5.1 搭建数字孪生平台

数字孪生江垭皂市平台主要包括数据底板、模型库、知识库和孪生引擎四部分。

5.1.1 数据底板

在共享水利部本级L1级数据底板、澧水流域L2-1级数据底板的基础上，集成水利一张图、数字孪生澧水等数据，基于BIM+GIS、倾斜摄影测量等技术，建设江垭皂市工程L2-2和L3级数据底板，整合多数据源接入、自动化数据萃取、分布数据存储等技术，汇聚江垭皂市工程的基础数据、地理空间数据、监测数据、业务管理数据和外部共享数据等水利全要素信息，搭建数字孪生场景，展现江垭皂市工程全貌和水工程运行状态，完成水利工程物理实体与数字孪生体的镜像化描述，构建工程多时态、全要素地理空间数字化映射。数据底板建设范围见图3。

图3 数据底板建设范围

5.1.2 模型库

在共享水利部本级、流域管理机构各类计算模型或计算成果的基础上，构建水利专业模型、智能识别模型及可视化模型，支撑工程优化调度、安全监测等智慧化模拟。

其中，水利专业模型主要包括防洪兴利模型库和工程安全模型，见表1。防洪兴利模型库基于江垭、皂市工程防洪调度的需求，通过完善或开发水文模型、水动力模型、水库防洪调度模型、水库发电调度模型、溃堤模型及防洪风险与效益评估模型，支撑水库防洪兴利智能预报调度，实现“产汇流—调度—演进—评估”全过程模拟，通过各种防洪兴利模型的组件式耦合，实现多场景灵活构建及预演快速计算。工程安全模型针对江垭、皂市工程结构特点，结合长序列监测资料，以环境量为自变量，以变形、渗流、应力应变等监测效应量为因变量，基于数理统计分析方法，构建工程安全监测分析模型，定量分析工程关键效应量的变化规律，并实现预测预报；基于置信区间与典型小概率法拟定监控指标，并实现监控预警；同时，建立基于多源信息融合的大坝安全评价指标体系，构建江垭、皂市工程安全状态综合诊断模型，提升工程安全评价与在线监控能力，为工程安全运行提供决策支持。

表1 江垭皂市数字孪生平台水利专业模型库

智能识别模型充分利用物联网、人工智能、视频识别等智能技术，研发河湖四乱(乱占、乱采、乱堆、乱建)遥感AI识别模型、基于人工智能的高精度水尺视频图像识别模型、基于机器学习的水面漂浮物视频图像智能识别模型、基于时间序列数据记忆性的径流预报智能模型和基于机器学习的大坝安全智能分析模型等。

可视化模型以BIM、GIS、VR/AR/MR等技术为支撑，构建多尺度、多维度可视化模型，满足数字孪生工程仿真模拟等需要。

5.1.3 知识库

在共享水利部、长江水利委员会相关知识平台的基础上，梳理江垭皂市水利工程相关知识对象，建设以工程安全和防洪兴利调度为主体的知识库，通过对水利知识的建模、抽取、存储和融合等技术，构建预报调度方案库、工程安全知识库、业务规则库，为工程安全、防洪兴利调度、发电调度、生产运营等业务应用提供智能化基础支撑。

5.1.4 孪生引擎

构建数字孪生引擎，通过模拟仿真引擎、知识引擎、数据引擎等方式，将数据底板、模型库与知识库的信息有效地融合，在数字化场景中驱动工程孪生运行。数据引擎主要由数据治理和数据服务组成，通过数据治理实现数字孪生江垭皂市工程的数据装载、检查、管理功能，通过数据服务实现数据的共享与管控；知识引擎以管理和驱动工程知识数据为目标，实现知识语义提取、知识推理、知识更新、集成应用等服务能力。模拟仿真引擎分为模型引擎和仿真引擎两部分，模型引擎主要驱动模型库的参数率定、版本管理、加载调用和迭代升级等功能；仿真引擎以数据底板为基础，结合数字孪生三维建模成果，实现江垭皂市工程全场景要素可视化表达、实时三维渲染、空间分析、业务模拟仿真等功能。

5.2 完善信息化基础设施

水利信息基础设施是提升“算力”的基础。主要包括水利感知网、水利信息网、水利云三部分。

水利感知网。针对江垭水电站和皂市水电站在水利感知体系存在的短板与问题，数字孪生江垭皂市根据“急用先建、分步实施”的建设原则，从雨水情监测、工程安全监测和视频监控3个方面对感知体系进行升级改造，重点解决江垭皂市工程运行管理过程中的短板问题，提高调度精度，强化工程安全。

水利信息网。结合先行先试阶段工作的实际情况，江垭电站、皂市电站到长沙总部之间的视频宽带为100M，江垭水电站和皂市水电站的发电机组、闸门控制设施部署在网络安全Ⅰ区，初步满足数字孪生水利工程建设要求。

