数字孪生三门峡水利枢纽综合设计与应用研究

王育杰，施凯敏，娄书建

（1．水利部黄河水利委员会三门峡水利枢纽管理局，河南 三门峡 472000；
2．北京慧联无限信息技术有限公司，河南 郑州 450000）

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要》要求加快构建智慧水利体系，水利部高度重视，提出“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，并将其作为新阶段水利高质量发展的显著标志。根据水利部《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《“十四五”智慧水利建设规划》《智慧水利建设顶层设计》与《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》[1–4]，结合《数字孪生黄河建设规划（2022—2025）》及关键问题[5–6]，参照《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》与《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》[7–8]，三门峡黄河明珠（集团）有限公司与相关单位合作，结合实际需求与主要业务模型，建立了以数字孪生三门峡水利枢纽工程及三门峡水库为基础的平台体系，初步实现了智慧化应用。

1.1 基本架构

三门峡水利枢纽系统总体以 B/S 架构为主，主要包含 7个独立层：用户终端层、SOA（Service-Oriented Architecture）服务层、业务模块层、应用支撑层、数据存储层、数据传输层及数据采集层。整个系统以 3个相关数据层为基础，以应用支撑层与业务模块层为核心，以 SOA 服务层为媒介，为用户终端层提供高品质服务。基于 3D 地球的数字孪生三门峡水库（水利枢纽）系统构架如图1所示。

图1 基于 3D 地球的数字孪生三门峡水库（水利枢纽）系统构架图

1）用户终端层。主要任务是面向用户端，包括PC 端的 Web 服务、移动端（手机与 Pad）App 及其他终端，涉及登录界面、信息内容及主要服务功能等。

2）SOA 服务层。主要包括：安全认证、身份管理、权限管理、交互通信、服务描述、服务注册、服务发现、流程编排等。屏蔽硬件层、操作系统层及网络层，使逻辑关系与底层平台无关，提供标准信息通道，实现异构环境下的可靠传输，保障系统的可靠性、可移植性及可扩充性。

3）业务模块层。主要遵循高内聚、低耦合原则，将每个业务模块的功能分解成适当程度的插件，以支持对服务的灵活调用与业务扩展。具体包括：三门峡水库全域三维仿真水体等驱动、映射及模拟；
三门峡水利枢纽防汛抗旱调度指挥决策多种业务应用；
专业知识及模型功能调用。

4）应用支撑层。重点提供数字孪生与业务应用的各种基础服务，如消息引擎、三维引擎、GIS 引擎、图表服务、语音服务、视频服务、ADO.NET 数据适配器、异常处理及日志管理等。

5）数据存储层。支持关系型、对象型与文件型数据库的物理存储，主要包含：地理信息库、专题信息库、三维模型库、水沙监测库、枢纽运行库、业务信息库、知识库及专业模型库等。

