徐洪庆，姜守禄，宋厚清

（1.山东省调水工程运行维护中心青岛分中心，山东 青岛 266100；2.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250013；3.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013）

1 前言

为践行习近平总书记关于网络强国的重要思想和“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，2021 年11 月，水利部印发系列文件谋划推进智慧水利建设。山东省印发《山东省“十四五”水利发展规划》《山东省“十四五”数字强省建设规划》《山东省数字水利建设“十四五”规划》系列文件，明确提出强化数字水利应用支撑能力，构建水利模型库。采用BIM、GIS等技术，加快推进全省大中型水库、引调水工程、灌溉工程、重点河湖流域工程数字化。

棘洪滩水库作为亚洲最大的平原水库，目前虽然具有一定的信息化基础，但仍不满足智慧水利建设要求，需进一步完善水库信息化体系建设，构建数字孪生平台，实现工程运行的自动化、数字化、智慧化，日常办公的流程化、定量化，调度决策的科学化、智能化，水库管理的信息化、现代化，全面提高水库工程管理水平，助力智慧水库建设。

2 工程概况

棘洪滩水库是山东省引黄济青工程的调蓄水库，也是亚洲最大的人造堤坝平原水库，被誉为“亚洲明珠”。水库工程于1986 年4 月15 日正式开工，至1989 年11 月25 日全线一次试通水成功。

棘洪滩水库入库泵站设计流量23.0 m3/s，设计最高蓄水位14.2 m，总库容1.58 亿m3，水面面积14.529 km2，设计死水位6.5 m，死库容4 780 万 m3，最大调节库容1.104 亿m3，向青岛市日供水规模为33.23 万t。棘洪滩水库工程管理范围主要有引水渠道、桃源河倒虹吸、入库泵站、水库、进水闸、出水闸、泄水闸等。

棘洪滩水库作为青岛市重要的水资源设施之一，建成运行30 年来发挥了巨大的经济效益、社会效益和生态效益。

3 现状与存在问题

3.1 信息化现状

山东省胶东调水自动化调度系统工程棘洪滩水库项目建设完成水库围坝照明系统，覆盖水库管理周界的脉冲式电子围栏入侵报警系统，水库管理重要区域和关键部位的视频监控系统，水文（水位、流量）、雨水情、气象、水质等各类信息采集系统，覆盖整个水库管理区的计算机通信网络系统，水库关键部位计算机监控系统，大坝安全自动监测系统，水质自动监测站等。

3.2 存在问题分析

已建各业务系统大部分是各自独立运行的，数据之间并不互通，造成了“信息孤岛”，未能发挥应有的作用，同时监测信息不够完善，具体表现为：

（1）基础设施有待完善

现有的视频监控、水质监测等系统未形成全面覆盖的信息化体系且无智能分析、智能识别等功能，给日常工程监管造成诸多不便，亟需在现有基础上进一步完善建设。

（2）缺乏统一的信息管理平台

因建设时间等不同，缺乏统一规划，各业务系统数据之间未能互通，尚无统一的信息管理平台。

（3）信息资源整合共享困难

由于各种信息采集基础设施、数据存储设备信息共享机制并未完全建立，数据存储格式纷杂，影响了水库管理部门与各级水行政主管部门间的信息交流和数据共享。

在此现状下，建设棘洪滩水库数字孪生平台，将数据采集、自动化控制、网络、通信等信息化基础设施和数据体系及软件系统进行有机整合，形成统一体系，为水库的防洪、水量调度、环境保护以及推动水库管理信息化、现代化、智能化、可持续发展提供全新的综合管理模式。

4 总体设计

在山东省胶东调水自动化调度系统基础之上，完善信息基础设施，充分利用已建设应用支撑平台、数据资源管理平台、信息采集系统、计算机网络系统、通信系统、系统实体运行环境软硬件，遵循安全体系、保障体系，构建棘洪滩水库上层数字孪生平台。

表1 总体架构设计

5 完善信息基础设施

5.1 无人监测移动平台

增加无人船、无人机等设施，增加信息采集覆盖。根据棘洪滩水库特点，设置无人船，搭载单波束测深仪、水质在线检测仪、视频摄像头等，实现水深测量、水下地貌测量、水质在线自动监测、视频监控。增加无人机，加大视频覆盖范围。

5.2 补充完善视频监控系统

大坝西侧、北侧围栏有树区域（桩号0+500～桩号7+500）需在岸堤下护栏处新增枪式摄像机，新增的枪式摄像机采用立杆式安装方式；大坝东侧、南侧围栏无树区域（桩号7+700～桩号0+400）需新增球式摄像机，新增的球式摄像机安装于现有路灯杆上，安装高度为6 m。

