宜水河數字孿生平臺建設方案概述

萬國勇 袁媛 張國文

1中鐵水利水電規劃設計集團有限公司 江西省南昌市 330029

2中鐵水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 前言

2021年12月23日，在水利部推進數字孿生流域建設工作會議上，李國英部長強調：要深入學習貫徹落實習近平總書記關于網絡強國的重要思想、習近平總書記“十六字”治水思路和關于治水重要講話指示批示精神，以時不我待的緊迫感、責任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進數字孿生流域建設，積極推動新階段水利高質量發展。2022年4月，水利部決定在獲得國務院督查激勵的江西等7個省份（直轄市）的河湖長制工作開展首批“幸福河湖”項目建設，用一年左右時間，完成相關水域的河湖系統治理和管護能力的提升，助力這些流域的經濟發展，最終實現河暢、岸綠、水清、景美、人和。宜水河作為首批入選國家首批“幸福河湖”建設項目的江西省唯一項目，有著重要的示范意義。

宜水河位于江西省撫州市宜黃縣，屬鄱陽湖水系撫河流域臨水一級支流，地處武夷山脈與雩山山脈向撫河平原過渡地帶，東南鄰撫河，西北毗臨水，東北依梨溪水，發源于神崗鄉楊坊村西華山東麓白石崗，干流自南向北流經神崗、圳口、棠陰、鳳岡等4個鄉鎮，從右岸匯入臨水。宜水河數字孿生平臺作為宜水幸福建設項目配套工程信息化建設內容，圍繞防洪、水資源調配、河湖管理等為引領的水利業務，充分應用云計算、物聯網、大數據、互聯網等新興技術，將水利業務管理與新一代信息技術深度融合，實現“預報、預警、預演、預案”四預功能和數字孿生水利的目標，提升宜黃縣水利行業管理和決策的信息化水平，為宜黃縣新時期水利行業的高質量發展提供強大的技術支持。

1 建設目標

以需求為導向，按照水利部印發的智慧水利及數字孿生流域建設相關技術文件，根據江西省水利廳下發的《江西省數字孿生流域建設工作計劃》等通知，結合宜水流域現狀和水利信息化的建設情況，充分運用物聯網、大數據、云計算、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，建立全要素真實感知的宜水數字孿生流域，支撐河湖管護能力強化、防洪“四預”能力實現、水資源調配優化、幸福河湖成果展示和專項水利業務智慧應用等目標達成。

2 設計原則

宜水河數字孿生平臺建設項目依據國家及行業相關標準、規范要求進行規劃。為確保項目建成后能夠達到預期目標，遵循“需求主導、實用可靠、先進開放、安全共享”的原則開展項目設計及建設。

項目須充分考慮水利信息化系統的特點，結合宜水流域現狀和智慧水利建設情況，在充分利用好原有資源的基礎上，按需要布置，做到經濟合理。系統設計時注重功能的實用性，考慮不同層級用戶的多樣化需求，做到系統操作方便、界面直觀、易學易用、所見即所得。同時系統還要方便管理，功能上對系統實施統一集中管理，能通過對系統運行日志數據的分析，進行各種功能的檢測和清障［1］。

（2）可靠性原則

系統設計時應采用成熟、穩定的技術，由于需要處理、展示大量的信息數據，系統任何故障都有會帶來無法可估量的損失，因此要求系統具有很高的可靠性。選取成熟并廣泛使用的硬件產品，提供各類故障的快速恢復保障。

（3）先進性原則

項目的各類軟件設計應采用國際上成熟先進的物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術，硬件選型應采用先進的在線監測設備和系統平臺設備，保證系統不僅滿足現有需求，而且具有向未來技術平滑過渡的能力。

（4）開放性原則

埋藏深度2463.90～2902.90 m，厚度439.0 m。該地層據測井解釋成果反映，共有28層砂巖，砂巖總厚度為34.3 m，砂厚比為7.81%。砂巖孔隙度10.38%～28.41%；砂巖滲透率1.15～134.72 md；熱儲層頂板井溫為80.56℃，底板溫度為86.72℃。

