数字孪生灌区建设技术指南（试行）

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数字孪生灌区建设技术指南（试行） 二〇二二年十二月 1 目 录 1 总则 ............................................................................................................ 1 1.1 编制目的 ........................................................................................ 1 1.2 适用范围 ........................................................................................ 1 1.3 编制依据与引用标准规范 ........................................................ 1 1.3.1 编制依据 ............................................................................... 1 1.3.2 标准规范 ............................................................................... 2 1.4 基本原则 ......................................................................................... 2 1.5 建设定位及任务 .......................................................................... 3 2 总体架构 ................................................................................................... 4 2.1 总体架构 ........................................................................................ 4 2.2 系统组成 ........................................................................................ 4 3 信息化基础设施 ..................................................................................... 5 3.1 立体感知体系 ............................................................................... 5 3.1.1 一般要求 ............................................................................. 5 3.1.2 水情监测 ............................................................................. 6 3.1.3 工情监测 ............................................................................. 7 3.1.4 农情监测 ............................................................................. 7 3.1.5 气象监测 ............................................................................. 8 3.2 自动控制系统 ............................................................................... 8 3.3 支撑保障体系 ............................................................................... 9 3.3.1 一般要求 ............................................................................. 9 3.3.2 应用支撑平台 .................................................................... 9 3.3.3 通信网络 ............................................................................. 9 2 3.3.4 计算存储 ........................................................................... 10 3.3.5 调度中心 ........................................................................... 11 4 数字孪生平台........................................................................................ 11 4.1 数据底板 ...................................................................................... 11 4.2 模型库 ........................................................................................... 