6）数据传输层。主要包括：超短波、GPRS/4G/5G、光纤宽带、专线/专网、互联网等。

7）数据采集层。主要包括：卫星遥感、无人机航测、水沙自动测报、站点数据同步、电站运行监控、闸门运行监控、大坝安全监测及人工填报等业务信息。

1.2 数据采集

数据采集是数字孪生静态化场景建立与动态化场景驱动的关键。包括：

1）空间数据。包括 1∶10 000～1∶50 000 河道水上地形数据，1∶5 000～1∶10 000 河道水下地形数据等。

2）河网数据。包括三门峡库区流域内的河网水系，支持 6 级河网分级管理与数据信息服务。

3）水文整编数据。依据最新版《基础水文数据库表结构及标识符标准》提供水文整编数据，满足业务系统检索、查询与存储管理。

4）实时水情监测数据。包括三门峡水库实时水位、流量、含沙量等核心要素数据。

5）河道断面测量数据。包括河道基本断面布设、淤积断面测量等数据。

6）水工建筑及环境植被模型数据。包括大坝主体构造、泄洪排沙启闭设施、水电站厂房、办公楼及防汛仓库模型等数据，以及重点区域植被及精细化模型数据。

7）工程设计和相关参数数据。包括三门峡枢纽工程技术设计、水文模型参数等数据，如水库设计与校核洪水过程、库容曲线、枢纽泄流能力曲线、相关模型率定等数据。

8）枢纽实时动态运行数据。包括三门峡水利枢纽工程 27个泄流排沙设施，如底孔、深孔、隧洞、排沙钢管闸门实时状态与开度等核心要素数据；
三门峡水电站 1～7# 发电机组实时运行状态量、负荷值及累计发电量（动态积分值）等核心要素数据。

1.3 业务系统

数字孪生建设的关键是业务系统，主要目标是实现三门峡水利枢纽防汛抗旱指挥调度决策支持功能，兼顾枢纽运行管理与维护等其他功能。即以水库及枢纽大范围内的三维地理空间信息（L1，L2，L3）数字化逼真表达为背景，以各域水体三维仿真的自动化、智慧化与可视化技术为支撑，以水库及枢纽实时核心要素信息为驱动源与驱动力，结合专业模型的模拟方法、优化分析原理及大数据平台技术等，初步实现各子系统之间的功能协调与综合业务应用。主要包括：

1）构建基于 3D 地球的三门峡全库区（含黄河小北干流、渭河下游、潼关以下河段及回水区、大坝下游 10 km 范围内）静态化场景，实现全域地形地貌、河网水系、水利设施、监测站点及淤积断面等三维空间信息的数字化与可视化准映射，为水库蓄泄运用提供映射、模拟与分析基础。

2）基于上述场景，构建三门峡水利枢纽工程主体建筑物、泄洪孔洞、发电机组等数字化三维模型，构建三门峡水利枢纽闸门启闭设施（含发电厂防倒灌设施）和防汛电源、仓库、道路及通信设施等三维模型，为三门峡水利枢纽工程运用提供实时动态映射、模拟与分析基础。

3）以全空间场景及重点设施、设备为基础，以三门峡水库与枢纽核心要素信息为依据，全天候实时驱动全域水体的可视化与智慧化表达，驱动相关统计报表、图形过程线等自动更新，以及相关超限特征量的自动报警等。

4）在地理空间信息上，具有区域巡航、范围穿越、视角控制、地域测量（高程、距离、面积）、聚焦定位（水文站点、测控断面、滩涂、渡口码头、防护工程、控导工程、景观、防控点）等功能。在业务应用上，具有水库与枢纽工程信息查询、大坝安全监测、水文分析（如调洪演算）、断面冲淤分析、直通监视、在线会商（视频连线）、防汛管理、协同办公及系统运维管理等功能。

5）将 PC 端的 Web 应用与手机客户端的 App应用进行有机结合，实现多类用户综合业务的一体化管理，以及多终端用户的同步化管理。应用ASP.NET MVC 框架、数据库快速检索、自动语音识别（ASR）、语音合成（TTS）、腾讯实时音视频（TRTC）等技术满足综合业务应用。

1.4 用户管理

用户管理可为用户提供统一的基础数据与精确匹配的功能模块，为系统管理与使用带来极大方便。项目采用安全且开放的身份认证服务实现用户管理，主要体现为：

1）统一用户登录。为所有用户提供统一的登录界面，根据用户名差异，系统会自动选择对应的功能模块接入及访问控制。

2）分布式分级管理权限。当用户分布在不同部门且规模很大时，用户权限的集中管理与维护是十分不便的，因此，采用分布式分级权限管理具有更强的可控制性、可扩展性与灵活性。

由于使用本系统的各岗位人员流动频繁，为保障众多用户能够正常登录与长期安全使用，同时大幅度减轻运维与管理人员的工作量，采用“用户名 +密码”进行分布式分级管理。即以岗位职责不同进行用户名命名与分类，用户能够访问的数据、功能模块及操作权限是十分明确的。当岗位人员发生变动时，只需管理员或新用户及时修改登录密码，即可完成用户交接与安全继承。

