朱思字.杨红卫，尹桂平.等.基于数字李生的智慧水利框架体系研究[D].水利水运工程学报，2023（3）：68-74.（ZHUSiyuYANG Hongwei YIN Guiping et al. Research on smart water conservancy framework system bused on digital twin[J]. Hydro-Science and Engineering 2023 (3): 6874. ( in Chinese))
基于数字李生的智慧水利框架体系研究
朱思宇，杨红卫，尹桂平，陈璇，邓人超
（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京210001）
摘要：数字李生是水利行业向智慧化升级转型、建成七大江河数字李生流域的必要技术.总结归纳各类数字 李生涉水利技术，将相关技术手段按不同目的分层，描述感知层、设施层、数据处理层、模型层、平台服务层、应用层与智慧水利对应关系，借鉴车间动态建模理论，提出基于数据实时感知、动态建模、逆模型动态选代的智慧水利动态建模流程，构建具有“多元数据集成可视化、运行态势感知，综合分析研判、应急联动处置”等功能 的智慧水利框架体系.以构建流域某水闸数字李生工程为例，基于智慧水利体系六层级，结合数字李生前沿技术手段，建设相关设施、模型、平台，实现实时监测水闸相关数据、快速感知水闸安全边界、及时分析水闸运行态势等目的.研究可为推进智慧水利建设，构建数字李生流城提供参考.
关键词：数字李生；数字李生模型：智慧水利：智慧水利框架体系：云计算
中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1009-640X（2023)03-0068-07
数字李生（DigitalTwin）是物联网及工业4.0重要技术手段.数字李生概念最早由密歇根大学Grieves等提出，其定义描述最早由美国国家航空航天局（NationalAeronautics and Space Administration NASA）提出，即为更精准地分析物理实体，构建与实体等价的虚拟体或数字模型，监控实体运行的机理和状态，采集 数据完善模拟体模型，为后续实体运行提供更精确的决策.水利部提出推进智慧水利建设，要坚持系统观念，做好顶层设计，从数字李生流域、数字李生工程、水利业务应用、网络安全体系等方面构建标准统一、模块链接、互为融通、共享共用的总体框架.随着BIM（BuildingInformationModeling）设计的普及、无人机倾斜摄影技术的发展、新型传感器的加速布置、机理模型与平台融合技术的研发、地理信息科技等的广泛进展及相关技术的基础上，提出一套基于数字李生的智慧水利框架体系，为智慧水利的建设提供参考.
1研究进展
北航数字李生研究组陶飞等口提出数字李生模型构建准则，从模型的构建、组装、融合、验证、校正、管理等6个方面建立了一套数字李生模型构建理论体系，该体系阐明了数字李生模型由实到虚建立的整个 过程，强调了模型组装从单元级到系统级再到复杂系统级的难度，提出了模型在不同学科不同领域模型之间融合组装的思路；夏润亮等将流域数字李生理论研究应用于黄河防汛，认为河流数字李生由水利工程、局部河段、河道整治工程等虚拟零件组合面成，结合相关流域规划、水资源调度管理、水旱灾害防御等系统，可建立流域数字李生模型；张金良等开展了关于黄河中下游洪水演进、灾情评估、水库调度智能适配
技术等模型的模拟研究，并在数字李生底座上展示，为黄河流域管理提供决策支持，也为七大江河数字李生流域的建立提供参考；张绿原等针对水利工程数字李生，提出了水利数据质量管理中原始数据的采集存在随机误差、数字模型构建需设定合理边界条件、设计合理的边界和接口、系统功效评价等关键间题，同时 利用河网水动力模型，基于数字李生的部分技术手段解决了闸泵群最优调度决策间题，该应用为水利工程数字李生的探索提供了经验；张建云等认为智慧水利是智慧地球的思想与技术在水利行业中的应用，是运用物联网、云计算、大数据等新的信息通信技术，将推动我国水利行业向智慧化发展，提升水资源利用率，改善水生态环境等.
