山东省数字李生水利专业模型平台 建设与优化
（山东省水利综合事业服务中心，250013.济南）
摘要：水利专业模型平台是数字李生水利建设的重妥组成部分.当前我国的水利专业模型平台大都依托单个数字李生水利项目建设，相对封闭，不适用于某一个行政层级的多个数宇李生水利项目共用，在通用性和复用性方面较差，存在重复建设、低水平建设现象.研究支撑某一个行致层级多个数字李 生水利项目的水利专业模型平台其有重委意义.从增加优化算法、常用模型实例化构建流程、常用模型参数库及过程曲线库、构建事件相关性数据底板及知识库关联模型等多个方面对山东省原有模型平台架构进行优化，并结合大汶河流域防洪实际案例和省级数字李生水利应用，介绍了如何应用山东省数字李生水利专业模型平台进行实例化模型构建并服务水利业务，可为全国不同层级数字李生模型平台建设提供借鉴.
关键词：水利专业模型平台；多模型耦合；模型实例化：模型平台推广
Construction and optimization of Shandong professional platform of digital twin model for water conservaney/GE Zhaohua
Abstract: Professional model platform for water conservancy forms a key part of digital twin waterconservancy construction. At present most of the professional model platforms in China rely on a single digital twin water conservancy project that are not applicable to other projects at a certain administrative level because of its bad universality and reusability leading to a phenomena of repeated and low-level construction.Therefore developing a professional model platform that supports more digital twin projects at a certainadministrative level is crucial. The original model platform of Shandong Province was optimized from theparameter libraries and process curve libraries creating event correlation data backplane and knowledge base aspects of adding optimization algorithms mon model instancing construction process mon modelassociation models. Considering the typical cases of flood control in the Dawen River Basin and provincial01 uoed apou [euorssaoad Suopuqs ou <dde o moq uo speu aue suogonpou soofoud um [einstant and serve for water resources management so as to provide reference for the construction of digital twinmodel platfoms at different levels across the country. Keywords: professional model platform for water conservancy; multi-model coupling; model instancing;extension of model platform 中图分类号：TVTP39文献标识码：B文章编号：1000-1123（2025)10-0065-08DOI; 10 3969/j.issn .2025 10 010 CHINA WATER RESOURCES2025.10 大纲（试行）》，对数字李生模型平台进行定义，指出按 2022年3月水利部印发《数字李生流域建设技术照“标准化、模块化、云服务”要求建设数字李生模型平台.随着数字李生流域、数字李生水网、数字李生工程的全面铺开，数字李生模型平台也相继开始建设.