三门峡水利枢纽是黄河干流上兴建的第一座大型重点控制性工程，三门峡库区涉及晋陕豫三省交界区的广阔范围。长期以来，整个库区全域地理空间与主要工程建筑物等缺乏详细的数字化信息，水利枢纽工程建筑信息模型（BIM）也难以建立，仅有一些陈旧过时的、精度较低的库区平面图与工程图纸。因此，必须依靠现代先进科学技术建立可靠的数字孪生数据底板。

2.1 获取全域地理空间数据

2020年3月底至 4月初，三门峡库区植被稀疏，此时进行第1 次无人机航测，获取了三门峡库区 334 m 以下（1985 国家高程基准）、水面以上区域数字正射影像图（DOM）。7月初，实施第2 次航测对重要区域（天鹅湖、坝区等）进行倾斜摄影，并计划第3 次对核心区域进行贴近摄影。

以往的数字高程模型（DEM）一般是通过有限高程数据对地表形态进行数字化模拟与表达。本项目则是基于航空摄影测量技术，通过推进扫描、像元辐射改正、微分纠正及镶嵌等获取 DOM，该DOM 同时具有地物影像与地图几何坐标精度，信息丰富，直观逼真。

倾斜摄影是对大范围、多方位、复杂场景的航测，通过在同一飞行器上搭载多台传感器，能够从 1个垂向、4个侧向同步进行坐标测量与影像采集，从而更加直观清晰地反映地物位置、高度及侧面纹理信息。

计划进行的第3 次航测贴近摄影是一套全新的以面为重点目标的精细化摄影测量，能够获取精确坐标、亚厘米级高清影像及细微结构形状，更加有利于精细化三维建模。

在我国数字孪生流域建设中，按照区域范围的逐级缩小与数据精度的逐级提高，地理空间数据底板分为 L1，L2，L3 共 3个层级。L1 为大范围低分辨率、低精度级；
L2 为重点区域较高分辨率、较高精度级；
L3 为重要实体场景高分辨率、高精度级。三门峡库区 334 m 高程以上空间为 L1 级，参考GPS + 北斗信息；
334 m 高程以下为 L2 级，利用无人机 DOM 及倾斜摄影航测成果；
三门峡水利枢纽坝区及三门峡市临黄区为 L3 级，利用倾斜摄影成果，水库水下部分空间借用黄河水利委员会水文局断面测量成果。

2.2 重点工程与主要建筑物建模

三维数字建模即应用计算机建模软件构建直观的可视化虚拟体。项目重点工程与主要建筑物的三维数字建模利用无人机倾斜摄影（或贴近摄影）及人工多角度精细化摄影成果，同时参考三门峡库区与水利枢纽等主要建筑工程的设施图纸、照片及720° 全景摄像资料；
参考库区两岸及毗邻区等重要建筑设施的形体与结构数据，经过数字高程配准及DOM、倾斜摄影纹理信息镶嵌，实现高质量精细化建模，将重点工程与主要建筑物模型逐级（L3→L2→L1）融入基于 3D 地球的大范围、全空间方位的虚拟静态场景，实现由现实世界向虚拟世界的准映射。

2.3 全域静态化场景的建立与应用

三门峡库区与水利枢纽坝区全域静态化虚拟场景的建立基于现实世界的阶段性相对稳定存在，该场景是实现数字孪生智慧化综合应用的基本前提。

三门峡库区空间信息以 CGCS2000 国家大地坐标系与 1985 国家高程为基准，静态化场景的建立以阶段性“DEM + DOM + 倾斜摄影”等为基础。这不但较 BIM 可视化直观与逼真，而且具备强大的潜在应用功能，这是一般 BIM 及二维 GIS 不可比拟的。例如：全域空间实时水体与周边场景相应关系分析（洪水淹没模拟等），兼容二维 GIS 模型功能应用，重点建筑物内部穿越，各处水下地形巡航等。