建设实施方案》，要求到2025年，通过建设数字李生流域、“2N”水利智能业务应用体系、水利网络安全 2022年1月水利部印发了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见）《“十四五”期间推进智慧水利体系、智慧水利保障体系，建成七大江河数字李生流域，在重点防洪地区实现“四预”（即预报、预警、预演、预案），建成智慧水利体系1.0版.此外，水利部展示了2020年8项智慧水利先行先试成果，包括长江水利委员会水文局承担的智能整编系统、黄河水利委员会信息中心承担的黄委水政执法巡查监控系统、 浙江省水利厅承担的浙江省水利工程建设管理数字化应用、福建省水利信息中心承担的数字水安智能算法及应用、广东省水利厅承担的自适应水政执法仪和采砂船在线监管平台、深圳市水务局承担的深圳市智慧水库管理系统及智慧排水管理系统.以上成果基于数据传输和管理层面利用北斗终端、数据分析、移动通信、视赖压缩等技术手段，推进了智慧水利的进程，提供了技术支撑和实践依据.
素不全面、信息资源整合度低、前沿信息技术应用较少等问题.本文基于感知、信息基础设施、信息数据处 结合上述研究与当下水利发展现状，我国在基于数字李生的智慧水利建设方面，还存在感知覆盖和要理、传统模型整合等数字李生前沿技术构建智慧水利框架体系.
2框架体系构建
影、GIS、云计算、云存储、平台可视化等各类比较先进的技术手段.本文为构建基于数字李生的智慧水利框架体系，将相关技术手段按不同目的分为6个层次，分别为感知层、设施层、数据处理层、模型层、平台服务层和应用层.
2.1感知层
，，，，，经通信方式传输监测数据至设施层，主要涉及传感器、无人机倾斜摄影、北斗三代技术、卫星导航定位、计算机视觉与感知技术等.
水土流失区域的降雨量、土壤厚度、植被覆盖面积及主要防洪区域、山洪易发区、洪水淹没区的雨量、淹没 （1）传感器：作为智慧水利核心基础感知设施，传感器可实时采集河湖水位、流量、水质和水源保护区、三年行动计划（2021-2023年）》，强调到2023年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施，提升高器的重视程度，紧跟物联网建设，加快布置，为建设智慧水利打好基础.
（2）无人机倾斜摄影：该技术可结合遥感技术获取流域周边地理信息数据，结合传感器监测流域水位、流量变化，构建三维模型，增强模型可视化效果，为实时模拟分析流域状态提供模型底座.主要摄影流程：①利用无人机上搭载的传感器和镜头多角度获取地形、地貌和影像的位置信息；②将收集成果结合多视角影像联合平差、3D纹理映射、三角网等技术生成实景河道或水利工程三维模型；③将数据导入区域三维模 型，利用点云融合、自动纹理映射等技术实现自动构建三维模型，即可完成流域模型批量处理".
（3）北斗三代技术：将监测的水位、雨量、流量等各类数据通过北斗终端上报，至监测预警平台实时
显示各监测点数据，并实时分析、发布预警信息.目前北斗系统主要应用于多山地域的水文测报信息实时传输，提高洪水、干早等灾情预报的准确性，逐渐实现大坝变形的精准监测、河湖保护的实时监测等.
（4）卫星导航定位：是指采用导航卫星对地球各类基础信息进行导航定位的技术，为防洪工程管理、防汛抗旱等提供基础遥感数据.
（5）计算机视觉与感知技术：提供实时监控画面和视频截取数据，是获取现场情况最直接有效、客观的技术手段，在水利工程的运行管理、防汛决策等方面发挥重要作用.
2.2设施层
过数据库、云数据服务平台等传递数据至数据处理层，主要包括：云存储、云计算、网络通信、安全防护等技 设施层是智慧水利体系的“血管”，存储全部基础数据，为整个系统运行提供数据流动安全保障，并通术设施.
