江西省南昌市长堎河幸福河湖建设项目数字孪生工程

图1 数字孪生工程总体框架图

图2 长堎河星影像图

图3 区域DEM地形图

对于已建成项目，根据设计施工图及平面图搭建其BIM模型，对于规划阶段项目，可采用BIM设计软件进行正向设计，直至输出成果模型。对于各项目中重复利用的模型设备设施等，建立通用模型库，以满足不同项目多次重复调用的需求，提高建模效率。对于项目中非重点区域的建筑几何模型，通过导入模型SHP面数据，基于CityEngine进行批量建筑模型生成。在实际建模中为保证模型空间位置及地形精准贴合实际物理要素，通过无人机倾斜摄影模型与搭建场景进行比对，保证场景还原精度。水工程三维模型通过应用Bentley系列产品，完成项目的三维协同设计，内容包括各专业三维模型的建立、模型总装与碰撞检查，生成满足施工要求的二、三维设计成果。

图4 水利一张图

基于Project-Wise软件建立项目设计环境。水利水电工程涉及专业及种类多，为了更好的对文档及作业程序文件管理，方便项目负责人更好的对项目进行管理，需对涉及到的项目目录结构进行精细化设置，主要包括三部分：规范标准、工作流程、专业目录，分别满足各专业的文件管理需求。工程行业涉及人员较多，设计文件在前述的特定目录下保存，为便于整个项目管理，需要对不同设计人员进行不同的权限分配。同时，为了整个项目文档安全，规定只有本专业负责人有权限对本专业设计文件进行删除。在模型装配过程中，由项目负责人或者项目负责人指定人员，优先赋予权限对模型进行组装。利用服务器托管的工作环境，各专业在项目环境中进行专业模型的创建。测量专业利用Geopak软件建立数字流域模型,提取原有测量资料的等高线、高程点数据、河岸等特征线生成等生成不规则三角网格tin（Triangulated Irregular Network）文件，进而得到相关数字地面模型；水工专业利用MicroStation、AECOSIM及GEOPAK Site软件建立整个枢纽的三维模型（包括各种类型水工建筑物及其开挖设计）；电气专业利用Substation等专业软件水工建筑物的基础上，通过参考引用建立各种桥架、电缆敷设等电气设备布置、电气照明设计及其连接装配的模型；水机专业利用PSPD、AECOSIM等专业软件在水工建筑的基础上，通过参考引用、精准定位，建立水机机组、技术供排水、配套管路等模型；金属结构专业利用MicroStation软件建立各种金属结构模型；各专业模型完成后，由水工专业在ProjectWise软件平台进行拼装，通过在Navigator或者AECOSIM碰撞检查并修改模型形成最终总体模型。

流域水文模型：水文模型是对流域内降雨径流的物理过程进行抽象和概化模拟的数学模型。水文模型的搭建，利用流域、河网、水文站、交汇点、水库等水文模型对象，承载模型的物理特征；使用模型对象之间的拓扑关系，描述产流、汇流等物理现象；配置不同模型数学表达式的参数，模拟计算出水文流域实际汇流的物理过程。

一二维耦合水动力模型：水动力模型是对流域内河网及其附近地形、建筑物等的水动力交互过程进行模拟的有限元模型。水动力模型的搭建，根据河道断面、倾斜摄影地形数据建立物理流域关系，输入断面流量、雨量等计算数据，根据一定的计算规则进行水动力模拟，得到河道的流量水位计算结果，以及周围区域的淹没计算结果，根据预测结果可进行预警预案等。

基于IOT物联网技术建立天空地网一体化感知体系：通过各类传感器、监测监控设备、无人机、无人船，以物联网的方式实时传输至平台，为数据采集提供了技术保障。

图5 天空地网一体化感知体系图

3.信息化建设亮点及应用效益和创新

长堎河数字孪生平台在三维场景中根据不同水位来综合预演洪水淹没行为的时空变化及水体形态，实时动态的展现洪水的变化过程对水文站及其周边的影响，分析洪水淹没风险，在孪生平台中直观展示并告警提醒，可以“正向”预演出风险形势和影响，以在未萌之时、成灾之前发现问题、提出对策。关键技术及创新点有：

1、多融合。主要包括数据融合和技术融合。通过结合幸福河湖建设要求，围绕防洪、水资源管理与调配、河湖管理等为引领的水利业务，充分应用云计算、物联网、大数据、互联网等新兴技术，构建以信息化基础设施 、数字孪生平台、水利业务应用、网络安全体系、综合保障体系为框架的数字孪生流域，将水利业务管理与水利信息化技术深度融合，实现预报、预警、预演、预案功能和水利智能应用运行，提升南昌市水利决策和管理的科学化、精准化、高效化能力和水平，为新阶段南昌市水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

2、重应用。空间底座提供了三维成果可视化、防洪“四预”、分析统计及辅助决策相关能力，可服务于二三维空间应用的构建，应用所产生的数据成果也可归集到空间底座，通过应用和底座资源的双向共享，不断丰富空间底座资源、提升空间底座能力，形成具有智能学习和持续优化的“数据底座”。协助南昌市政府建设“河湖安澜、生态健康、环境优美、文明彰显、人水和谐”的幸福河，实现可靠水安全、清洁水资源 、健康水生态、宜居水环境 、先进水文明 、发展可持续的目标，将长堎河建设成为让人民群众满意的“幸福河”，高标准打造的幸福河湖“江西样板”，形成一批可复制可推广的河湖管理经验，为全国河湖管理及河长制工作提供示范。

项目的应用不仅提升了洪水预警和调度的工作效率，还减少了对外部专业技术服务的依赖，提高了国内防洪减灾技术的自主创新能力。通过利用大数据、云计算等新兴技术，构建了一个服务于各单位的防洪调度服务平台，满足了技术人员随时随地进行方案模拟和决策支持的需求。与传统的防洪调度方法相比，利用本基于流域防洪调度的“四预”孪生平台能显著降低人力和时间成本。随着平台的进一步推广和应用，将有望成为专业化的流域管理和洪水防控工具，其社会价值和影响力将是巨大的。项目应用成果取得了较好的经济效益和社会效益，节省人工费用约426万、人力节约22%、缩短工期11%、提高了工作效率及设计质量。在2024年防汛期间，平台在长堎河防汛中发挥了重要的作用，水位预报结果和实际结果非常吻合，得到水利部有关领导的高度赞扬。同时，还培养了工程师10人、研究生3人、取得了2项科研成果、3件著作权、6件授权发明专利，获各类奖项荣誉5项等。