水利部信息中心构建了水利部数字李生流域模型管理云平 台，初步实现了模型组件化、建模流程化及模型计算的并行调度；水利部长江水利委员会构建的专业模型平台实现了水利计算业务的动态可视建模、李生模拟分析；水利部黄河水利委员会开发的数字李生黄河模型云平台、水利部珠江水利委员会的防汛“四预”（预报、预警、 预演、预案）平台以及中国水利水电科学研究院的模型管理平台均是模型平台建设的典型案例.山东省基于大汶河流域的防洪工作也构建了水利模型平台，但其他模型平台大都基于某个项目建设.国外的模型平台Deltares的FEWs平台以及美国ANSYS的Fluent系列软 主要有丹麦水力研究所的MIKE模型管理平台、荷兰件等.国外平台集成了较为成熟的建模工具，以研发为主，优点是模型可控，便于管理协调更新，适用于教学、科研以及数字李生模型参数率定，缺点是用户依赖厂商，平台与实际数字李生项目结合方面尚存在不足.国 内模型平台主要依托实际生产项目建设，相对封闭，在通用性和复用性方面与国外有差距.随着数字李生水利项目的不断开展，只适配单个项目的模型平台越来越不能适应现实需要，数字李生水利模型平台出现重复建设、低水平建设情况，急需从国家、省、市层面建设综合 性模型平台，以统筹各层级、各项目的模型应用，更好地发挥模型平台的引领作用.目前，水利部和各省份相 继开始了数字李生水利模型平台规划和建设工作.本 文以山东为例探讨省级模型平台建设的应用模式构建和推广，为各级数字李生水利模型平台建设提供借鉴. 一、山东省数字李生水利建设总体布局 局和特点，围绕水网联合调度业务需求，实行省级统 山东省数字李生水利建设聚焦山东省现代水网布筹、省市县三级联动.立足山东省现代水网“一轴三环、七纵九横、两潮多库”的总体格局，省级统筹推进全省数字李生水利建设，构建“134N4”现代水网数字李生体系，推动形成横向打通、纵向贯通的“全省 一盘棋”格局.按照省级统一部署和要求，立足市级水网格局，开展16个地市现代水网数字李生建设，协同做好市级与省级水网和下属区县水网之间数字李生成果的衔接贯通（见图1）. “1”：构建1个全省共用的数字李生水利综合应用生平台为中心节点、16个市级水利数字李生平台为分 平台.基于统一的框架体系，构建以省级水利数字李节点的数字李生支撑体系，为现代水网智慧化应用提供算据和算法支撑.平台建设内容包括信息化基础设施、数字李生平台和水网联合调度系统. “3”：以黄河为主轴，依托南水北调、引黄济青、胶东调水、黄水东调等重大引调水工程组成的引黄、引江和本地雨洪资源利用等3套输配水体系，关联统筹市县输配水工程和骨干河道，打造“从源头到龙头”的供水安全保障体系，实现水资源的合理配置、高效利用. “4”：全面推进黄河、淮河、海河和胶东半岛等4个流域片内16条防洪排涝主动脉的数字李生流域建设，关联 图1山东省数字李生水利建设总体布局 统筹市县骨干河道，构筑形成流域与国家、省、市、县四级 业务协同的“防洪排涝一张网”，实时掌握全省水安全态势，科学实施水工程一体化协同调度，确保发生标准内洪水时堤防不决口、内涉少成灾，发生超标洪水时有应急对策并能防止和减轻洪水灾害，筑牢防汛“安全堤坝”. 工程等N类水利工程的数字李生工程建设，辅助实现 "N"：有序推进引调水工程、水库、灌区、农村供水流域防洪、水资源管理与调配、水工程运行管理和水生态监管等应用场景调度. “4”：持续完善4项数字李生水利建设支撑保障体运营保障体系和网络安全保障体系. 系，包括标准规范保障体系、科技创新保障体系、运维 二、山东省水利模型平台构建 水利模型平台建设涉及水利部、各级水行政主管部门和各级数字李生建设项目.如何贯通水利部、各级水 行政主管部门及重点水利工程管理单位的水利模型平台，实现多层级模型平台的互联互通、共享共用，以及如何通过模型平台实现模型的高质量开发应用，是模型平 台建设与推广应用面临的新挑战. 1.总体框架 （1）模型数据存储层 模型平台是数字李生水利项目的灵魂，承载着水文、水动力、水资源、水工程调度等各类模型，遵照洪水预报模型建设方案、防洪调度模型建设方案、水资源模型建设方案、河道防洪态势演进与灾害分析模型建设方案等，构建相关模型计算方案，运用并行计算框架实现各类模 型的并行计算，并以服务形式供业务系统模块使用. 传统的水利专业模型平台以管理和调用模型库中的水利专业模型为主，功能主要涵盖模型输人输出标准化改造、模型集成封装、模型管理、模型计算管理及模型服务管理等，通常面向单一数字李生项目，供专业 人员使用，但在省级层面的模型管理与应用方面存在很多不足之处.因此以山东省为例，优化构建了一个面向省级层面、不同业务人员的水利模型平台. 优化后的水利专业模型平台总体框架见图2. 模型平台是数字李生平台中独立的服务，有自己独立的数据库.模型数据存储层除了对接数据底板的 图2优化后的水利专业模型平台总体框架 CHINA WATER RESOURCES2025.10 （2）通用算法层 （3）平台支撑优化层 （4）模型管理层 （5）数据服务层 通用静态、动态数据外，还存储着平台运行过程中产生 的各类业务信息，包括且不限于：用于模型构建的雨水情等基础数据、用于存储模型算法包的算法库、存储各类模型根据业务构建的混合模型方案及成果的模型实例库、用于某一区域/站点计算的计算方案库、用于库，以及保障系统正常运行的其他库. 