数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现

针对太浦河防洪及供水保障数字孪生系统建设要求,基于UE引擎、GIS、无人机航拍数据、监测信息及共享信息等多源异构数据构建平原感潮地区数据底板;通过太浦河模型平台和可视化引擎,形成以事件为驱动的太浦河防洪及供水预报、预警、预演、预案的“四预”孪生系统,并建立太浦河历史水情、雨情、工情、水质等信息与调度预案方案间的映射关系,关联提示方案预案并实现智能推荐应急处置。场景化构建太浦河防洪及供水“四预”全过程,服务太浦河综合调度需要,可为平原感潮地区数字孪生“四预”业务应用建设提供案例参考。     

韧性城市视角下的甬江流域数字孪生平台建设

针对甬江流域水灾害防御需求,结合韧性城市理论,以防洪减灾“预报、预警、预演、预案”四预体系为导向,利用数字孪生引擎的强大渲染能力,建设全要素的数字孪生流域时空底座,以水文水动力模型、空间计算技术等为重要基础支撑,围绕综合监测、洪涝预报、洪涝预演、综合调度、协同预案等业务需求构建孪生场景,实现了甬江流域数字孪生平台。实践应用表明,该平台成功抵御了甬江流域超标准洪水,并对未来防洪工程体系优化具有启示意义,对其他流域防洪减灾、城市内涝治理工作具有一定的借鉴意义。     

数字孪生流域预演场景研究与运用——以嫩江干流为例

为加强数字孪生演练场景真实化,助力决策精准化,依托数字孪生流域建设思路,搭建数字孪生业务应用平台。分析孪生平台整体架构与关键技术,构建具备预报、预警、预演、预案功能的防洪“四预”全景可视化平台。以嫩江干流为例,分析数字孪生建设实际需求,以尼尔基水库防洪调度为预演场景,分析尼尔基水库上游与下游嫩江干流之间的淹没损失关系,得出最优调度防御安排及建议。结果表明：通过全景可视化平台进行场景演练,可呈现河道演进真实情况,保障河道行洪安全,避免淹没损失,为防洪安全决策提供科学支撑。     

数字孪生甬江流域水资源“四预”应用研究

基于当前数字孪生流域发展背景及宁波市水资源利用特点，为满足宁波市水资源在不同时空下合理分配的需求，以甬江流域水资源管理与调配“四预”流程为切入点，深度融合数字孪生、BIM 建模等现代化信息技术，在建立来水预报分析、需水预测、水资源优化调配、水资源实时分析评价及水资源预警等各类模型的基础上， 构建具有“预报分析—监测预警—调配预演—调度预案—动态评价”功能的水资源管理与调配业务应用系统，以达到及时准确预报、全面精准预警、同步仿真预演、精细数字预案、多维动态评价的目标，最终实现水资源的智能优化调配与管理。     

数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨

针对汉江流域水工程种类多样、体量庞大、预报调度任务复杂且艰巨、水资源管理与调配业务信息化程度不足的现状，选取汉江流域作为数字孪生建设先行先试工作试点，重点围绕防洪调度和水资源管理与调配业务需求，开展数字孪生平台及预报、预警、预演、预案“四预”功能建设。目前，数字孪生汉江流域已初步构建与流域实体孪生的数据底板，搭建统一且通用的模型平台和微服务化的知识平台，融合专业模型、知识图谱与业务应用，基于水工程联合调度规则库、水位目标控制的水库调度方式优化、行蓄洪空间防洪调度知识图谱等关键技术，形成防洪调度和水资源管理与调配智慧应用。建设过程中在可视化技术、孪生平台、知识图谱等方面凝练相关技术成果，可为其他数字孪生建设提供支撑参考。     

数字孪生技术使能智慧地下水

地下水作为流域水循环的重要部分，在稳定区域水资源、维系生态系统功能等方面扮演着非常重要的角色，为实现地下水“预报精准化、预警实时化、预演实景化、预案实地化”的目标，使能地下水智慧业务应用及管理，以数字孪生技术为核心，提出智慧地下水体系的概念。通过依托地下水数据底板、知识平台，构建地下水数值模型，分析研究区地下水数字流场，预测预报不同时期的地下水动态特征；通过制定分区分时段地下水水位水量控制阈值，建立地下水超采预警机制；通过对不同场景下的地下水动态过程进行预演，并结合实时监测数据，制定地下水应急场景下的预案。构建的具有“预报、预警、预演、预案”功能的智慧地下水体系，可为地下水的管理和科学研究工作提供技术支撑。     