11 4.3 知识库 ........................................................................................... 13 5 业务应用平台........................................................................................ 14 5.1 一般要求 ...................................................................................... 14 5.2 主要业务应用 ............................................................................. 15 5.3 典型智能业务应用 .................................................................... 16 6 网络安全体系........................................................................................ 18 6.1 一般要求 ...................................................................................... 18 6.2 组织管理 ...................................................................................... 18 6.3 安全技术 ...................................................................................... 18 6.4 安全运营 ...................................................................................... 19 6.5 监督检查 ...................................................................................... 19 6.6 数据安全 ...................................................................................... 20 7 运行维护体系........................................................................................ 20 1 1 总则 1.1 编制目的 按照水利部关于智慧水利和数字孪生流域、数字孪生水网、 数字孪生水利工程建设的工作部署，为推进数字孪生灌区建设， 明确数字孪生灌区的内涵，规范建设内容、技术要求，特制定本 指南。 1.2 适用范围 本指南适用于大中型灌区的数字孪生灌区的规划、设计、实 施和运行管理等。 1.3 编制依据与引用标准规范 1.3.1 编制依据 《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》（水信息 [2021]323） 《智慧水利建设顶层设计》（水信息[2021]323） 《“十四五”智慧水利建设规划》（水信息[2021]323） 《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》（水信息 [2022]146） 《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》 （水信息[2022]147） 《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》（水信息 [2022]148） 《数字孪生水网建设技术导则（试行）》 《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》（水信息 2 [2022]149） 1.3.2 标准规范 GB/T 15966 水文仪器基本参数及通用技术条件 GB/T 21303 灌溉渠道系统量水规范 GB/T 22240 信息安全技术网络安全等级保护定级指南 GB/T 28714 取水计量技术导则 SL 21 降水量观测规范要求 SL 364 土壤墒情监测规范 SL 551 土石坝安全监测技术规范 SL 566 水利水电工程水文自动测报系统设计规范 SL 601 混凝土坝安全监测技术规范 SL 725 水利水电工程安全监测技术规范 SL 766 大坝安全监测系统鉴定技术规范 SL 768 水闸安全监测技术规范 SL/T 213 水利对象分类与编码总则 SL/T 803 水利网络安全保护技术规范 SL/T 809 水利对象基础数据库表结构及标识符 1.4 基本原则 数字孪生灌区建设应遵循以下原则： 1 需求牵引、应用至上。结合灌区管理实际，深入分析灌 区业务管理需求，因地制宜开展基础设施和平台体系建设，强 化业务应用，支撑灌区管理。 3 2 统筹谋划、分步实施。结合灌区实际，谋划顶层设计，明 确建设目标和建设内容，急用先建、分步实施。 3 整合共享、集约建设。按照“整合已建、统筹在建、规范 新建”的要求，注重信息化资源整合与共建共用，充分挖掘和利 用现有的信息采集、网络通信、计算存储及互联网云平台等基 础设施，避免重复建设。 4 融合创新、先进实用。紧密围绕灌区业务和功能需求与 新一代信息技术融合创新，强化云计算、大数据、数字孪生、物 联网、人工智能、5G、区块链等信息技术应用，赋能灌区水资源 配置与供用水调度、水旱灾害防御等主要业务。 5 整体防护、安全可靠。按照相关法律法规和标准规范要 求，构建安全可靠的网络安全体系，保障网络等基础设施、数据 和信息系统的安全，应优先采用自主可控软硬件。 