于桑植县杉木界，在桑植县南岔以上会合，流经桑植、大庸、慈利、石门、澧县、津市6个县市。澧水沿途接纳溇水、渫水和道水等支流，至津市小渡口注入洞庭湖。一般称河源至桑植县城为上游，桑植至石门为中游，石门至小渡口为下游。小渡口以上干流全长388km，落差1439m，流域面积18583km2，占洞庭湖水系总集雨面积的7.1%。澧水流域示意图见图1。

图1 澧水流域示意图

澧水既是洞庭湖四水中干流长度最短、流域面积最小的河流，也是洪水涨落最快、洪涝灾害最为严重的河流之一[9]。江垭、皂市水库分别位于澧水流域的支流溇水、渫水之上。溇水、渫水是典型的雨洪河流，暴雨强度大、面积广，洪水过程陡涨陡落。江垭、皂市水库的控制流域面积占澧水总流域面积的37%，防洪库容占预留总防洪库容的86%，是澧水控制性防洪工程，为保障澧水下游尾闾地区和洞庭湖的防洪安全，起到关键性作用[10]。

江垭水利枢纽主要由大坝、右岸地下电站厂房、左岸岸边通航建筑物及灌溉渠首工程等建筑物组成。大坝及临库挡水建筑为一级建筑物，发电厂房为二级建筑物，其它为三级建筑物。大坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程245m，大坝全长368m，最大坝高131m，坝顶宽12m，共分为13个坝段，泄洪建筑物布置于大坝5^#—7^#溢流坝段。发电厂房位于右岸坝头的山体内。通航建筑物位于大坝左岸，灌溉取水口设置在大坝10^#坝段。

皂市水利枢纽工程主要由大坝、消力池、右岸坝后式电站厂房等建筑物组成。大坝、泄洪建筑物为一级建筑物，电站厂房、消能建筑物为三级建筑物。大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程148m，全长351m，最大坝高88m，共分18个坝段，7^#—12^#坝段为溢流坝段。电站厂房布置在大坝右岸，左岸灌溉取水口布置在4^#坝段，右岸灌溉取水口设在17^#坝段。

近年来，江垭皂市水利工程围绕工程安全、运行调度、电力生产、库区巡查等业务需要，陆续建成了大坝安全监测及自动化系统、水雨情测报系统、水调自动化系统、洪水预报调度系统、计算机监控系统、闸门监控系统、视频监控系统、电力生产管理系统、库区监测与综合管理系统、单点登录系统等一系列自动化及信息化系统，初步形成了信息化支撑的业务平台体系，有效提高了电站生产运行管理水平。

然而，江垭皂市水利工程总体上还处于智慧水利建设的起步阶段^[11]，对标数字孪生工程建设技术要求，现有信息化建设仍存在着一定的差距，主要表现在以下几个方面：

（1）监测感知体系范围和监测要素内容不全面，需要进一步升级。具体体现在：工程水雨情遥测站点不多、分析处理水平不足；皂市大坝安全监测自动化系统已运行10余年，物联采集感知能力存在短板；视频监控系统需要提档升级，现有监控点位密度不足，高清摄像机分布较少；监测感知新技术应用有限，基于新技术开展水利对象的特征属性监测还不够全面。

（2）各业务数据分散在业务系统数据库中，尚未建成统一的数据资源池，数据资源整合需要进一步深化；亟需在数字孪生框架下建设标准化的数据资源池，分级构建数据底板，形成标准化的数据汇集、治理、挖掘体系和数据资源利用机制。

（3）现有的水利专业模型类型不够全面，尚缺失水动力、防洪调度、工程安全预警等模型支持，专业模型“串联”“并联”等联合运用存在着短板；知识库业务应用支撑水平存在明显弱项，模型库知识库需要进一步加强。

