面向数字孪生流域的云网融合架构研究

数字孪生流域建设是智慧水利建设的重要标志,是推动流域水利高质量发展的必然要求。为了应对当前数字孪生流域建设过程中面临的流域物联感知能力、通信传输网络资源、模型算法仿真计算水平等方面的不足而产生的挑战,本文结合云网融合的云网协同、按需互联、敏捷智能的服务能力特性,基于云网融合层次化的设计思想,把流域云和网充分融合,有效调度并应用计算、通信、存储等基础设施资源,提出了面向数字孪生流域的云网融合逻辑架构,梳理并阐述了水利感知网云网融合服务实现、水利信息网云网融合服务实现、数字孪生平台算力服务实现等可应用于数字孪生流域建设的云网融合服务架构,总结分析了面向数字孪生流域的云网融合关键技术。研究对充分发挥新一代信息技术对数字孪生流域建设的支撑驱动作用具有重要参考意义。     

数字孪生流域建设监督检查实践及问题分析

当前,水利部正在大力推进智慧水利建设,数字孪生流域是智慧水利建设的核心与关键。水利部在推进数字孪生流域建设工作会议和全国水利工作会议上明确提出要加快数字孪生流域建设。为保障数字孪生流域建设高效、顺利开展,水利部组织对数字流域建设先行先试单位建设情况进行了监督检查,检查内容包括组织推进、工作进展、项目成果、应用成效、共建共享、其他等五方面。本文详细列举了数字孪生流域建设监督检查中发现的典型问题,从项目管理、需求调研、数据共享、专业模型、标准规范、监督检查等方面深入分析了问题发生的原因,有针对性地提出了改进工作的建议,对数字孪生流域、数字孪生工程、数字孪生水网建设全过程管理具有重要的参考价值和指导意义。     

《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》解析

2022 年 3 月,水利部印发《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》,明确了数字孪生流域的具体建设内容,细化了技术要求。介绍数字孪生流域建设背景,以及定义、建设范围及目标、建设原则等建设内涵,阐明智慧水利总体框架和数字孪生流域建设框架,进一步厘清相互关系。详细说明数据底板、模型平台、知识平台等组成的数字孪生平台,以及水利感知网、水利信息网、水利云等组成的信息化基础设施两大组成部分的主要建设任务,对涉及的具体功能要求和技术要点进行详细解析,就数字孪生流域建什么、达到什么标准及需要重点把握的技术环节等问题进行解读,并对数据孪生流域建设过程中涉及的数据安全特别是地理空间数据安全应用等重要问题和集成共享相关要求进行说明。     

数字孪生水利建设保障体系应用与思考

推进数字孪生水利建设是贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和《数字中国建设整体布局规划》的明确要求,是适应现代信息技术发展形势、强化水利治理能力的必然要求。为保障数字孪生水利建设有力有序,亟需构建一套结构合理、系统全面的保障体系予以支撑。本文紧扣“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总体要求,提出数字孪生水利建设保障体系,通过水利部2022年开展的数字孪生流域建设先行先试予以实践验证,对进一步做好数字孪生水利建设保障工作提出建议,为数字孪生水利建设全过程管理提供有力支撑。通过实践应用,有效保障数字孪生流域建设先行先试中期评估工作顺利完成,并形成一批可复制推广的应用案例,成效良好,可为有关单位开展先行先试或其他专项工作提供参考借鉴。     

数字孪生飞云江流域水利知识平台建设研究

为提高飞云江流域智慧管控风险能力,根据数字孪生流域知识平台建设要求,以知识图谱为技术框架,引入机器深度学习技术,融入流域预报调度业务规则、历史典型场景洪水模式和专家预报经验等知识,通过图模型可视化处理,将知识以图数据模式进行存储,建立流域业务规则库、历史场景库、专家经验库和知识图谱库。利用图计算引擎管理和驱动知识,对流域特点、水利对象关联关系、业务规则等水利知识,进行挖掘提炼、归类组合、智慧管理和集成应用,构建基于水利知识图谱的数字孪生流域知识平台。数字孪生飞云江流域水利知识平台具有智能匹配、智慧推荐、全景推演等特点,可支撑流域防洪“四预”业务,提升流域风险与调度决策全流程数字化、智慧化、精准化水平,为其他水利知识平台建设提供经验借鉴。     