智慧水利在四川洪水预报和防洪调度中的应用

随着水利部大力推进智慧水利建设,智慧水利已成为全国水利行业发展的必然方向。为探索智慧水利在洪水预报和防洪调度中的应用成效,简要说明四川省水旱灾害防御形势和预报调度技术发展现状,以四川省智慧水利建设为切入点,系统介绍水旱灾害防御智慧水利总框架,从感知层、支撑层、应用层对四川省洪水预报和防洪调度工作中的水文要素感知,信息存储传输,值班管理,实时水雨情监测,防汛形势分析,预报调度,水文应急分析,水情服务等关键环节进行详细阐述。以智慧水利在四川省 2020 年流域性特大暴雨洪水过程为例,通过分析洪水作业预报精度和流域水库群调度削峰滞洪成效,以及对比近年来防汛减灾经济效益增长情况等方式,说明智慧水利建设能够大幅提升水文监测自动化、预警预报实时化、预报调度一体化、分析评价智能化水平,带来更大的防汛减灾效益。     

珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用

数字孪生珠江先行先试建设以数字孪生技术为支撑，基于珠江流域管理需求，率先开展水旱灾害防御业务应用建设。结合珠江委当前信息化现状，对照“四预”相关技术要求，深入分析目前珠江流域水旱灾害防御业务应用仍然存在“预演”能力不足的问题。为解决此项难题，开展水利三维可视化仿真技术、水利模型管理及服务技术研究，研发了水利三维可视化仿真、模型管理及服务技术。搭建了水旱灾害防御相关数据底板，构建了模型平台和知识平台开发具有“四情”态势感知、分级分类智能预警、多维多尺度场景全链条预演的珠江水旱灾害防御“四预”平台，为珠江流域水旱灾害防御工作提供支撑。     

数字孪生贾鲁河在工程施工期防洪度汛中的应用

为满足贾鲁河综合治理工程施工期防洪度汛精细化管理的需求,确保工程安全的同时能够充分发挥流域防洪效益,数字孪生技术被应用于在建水利工程施工度汛精准风险分析、预警和防汛预案制定中。数字孪生贾鲁河以自建采集L3级和共享L1和L2级数据为“算据”底板,以模型平台和知识平台为“算法”支撑,以信息化基础设施为“算力”依托,搭建具有预报、预警、预演、预案等“四预”功能的流域防洪应用。在贾鲁河流域基础资料收集及数字化场景搭建和模型构建基础上,以流域降雨量级超100年一遇、约50年一遇、约20年一遇设置了三类预演情景模拟洪水,统计施工期工程存在的漫堤风险、淹没风险、冲刷风险、洪水倒灌风险、桥梁阻水风险、堤外积水风险等六类风险并制定防洪度汛措施。数字孪生贾鲁河确保了工程2022年安全度汛,总结了河道治理工程施工期洪水风险类型和定量评估方法,形成了在建工程复杂环境条件下的地形勘测、洪水模拟、风险预警、应对措施制定的完整解决方案。     

盐环定扬黄工程安全“四预”信息化建设探索

为建设符合盐环定扬黄工程实际的水利安全生产“四预”体系信息化系统，基于水利部智慧水利体系的建设要求，立足盐环定扬黄工程更新改造建设，基本完成设备运行自动化监测、供水业务信息化管理、关键设施可视化监视、制度预案等工程安全生产信息化建设的基础。结合工程信息化建设，分析盐环定扬黄工程实现安全生产的 “四预”需求，明确以构建梯级泵站数字孪生为核心，探索基于工程智能业务应用、网络安全和梯级泵站智能调度融合建设的扬水过程的安全生产“四预”管控目标，探索“人防、物防、技防”到“数防”的数字化转变，为盐环定扬黄工程建设安全“四预”信息化体系提供方向和建设思路。     

江西省小流域智慧防汛系统的应用技术研究

智慧应用是当前各个行业信息化领域研究的热点,以江西省小流域智慧防汛系统建设为例,对水利行业在防洪减灾领域的智慧应用技术进行研究:通过合成语音技术播报洪水预警信息;通过智能化预案应用,将危险区的预警与防汛责任人和应急响应措施自动关联,支持预警、会商、应急响应和响应反馈,实现业务一体化、自动化;通过智能检索应用,采用关键字查询能够自动关联防洪相关对象,快捷获取相关业务信息;用户和语音对话机器人进行交互,通过语音指令即可调用系统功能,获取业务信息。采用智慧应用技术,可更好地服务于小流域的防洪减灾实际工作。     

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。     

数字孪生淮河防洪“四预”系统关键技术

聚焦淮河流域防洪减灾重大需求面临的预报、预警、预演、预案关键科技难题，利用无人机、激光雷达、卫星遥感等“空天地”一体化技术，研发基于多源多尺度信息的数据底板构建技术，构建高精度多要素数据底板；利用水文水动力数值模拟和并行计算技术，构建超大规模水文水动力学耦合模拟技术；基于高精度数据底板、高性能算力和高精准算法，建立数字孪生淮河防洪“四预”平台，并在 2020 年淮河流域性较大洪水复盘检视和 2021—2022 年淮河多场次暴雨洪水中进行了应用。结果表明：计算节点数量由原来的 9 个细化至 5 157 个，计算单元大小由原来的 9 648 km² 细化至 17 km²，模型平均效率系数为 0.8，淮河干流主要控制站最大流量预报相对误差基本在 10%以内，洪水预报预见期能达到 2~4 d，可实现全流域全要素的精细化模拟，为数字孪生流域、洪水预报及工程调度提供技术支撑。     