水利云。结合江垭皂市水电站拟开展的雨水情遥测系统升级、工程安全监测系统改造和视频监控系统改造，新购置数据接收服务器、数据库服务器采购国产化服务器硬件，并组建虚拟化服务器集群。针对湖南澧水流域水利水电开发有限公司长沙总部，将对现有的机房环境进行升级改造，扩展计算资源与存储资源，形成长沙数据中心，部署数字孪生平台与各项业务应用服务。

5.3 构建智能业务应用

基于数字孪生江垭皂市平台及信息化基础设施，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。

（1）工程安全分析预警。在已建成的江垭皂市大坝安全监测自动化系统以及湖南澧水流域水利水电开发有限公司大坝安全监测自动化远程集控系统的基础上，基于数字孪生基础平台，开展工程安全智能分析预警应用建设，实现大坝安全信息采集、存储、处理、分析、监控及预警全生命周期业务应用；同时，开展工程安全“四预”功能开发，实现安全状态预测、在线监控预警、安全风险预演和预案智能响应，提升大坝安全保障能力，为工程安全管理及调度运行提供技术支撑。

（2）防洪兴利调度。统筹考虑防洪安全、发电兴利等需求，根据工程防洪、发电、生态等调度规则，构建数字化场景，强化防洪“四预”等功能，支撑水库防洪兴利智能预报调度，保障水库防洪安全，提升水库调度效率。防洪调度业务应用主要包括专题管理、洪水预报、防洪预警、防洪预演、防洪预案等5个大功能模块。在“四预”能力的支撑下，一方面根据预报、预警、预演、预案的结果实现对物理工程的实时监控或优化调度方案，另一方面依据实时采集的物理工程实际运行数据和相关空间数据来完善数字工程的仿真算法，从而对物理工程的后续运行和优化调度提供更加精准的决策支持，最终确保水利决策方案的科学性、有效性和指导性。发电调度业务应用从溇水、渫水支流水能资源优化利用出发，考虑防洪、灌溉、生态等综合利用要求，结合多尺度入库水量预报（对于江垭水电站考虑上游江坪河下泄流量和区间入库径流预测信息），建立江垭、皂市水电站发电调度模型，制定电站长中短期多尺度调度计划方案，充分发挥水电站及水库的作用及功能，为电站发电调度提供技术支撑。功能具体分为基础信息管理、预测预报信息管理、年发电计划编制、月发电计划编制、日发电计划编制、电网负荷优化分配、发电调度方案评价和发电调度方案管理，为发电生产运营部门提供方案决策支撑。

（3）生产运营管理。按照水利工程标准化管理的要求，在生产管理、内部管理等已有系统或功能的基础上，按照工程管理单位相关管理制度规定，突出不同业务环节间的互联互通、数据共享、业务协同，打造智慧综合管理系统，促进数字化转型，支撑水利工程标准化、智慧化生产运营。

（4）库区巡查。在库区监测及管理信息系统等的基础上，整合运用视频监控、卫星遥感、无人机航飞等数据，实现河湖四乱识别、库区巡查、问题处置全流程管理，实现数据互联互通，提高库区智能化管理水平。

（5）综合决策支持。以数字孪生江垭皂市的数字化场景为基础，融合数据底板中的监测数据与业务流程，构建工程全景可视化平台，实现工程管理综合决策支持业务应用。结合江垭水利枢纽工程和皂市水利枢纽工程防洪、发电、生态供水的调度业务，统筹自身运行调度过程中的管理决策需求，以日常会商决策和应急指挥调度2个模块支撑综合会商决策。

5.4 强化网络安全体系

根据国家网络安全相关政策要求，遵循水利网络安全顶层设计，建立和完善以纵深防御为基础、监测预警为核心、应急响应为抓手的全要素信息安全技术体系，涵盖管理制度、管理机构、管理人员在内的全方位信息安全管理体系，贯穿运营构架、威胁防护、安全监测、安全事件分析、安全应急响应处置、威胁预防的全过程闭环信息安全运营体系，全方位提升数字孪生江垭皂市建设的网络安全保障能力。

数字孪生江垭皂市建设期内，根据数字孪生水利工程“同步规划、同步建设、同步运行”的“三同步”要求，在现有网络安全体系基础上，主要建设内容包括提升核心网络冗余能力、优化分区分域安全架构、完善网络安全运维管理制度。

5.5 健全运行保障体系

按照“统筹规划、统一标准”原则，参考引用水利部、长江水利委员会、湖南省等相关行业与地方标准，在本项目建设单位已有的项目建设与运行维护管理制度基础上，梳理、编制数字孪生江垭皂市在建设期和运维期的管理制度和标准规范。

管理制度方面，需结合采集制作的大量倾斜摄影、DEM、DOM和BIM模型，以及搜集整理的各类数据，建立数据资产管理办法，提高数据使用效能；根据数字孪生江垭皂市的网络安全要求，围绕系统的建设与使用等环节建立网络安全管理办法；针对数字孪生江垭皂市多层级用户类型和权限职责，建立平台运行管理办法；针对系统长期稳定运行需要，建立平台维护管理办法。