数字孪生潭江流域先行先试建设与实践

数字孪生流域与数字孪生水网、数字孪生水利工程互联互通、信息共享、各有侧重,共同构成数字孪生水利系统核心,是推动新时代水利高质量发展的重要实施路径之一_[^1]。水利部于2022年2月启动了数字孪生流域建设先行先试工作,为切实其提高潭江流域水利工程防洪调度能力,江门市水利局按照水利部及广东省数字孪生流域试点建设工作要求_[^2],开展数字孪生潭江流域建设。数字孪生潭江面向流域防洪调度需求,以精细化调度22宗大中型水库、7宗梯级闸陂为目标,围绕四预核心功能,建设数据底板、模型平台、业务应用等内容,构建了流域LI级数据底板,流域重点区域及重点工程L2级数据底板,开发了五大类水利专业模型,初步构建了流域联合调度平台,并在2022年“龙舟水”、西北江洪水、台风暴雨防御期间投入实战,助力潭江流域水库水闸的群联合调度,取得防洪不受淹水资源不浪费的最佳效益。     

我国智慧水土保持数字化场景组成及其设计探讨

本文基于智慧水利数字孪生流域L1、L2、L3级数据底板及水土保持基础数据及相关业务数据,围绕“十四五”时期智慧水土保持数字化场景建设任务,并结合水土保持业务数字化、网络化、智能化的应用需求,提出水土保持数字化场景建设的目标、总体框架和技术路线与方法,为智慧水土保持建设提供思路和参考。通过推进数字孪生、大数据、人工智能等技术与水土保持业务的交互应用,实现了水土保持信息智能感知、水土保持管理服务高效协同、水土保持监督执法及时有效和淤地坝运行风险预判预案,但数字化场景建设仍处于起步阶段,需在实践应用中进一步探索完善。     

内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台构建与应用

2021年开始内蒙古自治区水文水资源中心根据新形势下水文服务面临的问题,以内蒙古自治区水利厅推进智慧水利大数据建设为契机,系统分析当前水文面临的新形势和挑战,规划构建了内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台。系统整合基础地理空间数据、水文监测数据、水文业务数据以及全国水利一张图的服务,对各类数据资源进行了统一的整合与应用,实现了数据的集中处理和交换共享。基于矢量瓦片技术、云端一体化GIS技术、大数据可视化技术、微服务技术以及多源数据融合技术,建成了内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台;在国家和水利行业相关标准规范基础上,构建内蒙古水文一张图数据和服务共享的标准规范,为水文信息的综合应用、数字孪生流域建设以及社会公共服务提供了统一的平台支撑,拓展了水文信息服务能力,提升了内蒙古自治区水文信息化、智慧化管理水平。     

新一代信息技术在黄河治理中的应用研究

黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略。通过研究云计算等新一代信息技术在开发黄河防洪工程感知、暴雨洪水监测预警、防汛料物管理、政务办公、智能巡河等智慧应用系统,以及建设防汛通信和计算机网络系统等方面的应用实践,探索构建覆盖河道、滩区、防洪工程,为各级黄河防汛机构服务的智慧黄河体系,创新黄河防汛业务流程和业务模式,满足当前工作的急需,积累宝贵数据资源和数字化智慧化应用经验,应对黄河治理新阶段面临的新挑战。新一代信息技术在黄河治理管理中逐步深入应用,必将推进算据、算法、算力建设,赋能治黄业务管理现代化,在黄河治理管理现代化进程中发挥巨大推动作用。     

国产化辽宁省防汛抗旱指挥平台建设

为满足国家政务系统安全可靠要求，从服务器、操作系统、数据库等国产自主可控产品的类型、功能特点、性能与安全性等方面进行综合比较，并进行国产化适配，最终组成一套适合工作实际的国产化产品组合，搭建基于国产化自主可控的辽宁省防汛抗旱指挥平台。平台遵循水利部数字孪生流域技术框架，结合辽宁省防汛抗旱业务需求，形成四横两纵技术框架。“四横”由物理流域、数字孪生流域、业务应用和客户端组成。“两纵”由网络安全体系和保障体系组成，集成实时基础信息展示查询、信息监测、水利一张图、防洪“四预”等功能模块，实现流域防洪业务智能化管理，实现场景数字化、模拟精准化、决策智慧化。研究成果可为日后建设国产化水利业务系统提供示范。     