西北山区流域融雪水资源“四预”应用系统技术研究

我国西北山区流域融雪性径流是当地宝贵水资源，为提高融雪水资源综合管理业务工作效率，就具有融雪径流预报、来水极值预警、来水情势预演模拟分析、预案查询等“四预”功能的应用系统相关技术开展研究。分析西北山区流域管理机构和水库管理部门实际工作需要，提出系统功能需求，明确设计原则要求，结合最新信息化技术应用分析，提出采用主计算控制循环模式的系统处理过程控制形式，将人机交互界面设计为基于左右屏幕互动的交互式双屏显示方式，切实强化系统功能、性能等对业务工作实际需要的反映和对接，为开发实现良好的用户应用系统打下坚实基础。     

生态流量监管“四预”业务应用探索

为提高重点河湖生态流量动态监管能力，针对各地服务支撑生态流量监管业务系统与数字孪生流域建设提出的“四统一”不相适应，以及生态流量监测预警、达标判别、统计分析、流量预测、成因分析、调度方案预演、预警响应等全过程监管能力不足等问题，本文围绕业务管理需求，提出了生态流量监管总体方案以及“四预”业务应用总体架构，提出了包括数据底板、模型库、知识库等内容的数字孪生平台建设思路以及基于图数据库的生态流量预警知识图谱构建技术，提出了包括监测告警、预测预警、水量调度预演、会商服务等功能的应用系统模块建设思路，梳理了生态流量监管“四预”业务流程，可为当前数字孪生流域建设先行先试和水资源管理与调配系统中的生态流量监管业务“四预”能力建设提供参考和借鉴意义。     

智慧水利指导下的云南水情信息化总体构想

水情信息化是构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系的重要组成部分.然而,在服务支撑能力与社会发展需求大幅度提升的同时,云南水情信息化建设相对滞后.因此,为加快提升云南水情信息化程度,从数据资源构建、专业系统开发、综合平台集成3个方面,明确提出"自下而上、上下统筹"的信息化建设的总体思路.强调以Hadoop大数...     

数字孪生椒江防洪“四预”应用研究

针对椒江流域山区河流、平原河网、感潮河段、洪泛区均存在的水系及易受台风影响的洪涝格局,根据数字孪生流域的要求,开发了符合数字孪生标准的水利专业模型服务组件,建设了预报调度一体化系统;对模型计算所需的多源数据开发了多源数据融合平台;根据防洪“四预”业务需求开发了知识平台对调度规则、历史洪水的知识推送功能;建立了椒江流域273个子流域112条河流、2112个计算断面、84900个二维计算网格、17个控制单元的流域预报调度一体化模型,系统经过多场次台风暴雨检验,运行效率较高;对全国沿海地区防洪“四预”应用建设具有借鉴意义。     

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、可靠的要求,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产品的辽宁省防汛抗旱指挥平台。该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,集成实时和基础信息展示查询、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及场景数字化、模拟精准化、决策智慧化。研究成果可为今后建设国产化水利业务系统提供示范。     

浙江水利数字化转型总体框架和关键技术研究

以水利数字化转型为抓手,推进智慧水利建设。按照全行业“一云一仓一平台”布局,建立水利数字化转型“四横三纵”总体架构,构建数据共享和业务协同两大开发模型,对水利数据和业务中台进行研究;省市县各级水利应用建设采用“统一用户体系、统一工作门户、统一数据仓、统一水利地图、统一安全防御”等“五统一”技术体系;将相关理论和方法应用于浙江水利数字化转型,研发浙江省水管理平台,并投入使用。实践表明,研究成果有助于解决水利数据资源“信息孤岛”和水利应用“各自为政”等问题。     

数字孪生潭江流域先行先试建设与实践

为提高潭江流域水利工程防洪调度能力,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,围绕“四预”核心功能,以22座大中型水库、7座梯级闸陂为精细化调度目标,建设数据底板、模型平台、业务应用等,构建流域L1级数据底板,流域重点区域及工程L2级数据底板,开发六大类水利专业模型,构建具有“四预”功能的预报调度系统平台,实现流域多源监测感知与数据高效能管理,江河水库闸坝集中管理、联合调度、科学决策,最大程度保障流域内防洪（潮）的安全,完善预报监测薄弱环节,提升工程调度反馈时效性,同时为河湖规范化管理提供依据。项目成果在2022年“龙舟水”、台风暴雨防御期间投入实战,助力潭江流域水库、水闸群的联合调度,取得防洪不受淹、水资源不浪费的最佳效益。