（1）云存储：云存储在负载和容灾方面要优于集中存储.一是可统一调配存储数据保证每台设备上存储数据比较均衡，最大限度发挥集群的性能优势；二是云存储具有超强的容灾性，云存储的容灾性主要体现 在其内部所搭建的纠删和副本池，可实现数据不丢失，录像业务不中断.目前云存储已在水情数据库、水旱灾害普查数据库、“全国水利一张图”等方面开展应用.
（2）云计算：云计算是分布式计算、并行计算、效用计算、虚拟化、负载均衡等传统计算技术和网络技术发展融合的产物.水利、交通、地质等行业都存在大量分析评价工作，而各类计算软件众多，模型的开发和（HydraulicCloudComputingPlatform），对推动行业计算资料规范标准整合具有重要意义，也为智慧水利系 建设往往都是独立存在，缺少系统化平台.徐文杰等叫基于当前存在间题开发了一个水利云计算平台统中模型接人提供了参考.
（3）网络通信：随着水利行业向智慧水利推进，北斗通信终端已应用于水利部流域机构和省（市）水文部门的应急监测、自动测报、水质自动监测中，未来在病险水库除险加固、特高坝、缺资料地区水安全监测等 方面会开展进一步建设.5G通信技术以其高传输速率和大容量可靠连接为水利信息化和智能化提供了解决方案，且具有提升卫星导航定位精度、提升遥感技术中画面传输的清断度、提高水利监测预警设备的上限数等重要作用.
透测试、代码安全加固、密钥安全防护、通信安全防护、终端态势感知等手段.随着智慧水利进程的推进，数据加密化、设备套层化、代码加固化等趋势正在提速，应加快设备安全防护体系研究.
2.3数据处理层
层，主要涉及轻量化建模、AI视颊处理、边缘解析、GIS等技术手段.
（1）轻量化建模：是一种应用于工程设计、建造、管理的信息建模技术.基于BIM设计与时间轴叠加可形成4D模型，与成本信息叠加可构建5D模型，对建筑进行多维度考量，可贯穿建筑全生命周期中规划、设计、分析、出图、预制、施工、运营维护、拆除等环节.目前部分水利工程设计会用轻量化建模来比较不同的布局方案，以水动力模型分析不同方案流速分布情况，从而为选择最佳设计方案提供依据.
段.该技术可以识别图像或视频中的对象并确定和标注确切位置，同时在检测到异常行为时，向监控人员 （2）AI视频处理：是一种结合物体检测、物体识别、目标跟踪、实时视频分析、触发实时警报的技术手发出警告信息.目前主要应用于水利行业航道在线监管、水库安全监管、泵站智慧调度等系统.
（3）边缘解析：是一种介于后端解析和前端解析之间的技术手段.主要是将小范围的待解析数据上传到局部中心，在该中心做数据分析并将分析结果上传到更上层的平台.该技术手段相对于其他解析手段其 有缓解数据传输延时、降低对机器性能要求、减少替换数据采集终端等优势，主要应用于自动驾驶、远程医疗、机器人协作等领域.李麒等的基于边缘计算以湖北省陆水水库为试点构建了水库大坝信息化管理系统，应用效果良好.
（4)GIS：地理信息科学（GeographicInformationSystem）可以为复杂地理环境下工程施工的规划、管理、决策和营运提供科学有效的技术支持.GIS空间信息技术是在传统二维地理系统基础上发展而来的新一代三维空间信息技术，通过该技术所构建的三维空间框架，可作为包括BIM模型、光学遥感影像、高程DEM数据、无人机倾斜摄影、地面传感器等在内的多源数据的载体，具有十分优异的可视化效果和地理空 间分析基础.该技术目前广泛应用于灌区生态监测、需水量测算、地下水管理等方面，还可与数字资产相关联，通过GIS实体数据共享服务平台进行数据及服务发布，全方位支撑数字资产运维.