大型水库与水利枢纽工程的数字孪生，涉及测量学、摄影学、地理信息学、遥感学、仿真学、水文学、水力学、河流动力学、水利工程学、计算数学及计算机应用技术等多类学科。其中，仿真技术是数字孪生领域的关键与基础技术之一，涉及地形、水体、工程、机械、电气环境与机理等仿真。

2019年之前，无人机倾斜摄影与贴近摄影尚未投入规模化使用，加之水三维仿真技术尚处于初级阶段[9–13]，三门峡水库与水利枢纽数字孪生建设难以实现。2020年以后，三门峡黄河明珠（集团）有限公司与有关单位密切合作，以摄影测量、水三维仿真、大数据分析等一系列关键技术为依托，以水库与枢纽核心要素信息为驱动力，开展数字赋能与数字孪生智慧化应用。

3.1 构建仿真孪生体

在地形仿真方面，三门峡水库以 Splatting Texture地形纹理系统实现多层质混合，结合柏林噪声算法实现纹理显示效果的优化，以 Geometry Clipmap 技术与顶点渲染法实现多细节层次地形不同高程之间的平滑过渡，全域曲面地形系统基于 GPU，几乎所有计算任务均由 GPU 完成，大幅降低了 CPU 负载。

在水体仿真方面，三门峡库区水三维仿真基于新型自动建模技术、快速傅里叶变换（FFT）及基于 GPU 的新型粒子系统。全域水体能够随着水位升降产生水面波动、光线反射与折射，并随着水体碰撞产生浪花与泡沫，还可以随着枢纽闸门与发电机组开启产生逼真的泄流效果。其中，核心要素映射与驱动的实时触发引擎能够执行严格的数字孪生逻辑控制。

在环境仿真方面，三门峡水库重点区域动态光影系统仿真基于比例接近过滤与方差软阴影映射，实现了主要建筑、树木等实时阴影计算与软阴影渲染。坝区动态植被系统支持海量树木与草地渲染，能够产生随风摆动、摇曳等大范围实时动画渲染效果。

在利用 3DMAX 等建立大规模动态场景方面，充分挖掘类、模型与 GPU 等潜能，将一些经典仿真封装成类导入自动模型，利用计算机 GPU 有多个可编程顶点和片段处理器及支持多次绘制等优势，大幅度减少了 CPU 与 GPU 之间的数据交换，并可无限次重复使用，能够显著提升整体仿真技术的驱动效率与应用质量。

3.2 融合核心要素信息

三门峡水库与水利枢纽工程已有多个独立分散的实时监测及水文报汛子系统，例如实时遥测水位（流量、含沙量）、大坝安全监测、枢纽闸门启闭态监测、水电站实时运行监控、水文报汛等。通过对这些子系统数据的集成与融合，能够为三门峡水库控制运用与水利枢纽工程管理运行提供较为完整的核心要素信息，全天候地为数字孪生提供实时映射与驱动服务，为水库优化调度计算分析与模拟运用等提供基本信息保障。

3.3 实时映射与驱动孪生体

三门峡库区及两岸自然地理空间环境的静态化映射，主要涵盖大坝-渭河 160 km、大坝-北干流240 km 等区域约 2 370 km2的范围。全域全天候动态化映射以核心要素信息（水位、流量、含沙量与泄洪闸门、发电机组运行态等）为驱动源，能够逼真地呈现三门峡库区与坝后空间水体及枢纽闸门、电站运行实况等变化，具有自动化、智能化与可模拟化等实用效果。具体表现为：