6 数字孪生平台

在补充完善现有的信息化设施基础之上，运用数字孪生技术，构建水库数字孪生系统，可以将现实水库和泵站设备的运行情况与相关数据映射到虚拟世界中，以三维图像的形式进行同步展现和管理。管理人员可以在不进入水库和泵站、不影响水库、泵站运行和保障个人安全的情况下，随时查看水库、泵站作业情况和设备整体运行情况，及时发现异常，从而有效提高水库管理水平和效率。

6.1 三维场景建模

基于数据资源平台的空间数据库，利用水库倾斜影像数据及地理信息数据，建设水库数字场景，构建二、三维结合的空间地理信息应用与展示，基于栅格图片引擎服务，实现多层次、多节点的分布式地图服务的聚合；依据三维空间数据规范，针对重点工程进行建模，实现三维数据在Web 环境下传输和解析，提供基础三维场景和三维数据的操作服务；基于三维实景技术，建设水库三维场景，接入水质水文监测、远程监控等实时数据展示。

6.2 综合场景展示

全景数字孪生管理系统以基础地理信息底图为背景，通过不同的层级或者图层方式，展示可视化范围内的水域及水利设施的分布和水文信息监测等信息。

展示水库的高精度仿真模型，抽取重要数据聚合展示，多维度分析数据，综合展示水库整体状况，为领导层提供决策建议。

6.3 信息监测展示

对水质、工程安全、水情监测相关设备（包括传感器或监测站等）进行定位，将其位置的经纬度坐标以及实时监测数据展现在全景数字孪生场景中的对应位置，并可展示详细的数据（包括设备信息和监测信息），管理人员可以针对具体数据进行水质分析，系统以热力图的方式直观呈现水质状况，轻松掌握水质的整体情况。

6.4 水库泵站数字孪生展示

在全景数字孪生场景中构建具体的工程模型，比如闸站、泵站等大型设施，同时对水利工程的数据进行整体的盘点和展示，管理人员可以随时点击具体模型来查看该工程的实时运行数据，同时模型的运行动作由实时数据进行驱动，直观展示设备的运行情况，提高水利管理效率。

7 业务应用系统

7.1 可视化平台

构建棘洪滩水库智慧管理可视化平台，通过多种方式或技术相互结合，全面展示综合运行状态。可视化平台界面主要设计板块包括基础信息板块、调度信息板块、告警信息板块、水情信息板块、工情信息板块、视频监控板块、水质监测板块、水文信息板块、二三维全景展示等功能板块。

综合运行动态，具体包括但不限于：水位、蓄水量、库容、雨水情、水质监测、当前调水任务、工程安全、设备运行状态及参数、视频监控、水文等多类数据的整合展示分析。

系统提供灵活的数据查询方式，利用多维度、不同时间对比等方式，体现运行动态。指标数据需展示近一段时间的数据曲线，例如：近一个月水位变化、近一年的蓄水量变化、不同时期的水质细分指标浮动等等。

7.2 水库调度信息管理系统

（1）泵站水闸数据管理

对泵站水闸的状态监测参量以及相应的工况参数和过程量参数进行实时采集和监测，并能以结构图、棒图、表格和曲线等形式进行显示。数据展示实现信息联动、视频联动等功能，灵活切换，实时在线掌控泵站水闸现场环境和设备运行状态

（2）泵站智慧管理

全面、准确了解泵站设备基础数据与运行状况，具备辅助决策各台机组的负荷分配功能，为泵站的工作效率、能量消耗、安全调度以及优化标准提供相应依据，协助运行人员进行优化调度控制，提高泵站级的调度运行水平，实现经济效益最大化。针对多种融合的数据进行趋势预测，并考虑到外部干扰的影响，其预测处理的结果能有更加宽泛的可比性。

（3）水库调度管理

以进水、供水、年度等维度，进行综合统计分析。可按需生成各类统计图表和分析报告。满足调水管理的业务需要。

运行数据分析：各类参数(流量、水位、用电量、开机数量、开机时长)日、旬、月、年平均值、最大、最小值等特征数据的统计、计算。根据业务需求显示和打印各类业务数据的报表、指定时段的各类数据过程线图等。

8 结束语

“十四五”时期是数字孪生大发展阶段，数字孪生棘洪滩水库建成使用，将大大提高工程运行效率，降低运行成本，具有显著的社会效益和经济效益，同时可为同类型水库数字孪生工程建设提供借鉴和经验。