2.4模型层
等基于车间李生数据驱动的生产过程动态建模理论，提出智慧水利动态建模流程.主要流程为：①数据 供计算或评价结果.该层主要包括数据实时感知、动态建模、逆模型动态选代等技术.本文借鉴陶飞经上层实时传输后，预处理数据，方法调用数据与命令处理，将转换后的数据接口人库：②依据流域等变化规律，通过时域、频域、机理机制、标准规则、专家经验等开展基于层次分析、神经网络、模翻理论、相关理论、映射理论等方法的模型构建，如水资源调度模型、水利工程管理模型、水生态评价模型等：③映射模型状态特征，生成对抗网络并挖掘逆模型数据包括相关性分析、特征聚类、关联规则、隐变量分析等特征； ④特征变化返回模型使模型动态选代.同时将特征变化对数据的影响重新至数据处理.具体流程见图1.
图1智慧水利动态建模流程
Fig. 1 Smart water conservancy dynamic modeling process
2.5平台服务层
平台服务层是智慧水利的“外表”，展示数据处理后的结果.该层结合各类操作平台及其平台移植、多线程任务调度、多进程、互斥锁、进程间通信管理等技术手段形成.国内已开展较多平台研究，并建成部 分可视水利平台，本文在此不再资述，但大部分平台仅能实现数据直观展现、实时监控、人为调节等简单功能，还远达不到“智慧”，需结合前四部分技术进一步改进.
2.6应用层
应用层是智慧水利的“中枢系统”，是实现虚实结合、建立智慧水利体系的重要一步.以传统应用如降水量、流量、水位、温度等数据监测为基础，结合模型层中实时数据、动态建模、模型选代等技术手段提 升对数据整体的应用和处理能力，提高预测的准确性，做出更科学的决策.应用层主要有多元数据集成可
视化、运行态势感知、综合分析研判、应急联动处置等功能，为水利水电、水文水资源、农业水利、给排水、水务等的预报、预警、预演、预案提供实时分析结果，供管理者决策.
综上所述，由感知层获得基础数据，通过北斗终端、5G网络、窄带物联网等传输至设施层，再由数据库、云数据服务平台等传输至数据处理层，经可视化建模引擎、解析计算软件等处理后实时至模型层， 通过模型计算软件实时分析与动态建模，至平台服务层通过操作平台展示处理结果，最终实现应用层功能.本文基于上述相关技术与逻辑关系构建智慧水利框架体系，具体框架见图2.
图2智慧水利框架体系
Fig. 2 Smart water conservancy framework system
3 案例：某水闸数字李生工程构建
水闸是流域内的重要水工建筑物，在智慧水利体系中应做到实时监测水闸附近流量、水位等数据，快速感知水闸安全边界情况，及时分析水间运行态势，以应对如洪水等突发情况.本文结合某水闸数字化建设方案，应用智慧水利框架体系，构建数字李生工程.
影获取水闸附近地形、地貌和影像位置信息，配置北斗终端将水文监测数据实时上传，采用卫星导航提供基 （1）感知层建设：布置传感器实时采集流量、水位、雨量、水质、位移、压力等数据，利用无人机倾斜摄础遥感数据，使用计算机视觉与感知技术实时监管水闸运行.
算平台.利用5G通讯技术实现数据快速响应，采取包括数据备份、数据加密、设备套层等数据安全防护措施.
型、闸门启闭运动模型、河道水位及流量变化模型等的构建.利用AI视颊处理技术及时监控水闸内部异 （3）数据处理层建设：结合感知层技术手段和数据库相关数据，开展轻量化建模，实现水闸外部几何模常情况，连通模型快速标注确切位置.采用GIS技术分析暴雨时空特征、退水、洪水淹没等为搭建系统防汛子平台提供支撑.
（4）模型层建设：结合数据处理层实时动态处理感知数据，构建水闸工程安全、调度管理、水生态评价等