基于多算力融合的数字孪生黄河黄河云设计研究

为解决数字孪生黄河建设过程中出现的算力基础设施能力不足,数据存储、处理、服务效率不高,资源服务模式不够灵活等问题,立足数字孪生黄河建设对算力基础设施的实际需求,结合水利部出台的相关技术规范,提出多算力融合黄河云重构搭建方案。开展对多元算力、多模态存储模式等关键技术的综合分析,提出多算力融合黄河云的总体框架、部署架构、资源池及资源管理设计。多算力融合黄河云针对模型计算、数据底板、智能应用、大数据处理与分析等不同场景,建设虚拟化、高性能、裸金属等算力资源,根据数据类型、特点,以及数据量匹配集中和分布式存储资源,提出适应黄河水利委员会组织架构的云管理模式,可为数字孪生黄河建设提供高效算力底座。     

在建大型水利工程数字孪生平台实践与思考

为整体提升在建水利工程智慧化管理能力，通过数字孪生平台建设，赋能建设期工程施工管理、运行期业务应用。在已建信息化系统的基础上，结合数字孪生水利工程建设要求和目标，构建引江济淮工程数字孪生平台总体架构。围绕数据底板、模型平台、知识平台 3 个方面，搭建真实、全面、准确的水利及水运多领域数据底板，为工程数字化映射、智能化应用提供准确的数据资源；搭建感知、预测、调度、控制、评价功能的模型平台，覆盖中长期、短期、实时多尺度调度需求，以及常规、应急多目标调度场景；搭建以方案库和专家经验库为主的知识平台，将静态、动态知识共同融入“四预”全流程；按照工程建设、运行调度、工程维护等管理业务需求，建设水资源调度、航运调度、工程安全监控等业务系统，为更加合理、有序地推进数字孪生水利工程后续建设提供思路。     

智慧黄河三角洲框架技术研究

为强化物联网、大数据、人工智能等信息技术与黄河三角洲业务的深度融合,深入分析黄河三角洲业务智慧应用和信息化建设需求,提出智慧黄河三角洲总体建设思路和分期建设目标.设计建立智慧黄河三角洲的总体框架,并从监测感知、信息汇集、智能服务与分析支撑、业务智能应用、网络安全5个方面详细设计技术参考模型,实现黄河三角洲生态环境保护、...     

北大港水库数字孪生建设方案与要点探讨

为提升北大港水库工程管理现代化与智慧化水平，结合北大港水库“数字河库”建设现状和水库扩容工程规划，提出北大港水库数字孪生建设方案，搭建数字孪生工程建设总体框架与主要内容，丰富 L2 和 L3 级数据底板， 构建模型库和知识库，实现建设期和运维期的智能应用建设。对安全监测数据底板、工程安全模型等数字孪生建设难点，以及实现“四大安全”与全过程、全要素管理等进行探讨。实现北大港水库流域防洪调度、水资源管理与调配，以及其他各项业务管理的数字化、网络化、智能化水平提升，有效推进水库运营管理数字化转型和智能化升级。     

黄河工情险情全天候监测感知预警系统的研究与应用

针对黄河河道工程出险后在短时间内有迅速扩大的危险，对重要险工、控导等水利工程进行信息化强监管，开发、敷设及时可靠的黄河工情险情全天候监测感知预警系统提升监测能力。黄河工情险情全天候监测感知预警系统是数字孪生黄河工程建设的重要内容之一，利用物联网、大数据、云存储等技术，借助于黄河河道工程内部埋设的传感器，对根石和坦石的出险情况进行实时监测与监视，并以此为基础，通过现有黄河网和公网，实现工程的网格化分级管理，做到为指挥中心防汛抢险决策提供准确、及时、科学的数据信息支持，推动治黄信息化发展与治黄业务的深度融合，有效实现险情的“抢早、抢小、抢住”。