項目應以各類國際標準、國家標準和行業標準為基礎，在系統設計時充分考慮與各類標準的一致性和兼容性，軟件系統支持二次開發，支持多類通信網絡，支持多種軟硬件接口［2］。為系統未來的擴展升級、與其他系統的互聯互通提供良好的基礎，從而降低系統平臺的開發成本和運維成本。

（5）安全性原則

項目應充分考慮信息安全的重要性，從終端設備、網絡配置、數據傳輸、軟件系統、運行環境和管理操作等各方面充分考慮系統和信息數據安全，保證整個智慧水務項目的高效運行。

（6）互通共享原則

項目以整合已有設施數據、監測設備數據及其他現有成果，并預留通用API接口，實現資源數據共建、共享和共用，減少重復建設和投資［3］。

3 總體框架和技術路線

3.1 總體框架

按照數字孿生技術建設要求和水利現代化發展需求，設計本信息化建設項目總體架構，其總體架構分為信息基礎設施層、數字孿生平臺層、業務應用層和網絡安全保障體系、運維保障體系，詳細總體架構圖如下：

3.2 技術路線

（1）云計算和虛擬化技術

本項目將通過云計算技術和虛擬化技術實現水利專題數據管理和滿足用戶高可靠、高性能、安全性和高適應性的要求，實現業務應用種類多、計算時效性要求高和不斷擴展的業務應用的計算需求，從而提高自動化管理水平和節約投資。

云計算技術是新一代IT模式，它能在后端龐大的云計算中心的支撐下能為用戶提供更方便的體驗和更低廉的成本［4］。

云架構共分為服務和管理這兩大部分：

◎服務主要以為用戶提供基于云的服務為主，主要有SaaS （Software as a Service） 服務、PaaS（Platform as a Service）服務和IaaS（Infrastructure as a Service）服務。從用戶角度來看，這三層服務提供不同的服務，面對的用戶也不相同，它們是相互獨立的關系；從技術角度來看，這三層服務是有一定依賴關系的，并不是獨立的。

◎在管理方面，主要是確保整個云計算中心安全穩定運行和有效管理。

（2）面向服務的體系結構

本項目建設將采用SOA 架構來進行設計和建設，把應用程序的不同功能服務通過定義好的接口和協議聯系起來。采用中立的方式進行定義的接口，構建統一和通用的方式進行交互。

這些中立的定義接口，有服務之間的松耦合的特征?？梢造`活組成整個應用程序的每個服務，當內部結構發生改變時，服務能夠繼續存在。應用程序需要根據業務的需要靈活地采用松耦合系統，以適應不斷變化的環境及業務。

（3）基于微服務的部署架構

微服務架構是在云中部署服務和應用的一項新技術，微服務可以在自己的程序中運行，可以將服務公開與微服務區分開來。在服務公開中，需要增加某種功能時就必須縮小進程范圍，服務可以被內部獨立進程限制；而在微服務中增加某種服務中所需的功能，不會影響整體進程的架構。

（4）基于地理信息服務的技術架構

地理信息服務平臺可劃分為空間數據生成與處理、空間數據交換以及地理信息集成應用三個部分地［5］，三個部分通過網絡有機地連接在一起，從信息獲取、處理、分發、傳輸、管理、表現以及集成應用等形成一個完整的地理信息服務網絡化共享平臺。

4 結束語

宜水流域水系錯綜復雜，產業密布，水資源條件有限，水利工程管理和防汛工作任務十分繁重，流域防洪減災能力對區域產業經濟和社會穩定發展影響很大。近些年來，惡劣氣候時有發生，極易形成洪澇災害。因此，對宜水河的防洪排澇、水資源調度能力提出了更高的要求。加強水利信息化建設，及時準確地獲取信息、提供決策、處理突發暴雨等事件，顯得尤為必要。

宜水流域水利工程類別較多，主要包括水閘、泵站、堤防等，日常管理工作涉及眾多方面，包括對水利工程運行監控、巡查管理、取排水調度、日常辦公等，數據量龐大，隨著信息技術的飛速發展，特別是當前正處于智慧水利、孿生水利發展的關鍵時期，對水利工程管理工作提出了更高要求，需要建立現代化、智能化的自動化監控和信息化管理體系，革新傳統手工管理手段，利用先進的物聯網、大數據、云計算等技術，從整體上提高水利工程智能化管理水平、工作效能和保障能力。