（4）相关的信息化业务系统总体上还处于智慧水利起步阶段，与水利部打造数字孪生工程的要求相比，业务应用智能水平需要进一步提升。

（5）网络安全防护仍存在着安全隐患，目前的等级保护体系在对抗大规模有组织的网络安全攻击仍面临安全风险，网络安全防控体系和防护水平需要进一步完善。

4.1 建设目标

建设数字孪生江垭皂市，以工程安全运行、管理能力提高、综合效益提升的实际需求为导向，以物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术为支撑，通过开展信息化基础设施升级改造、数字底板建设、模型库与知识库建设、智能应用体系建设、网络安全体系与运行保障体系建设，初步建成需求驱动、实用先进、安全可靠的数字孪生江垭皂市，通过“1个孪生平台、5个智能应用、3项数字赋能”实现保证工程安全稳定、提高工程管理能力、提升工程综合效益的建设目标，为长江流域数字孪生工程建设起到典型示范作用。其中，2023年数字孪生江垭皂市初见成效，2025年数字孪生江垭皂市全面完成。

1个孪生平台，是指以物联网、大数据、专业模型、人工智能、三维可视化等技术为支撑，开展信息基础设施升级改造，建设数据底板，建立知识库和模型库，形成数字孪生江垭皂市平台，实现数字工程与物理工程同步仿真运行、虚实交互和迭代优化。

5个智能应用，是指在数字孪生江垭皂市平台的基础上构建工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营管理、库区巡查、综合决策支持5个重点业务应用，建成具有“四预”功能的数字孪生工程体系。

3项数字赋能，是指通过数字孪生江垭皂市的深度应用，保障工程安全稳定运行、提升工程运行管理能力、发挥工程综合效益，为新阶段水利高质量发展提供强有力的示范引领和支撑驱动。

4.2 建设任务

数字孪生江垭皂市主要建设任务包括信息化基础设施升级改造、数字孪生平台建设、业务应用建设，以及保障体系与网络安全体系建设。其中，数字孪生平台建设包括数据底板、模型库、知识库、孪生引擎。具体建设任务如下：

（1）信息化基础设施升级。结合江垭皂市电站现阶段在监测感知体系的短板与痛点问题，重点开展水雨情遥测系统升级、大坝安全监测采集设备提档、视频监控系统改造等方面的工作，补足工程管理工作中的信息监测短板；整合江垭皂市电站监测感知资源，建立电站数据分中心；完善计算存储、网络安全等信息化基础设施。

（2）数据底板建设。整合长江水利委员会、湖南省水利厅，以及澧水公司、江垭电站、皂市电站已有基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据，重点开展倾斜摄影、DOM（数字正射模型）、DEM（数字高程模型）、水下地形数据等现场采集与工程BIM（建筑信息模型），形成多维多尺度数据底板，完成各类数据的汇聚、治理等工作。

（3）模型库与知识库建设。建设防洪兴利调度、工程安全分析预警等两大类水利专业模型，以及智能识别模型和可视化模型；建设预报调度方案库、工程安全知识库、业务规则库等知识库。

（4）智能业务应用建设。在数字孪生工程数据底板基础上，结合模型库、知识库成果，充分利用现有信息系统，在孪生引擎的驱动下，发挥数字孪生水利工程的数字化映射、智能化模拟、精准化决策作用，以江垭、皂市工程为核心目标，建设工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营管理、库区巡查、综合决策支持5项业务应用，并结合工程管理的实际需求持续扩展和升级完善。

（5）系统集成与部署。建立江垭、皂市电站分中心，部署数据采集、数据推送以及本地化数据查询服务；基于湖南澧水流域水利水电开发有限公司长沙总部的虚拟化服务资源，部署数字孪生江垭皂市平台，按照单点登录集成规范与现有系统进行对接。

（6）运行保障体系。制定数字孪生江垭皂市在建设期和运维期的关于数据管理、模型管理、算力资源管理、软件集成、门户集成、运行维护等方面的管理制度和标准规范。

（7）网络安全体系。遵循“安全、实用”原则，建立和完善全要素信息安全技术体系、全方位信息安全管理体系和全过程闭环信息安全运营体系，提高数字孪生江垭皂市建设的网络安全防护能力。

4.3 总体框架

数字孪生江垭皂市的整体框架包括信息化基础设施、数字孪生平台、智能业务应用、网络安全体系和运行保障体系五大部分，可实现江垭皂市工程的物理实体与数字孪生体之间的同步仿真运行、虚实结合、迭代优化，以及对工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营管理、库区巡查、综合决策支持等业务的有效支撑。总体框架如图2所示。

图2 数字孪生江垭皂市总体框架