1）由遥测水位（或流量）映射与驱动淹没范围及蓄水边界变化。a．由坝前（史家滩）遥测水位，驱动水尺指针变化、回水区淹没范围水体联动及展示；
b．由禹门口站与潼关站遥测水位，驱动库区黄河小北干流河段槽蓄水体联动及展示；
c．由华县站与潼关站遥测水位，驱动库区渭河下游河段槽蓄水体联动及展示；
d．由三门峡水电站尾水区与三门峡站遥测水位，驱动尾水区至三门峡站河槽蓄水体联动及展示。数字孪生三门峡水库实时动态化应用场景如图2所示。

图2 数字孪生三门峡水库实时动态化应用场景图

2）由遥测含沙量映射与驱动三维仿真水体颜色深浅属性变化。a．由潼关站遥测含沙量，驱动三门峡库区水三维仿真颜色深浅属性变化；
b．由三门峡水电站实时遥测含沙量，驱动坝后尾水区水三维仿真颜色深浅属性变化。

3）由泄洪闸门与发电机组启闭态映射与驱动坝后出流态变化。a．由大坝 27个泄洪排沙闸门实时启闭态，驱动相应孔、洞、管的泄流联动与展示（明流、射流）；
b．由水电站 7台发电机组运行态，驱动尾水区相应泄流联动（淹没出流）。数字孪生三门峡水利枢纽工程实时动态化应用场景如图3所示。

图3 数字孪生三门峡水利枢纽工程实时动态化应用场景图

4）由降雨实况及光照信息映射与驱动天空状态变化。a．由中央气象台三门峡库区降雨实况图、降雨雷达图或自记雨量计信息，驱动三门峡库区上空降雨仿真；
b．由三门峡市湖滨区日出日落时间信息，驱动天空光亮度（黑夜/白昼模式切换）与坝顶照明灯光线变化（点亮/熄灭模式切换）。

3.4 技术赋能与智慧化应用

在空间信息中，通过计算数学及计算机应用技术解决了三门峡库区淹没边界范围自动计算分析、映射与表达难题，以及任意区域点、线、面的高程、距离、面积即时测算难题，以大数据分析技术解决了淤积断面冲淤变化的灵活快速比对难题。在水库调洪演算模型应用中，通过计算机程序严密的逻辑判断、自动收敛性逐步迭代计算及精度与误差的严格控制，使模型的算据、算法与算力得到了显著提升，依靠滞洪水位计算、库区洪水淹没范围模拟、三门峡水利枢纽工程泄流规模分析与水电厂房防倒灌标准等级，解决了预报、预警、预演与预案相结合的难题。

同时，在综合设计与应用研究中，采用三维数字模型动态展示与交互、大数据分析，以及 ASR，TTS，TRTC 等技术为各类业务进行智慧化赋能，研发了一款具有重要实用价值的手机 App。一系列成果中，数字孪生水利枢纽工程三维仿真系统 V1.0、智慧水库调洪演算与洪水淹没分析系统 V1.0、智慧河流水沙测报与冲淤分析系统 V1.0、智慧水库语音交互查询系统 V1.0 等 4个子系统获得了中华人民共和国计算机软件著作权。

数字孪生三门峡水利枢纽综合设计以无人机航测获取三门峡水库全域数字正射影像与倾斜摄影信息为前提，建立数据底板，通过三门峡水利枢纽工程与主要建筑物的三维精细化建模，实现由 L3→L2→L1 逐级融入，构建全域静态化场景。在此基础上，依靠三维水仿真自动建模等先进技术及核心要素信息的驱动，实现全域水体实时映射及整体动态化与可视化效果，主要解决了地理空间测算难题，提升了重点模型的“三算”能力，同时解决了“四预”相结合的实际难题，为多类业务进行智慧化赋能，具备对某些实体设备的交互与控制功能，基本实现了数字孪生实际应用。

本研究成果对其他重要水利枢纽及水库具有良好的借鉴与参考价值，在水资源、水环境、水生态、水安全、水文化、岸线整治、科普、旅游、专业培训及教学实践等方面，具有广阔的适用范围与应用前景。

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