各类模型及服务所需计算及存储资源调度的调度运行 围绕防洪减灾、水资源优化配置和水生态调度业务“四预”应用需求，开发和集成水利专业模型算法，建设标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型通用算法库，为构建实体模型提供通用底层算法， 支撑水利专业模型的集约建设和持续完善.水利专业模型算法主要包括水文、水力学、水动力、水资源、水工程调度、工程安全评估、水生态环境、泥沙运动、水土保持等模型算法，以及智能识别模型算法、可视化模型算法、优化算法等. 提供常用多模型耦合流程构建服务，以及用于辅助模型实例化构建的常用模型参数及过程曲线库、模型相关性数据底板及知识库关联模型等服务. 模型平台统一集成全省实体模型，提供通用算法库构建和模型管理服务，为已建、新建模型提供部署、注册功能及统一的服务接口，让建模人员、管理人员可对相关模型进行可视化管理.核心功能包括模型注 册、模型配置、区域/站点方案管理、业务场景搭建、计算成果管理、模型基础数据管理等. 数据服务层是模型平台对外提供各类产品和计算的主要窗口.第三方业务系统将利用模型平台提供的 各类服务接口获取相关模型信息、预报产品信息、模型计算信息等. （6）标准规范及保障体系 标准规范及保障体系是模型平台顶层设计的核心产物，也是实现模型平台规范化、通用化的先决条件.在遵循国家部委等标准规范的前提下，从数据、模型算法、建模方案等层面，具象化制定相关标准，保障水利专业模型的安全运行. 2.重点优化内容 （1）增加优化算法 优化算法主要用于机器学习、工程优化和调度等领域，目标是寻找一个最优解或近似最优解.在通用算法层原有水利专业模型算法基础上增加优化算法，可提 升模型计算速度，快速解决水利模型“正算一反算一正算”预演等问题，同时降低水利专业模型使用门槛. 根据具体情况，选择不同的优化算法：经典优化算法通常基于数学理论，广泛应用于求解凸优化问题，计算效率高且实现简单，常见的算法包括梯度下降法、牛 顿法、拟牛顿法等，适用于多种优化场景（见表1）；相对于经典优化算法，现代优化算法可以处理更复杂的问题，如大规模、非凸、非线性、高维度问题，常见有启发式算法、深度学习优化算法等（见表2）. （2）增加平台优化支撑层 ①常用模型实例化构建流程 在实际应用中，模型平台除了实现模型的常规化管理，还应结合具体业务通过多种算法耦合形成模型实例化构建方案.模型实例化构建需要大量水利专业知识和计算机技术应用能力，专业性强、涉及面广、耦 合难度大，若不厘清模型算法和模型实例化应用的关系，构建的实例化模型将难以发挥实际效能，与实现“四预”目标尚有距离.目前在中小河流、市县级水网、中小型水利工程等数字李生水利建设应用中，尚未形成针对性强、应用较好、标准化的多模型耦合的构建方 案，无法有效发挥数字李生水利的效益.在现有标准化模型体系的基础上，拓展构建动态化、分业务多模型 表1常用经典优化算法 梯度下降法 算法类型 单日标，连续，光滑函数 适用问题类型 收数速度 较慢 计算复余度 简单高效，易受初值影响 特点牛顿法 单目标，连续，二阶可 快 低 高 欧缴快，计算开大拟牛领法 单日标，连续，二阶可微 中等 中等 降低计算开销，收效较快共梯度法 大规模二次优化问题 较快 低 节省内存，适合大规模问题线性规划与内点法 拉格期日乘子法 带约束优化问题 线性问赠 中等 快 中等 高 适用于有约束的优化问题 专用于线性优化问题 2025.10中国水利 耦合方案，使各级数字李生水利模型平台既可直接调 用标准化的模型耦合方法，构建满足业务需要的实例化模型，也可在标准化耦合方法基础上，根据自身需要集成新建的模型，实现实例化模型构建（见图3）. ②模型构建优化智能辅助 程中用到的很多参数都是动态、不固定的，需要利用大量 常用模型参数库及过程曲线库：水利专业模型建模过数据进行率定，以确定不同场景、不同时间段的参数.梳理传统水利专业模型库的模型参数，形成常用模型参数库及参数过程曲线库，对参数的确定具有重要的实用价值. 模型的参数率定和预报应用需要大量且多样的水利数 事件相关性数据底板及知识库关联模型：水利专业据及知识，面这些数据和知识往往来自多个业务系统，模型构建的大部分工作量是收集、整理、分析历史数据 表2常用现代优化算法 图3分业务多模型属合流程 数据集.为提高模型的构建与运行效率，提出基于事理 和知识，以及处理实时数据，以构建适合本专业模型的图谱的聚焦服务技术，构建事件相关性数据底板、知识库关联模型.该模型以水灾害事件为核心，以事件关联和发展为链路，实现水灾害事件关联数据的快速聚集、信息组织和智能推送，用于水灾害事件指挥控制，实现 事件处理由各部门各自为战到联合调度的跨越，将决策响应时间由小时级优化到分钟级.以场次降水为例，构建事件相关性数据底板及知识库关联模型，自动关联事件所需数据，并根据事件类型自动输出水利专业模型和水利业务需要的数据或处置办法，详见图4. 三、水利模型平台推广应用及实践 水利模型平台建设的根本目的，是将其应用于实