标准规范方面，结合海量多源异构数据的整合以及定期更新的实际应用需求，建立数据底板标准，包括数据采集规范、数据接入规范、数据处理规范、数据服务规范等；数字孪生江垭皂市使用的水利专业模型类别多、数量多，需建立专业模型标准规范，以统一各类模型的输入输出接口、管理与调用方式，实现模型的组件式耦合，支撑多场景灵活构建及预演快速计算；结合数字孪生江垭皂市的系统性与复杂性，建立硬件集成、软件集成、门户集成等系统集成标准规范。

5.6 实现成果共建共享

共建共享是解决“信息孤岛”、实现业务协同的必由之路^[12]。数字孪生江垭皂市建设拟实现与水利部、长江水利委员会、湖南省水利厅之间数字孪生平台的互联互通、数据共享、业务协同。

数字孪生江垭皂市的主要共建对象为数字孪生长江、数字孪生澧水。主要共建任务包括3个方面：一是数字孪生平台，二是信息化基础设施，三是业务应用。其中，数字孪生平台的共建任务包括数据底板、模型库、知识库；信息化基础设施包括水利感知网、水利信息网、水利云；业务应用包括防洪兴利调度、库区巡查等业务。

数字孪生江垭皂市的主要共享对象为数字孪生长江、湖南水利一张图。针对不同数据和模型成果，采用数据库接口、数据服务、数据文件、组件服务或应用服务等方式，实现数字孪生江垭皂市与水利部、流域管理机构、省级水利部门管理的外部系统之间的基础设施、数据底板、模型库、知识库、业务应用的共享。

数字孪生江垭皂市与外部系统的共建共享架构见图4。

图4 数字孪生江垭皂市共建共享总体架构

通过数字孪生江垭皂市先行先试建设，开展技术攻关，可在产品成果、技术成果和标准制度成果三个方面形成具有代表性的亮点成果。首先，研发的通用化工程安全智能分析预警技术与平台，可为流域水利工程安全在线监控及预测预警提供技术支撑；构建的生产运营管理业务应用，综合考虑了水工维护、电力运行、安全生产、水利工程标准化等内容，能够为工程生产运营数字化转型提供示范参考。其次，研发一系列国产自主可控的多尺度、多维度、高精度、高效率的水利专业模型,可耦合的组件式模型及其构建技术，支持实现防洪多场景灵活构建、在线快速计算，可为实现防洪“预演”功能提供算法支撑，经过本项目的应用验证后，形成通用水利专业模型服务平台，推广提供给其他孪生项目使用。此外，通过项目的实施，形成水利专业模型、智能业务应用等相关技术标准与工作制度，可为其他数字孪生建设提供参考与借鉴。

通过数字孪生建设，重点构建生产运营管理等业务应用，全面提升工程运行管理效能，可为水利工程管理系统化、科学化、智能化提供强大的技术支撑；锚定精准调度等目标，构建防洪兴利调度业务应用，基于智慧化模拟，开展防洪兴利科学调度，提升洪水资源利用率，有效增加发电量和发电效益，有利于充分发挥水库综合效益；构建工程安全分析预警业务应用，降低工程发生重大安全风险的概率，守住工程安全底线，保障工程安全平稳运行。以数字孪生技术赋能洪涝灾害防御，实现防洪“预报精准化、预警超前化、预演数字化、预案科学化”，增强防洪应对能力，为防汛会商决策提供科学依据，能有效保障人民生命财产安全，减少洪水灾害损失。在数字孪生技术层面，从感知体系、数据底板、模型库、知识库到智能业务应用，形成一套完整的模型和技术，可有效推动数字孪生技术的持续发展。试点建设的开展，有利于充分发挥江垭和皂市工程防洪与兴利功能，满足下游河道生态需水基本要求，促进澧水流域各项社会功能和自然功能的可持续发展，保障沿江地区社会经济发展，为社会主义生态文明建设提供有利条件，具有显著的社会、经济和生态效益。

本文阐述了数字孪生江垭皂市工程先行先试总体设计及主要建设内容：数字孪生江垭皂市建设按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，围绕江垭皂市工程管理业务的实际需要，充分利用现有各类信息化资源和共享数字孪生流域建设成果，精准发力、协同攻关，开展信息化基础设施升级改造、数字孪生平台建设，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，构建工程安全分析预警、防洪兴利调度、生产运营管理、库区巡查和综合决策支持业务应用，建成物理空间与数字空间互馈的数字孪生工程体系。

现阶段按照“先行先试”原则，预期在2023年底数字孪生江垭皂市初见成效，工程安全保障能力、工程运行管理能力得到初步提升。远期全面完成数字孪生江垭皂市，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。