1.5 建设定位及任务 1.5.1 建设定位 数字孪生灌区是以物理灌区为单元、时空数据为底座、数学 模型为核心、水利知识为驱动，对物理灌区全要素和建设运行 全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理灌区同步仿 真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理灌区的实时监控、发 现问题、优化调度的新型基础设施。 1.5.2 建设任务 在灌区信息化建设基础上，充分利用智慧水利、数字孪生流 4 域、数字孪生水利工程和数字孪生水网建设等相关成果，强化 信息感知、资源共享、决策支持、泛在服务等体系构建；以数字 化场景、智能化模拟、精准化决策为路径，推进灌区数字化、监 控自动化、调度智能化建设，提高水旱灾害的预报、预警、预演、 预案（“四预”）能力，动态优化灌区调度，充分发挥灌区综合效 益。 2 总体架构 2.1 总体架构 数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、数字孪生平台、业 务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等。数字孪生灌区总 体架构如图 1 所示。 图 1 数字孪生灌区总体架构图 2.2 系统组成 2.2.1 物理灌区主要包括水源工程，灌溉排水工程体系， 灌溉区域、作物种植结构及主要用水户等。 5 2.2.2 信息化基础设施主要包括立体感知体系、自动控制 系统、支撑保障体系，为灌区数据采集、传输存储、分析计算、 应用支撑、运行管理等提供基础支撑和算力保障。 2.2.3 数字孪生平台包括数据底板、模型库、知识库等。数 据底板为模型库和知识库提供算据；模型库和知识库为典型应 用提供算法。其中，数据底板包括基础数据、监测数据、业务管 理数据、地理空间数据和外部共享数据，模型库包括水利专题 模型、智能识别模型、可视化模型，知识库包括多年运行管理经 验凝练成的专家经验和业务规则。 2.2.4 业务应用平台包括供需水感知与预报、水资源配置 与供用水调度、水旱灾害防御、工程管理、自动控制、量水与水 费计收、水公共服务及灌区一张图等主要业务模块。 2.2.4 网络安全体系包括组织管理、安全技术、安全运营、 监督检查、数据安全等。 2.2.5 运行维护体系包括管理制度、运维保障、标准规范 等。 3 信息化基础设施 3.1 立体感知体系 3.1.1 一般要求 3.1.1.1 灌区应基于地形条件和管理需求，利用 3S、云计 算、大数据、数字孪生、物联网、人工智能、5G 等现代信息技 术，汇集多种类型的传感终端，构建“天空地”一体的透彻感知 6 体系，实现全时空的泛在感知。 3.1.1.2 灌区数字孪生建设应充分共享数字孪生流域和数 字孪生水利工程监测感知数据，科学规划监测感知体系，扩展 监测项目、加大监测密度、提高监测频次，可参照《数字孪生水 利工程建设技术导则（试行）》的有关规定。 3.1.1.3 监测仪器设备选型应根据现场地形地质条件、工 程状况、精度要求、类似工程经验确定。监测信息宜采用自动采 集传输方式获取。 3.1.2 水情监测 3.1.2.1 应根据灌区所在地域和规模、渠道特点以及水量 调配、用水管理的要求，在主要取（引）水口、配水口、分水口、 排（退）水口、用水管理分界点等用水计量断面设置量水监测站。 根据灌区管理需要，可对灌区范围内的机井取水量和水位进行 监测。 3.1.2.2 量水监测的基本要素为水位、流速和流量，监测 站点布设应符合 GB/T28714、GB/T21303 的规定。 3.1.2.3 量水仪器基本参数及通用技术应符合 GB/T15966 的有关规定。 3.1.2.4 应综合考虑量测精度、水流条件、水头损失、抗干 扰性、安装环境等因素，合理选用设备设施。 3.1.2.5 根据灌区管理需求，可在取（引）水口、地下水取 水口、排（退）水口、用水管理分界点等开展水质监测。 7 3.1.3 工情监测 3.1.3.1 工情监测宜覆盖水源工程，取（引）水工程，泵站 工程，输配水渠（管）道、田间灌溉渠系、排（退）水沟（渠） 及其建筑物、机电设备、金属结构设备、管理设施等。 3.1.3.2 工情信息可采用仪器设备监测、视频监视、无人 机巡航、人工巡查等方式进行采集。 3.1.3.3 工程运行信息宜监测闸（阀）门开度、荷载、过流 量、启闭时间，泵站运行工况，泵站流量、实时负荷、启停时间 等。 3.1.3.4 工程安全信息宜监测水库大坝、水闸、渡槽、渠道 及渠系建筑物（重点监测高边坡、高填方段）、堤防工程等的变 形、渗流、应力应变等。监测点位、布置、频次等应符合 SL551、 SL601、SL725、SL766、SL768 等的规定。 3.1.4 农情监测 3.1.4.1 农情信息监测宜包括种植结构、作物需耗水、灌 溉面积、土壤墒情或田间水层、作物长势等。在充分共享相关部 门农情信息的基础上，可补充布设农情信息监测点。 3.1.4.2 土壤墒情监测站配置应符合 SL364 的规定，稻田 还应配备水位传感器监测水层深度。 3.1.4.3 根据灌区实际需求，可采用卫星遥感、无人机监 测等方式开展灌区种植结构、作物需耗水、灌溉面积、作物长势 与产量以及墒情等信息监测。 8 3.1.5 气象监测 3.1.5.1 根据管理需要，在充分共享相关部门气象信息的 基础上，可布设气象站或雨量站。 3.1.5.2 气象站监测参数包括降雨量、温度、相对湿度、大 气压强、风向风速和太阳辐射等，布设的位置、密度应符合 SL566 的规定。 3.1.5.3 降雨量观测应符合 SL21 的规定。 3.2 自动控制系统 3.2.1 灌区自动控制管理系统宜涵盖取（引）水、输配水、 排（退）水自动控制系统和田间自动灌溉控制系统。 3.2.2 取（引）水、输配水及退（排）水自动控制系统可根 据系统下达的指令，实现水泵、水闸、阀门等的自动控制。 3.2.3 田间自动灌溉控制系统可根据系统下达的灌溉指令 或事先设置的程序，实现田间灌溉和排水的水泵、水闸、阀门等 的自动控制。 3.2.4 闸门自动控制宜包括闸门开度、闸前/后水位、闸门 上/下限位、动力电压/电流、视频等监测设备，应配备安全网 关、VPN 设备。 3.2.5 泵站控制系统宜包括压力、温度、流量及泵站进、出 水池水位和电气设备运行参数等监测设备。 3.2.6 阀门控制系统宜包括电动/电磁阀门、流量计、阀门 控制器等，可采用有线/无线方式，支持远程/现地控制