智慧水庫(kù)數(shù)字孿生系統(tǒng)解決方案

一、政策

為加快推進(jìn)水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化，水利部于2024年4月印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)水利工程建設(shè)數(shù)字孿生的指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)水利工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的驅(qū)動(dòng)作用，提升水利工程建設(shè)全要素、全過(guò)程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理能力，建立透徹感知、智能先進(jìn)、互聯(lián)協(xié)同、科學(xué)高效的水利工程建設(shè)管理新模式，保障水利工程建設(shè)質(zhì)量、安全和長(zhǎng)效運(yùn)行。

二、必要性

1、防汛抗旱

在汛期，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水庫(kù)的水位和降雨量，通過(guò)水利專(zhuān)業(yè)模型分析計(jì)算，能夠幫助相關(guān)部門(mén)及時(shí)預(yù)測(cè)和掌握洪水的發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)，為水庫(kù)調(diào)度決策提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)提前泄洪或攔蓄洪水，合理調(diào)控水庫(kù)的出水流量，保持水庫(kù)的安全水位，也可以有效地減輕下游地區(qū)的洪澇災(zāi)害影響。

在干旱時(shí)期，預(yù)測(cè)水庫(kù)的蓄水量和來(lái)水量，可以合理安排水資源的調(diào)配，保障農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水和生態(tài)環(huán)保用水的不同需求?。

結(jié)合上下游防洪要求和水庫(kù)自身安全運(yùn)行條件，以水利專(zhuān)業(yè)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法，優(yōu)化水庫(kù)的防洪調(diào)度規(guī)則。

2、水資源管理

水庫(kù)預(yù)報(bào)模型可以準(zhǔn)確掌握水庫(kù)的來(lái)水情況和水資源現(xiàn)狀，根據(jù)來(lái)水的不同等級(jí)和發(fā)展階段，計(jì)算水庫(kù)的水量平衡，確定不同的調(diào)蓄方式?？紤]水庫(kù)的來(lái)水量（包括地表徑流、地下水補(bǔ)給等）、用水量（如灌溉、供水等）和蒸發(fā)滲漏損失等因素，精確地分析水庫(kù)的水量收支情況，合理安排生活生產(chǎn)供水計(jì)劃。

當(dāng)水庫(kù)承擔(dān)多種功能，如供水、生態(tài)等時(shí)，水利專(zhuān)業(yè)模型可以綜合考慮這些目標(biāo)。通過(guò)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，以供水保證率和生態(tài)需水量等作為目標(biāo)，通過(guò)模擬不同的水資源分配方案，找到最優(yōu)的配置策略。

三、系統(tǒng)介紹

智慧水庫(kù)數(shù)字孿生系統(tǒng)基于信息化基礎(chǔ)設(shè)施，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、遙感、數(shù)字仿真等技術(shù)，對(duì)物理流域全要素和水利治理管理活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬和前瞻預(yù)演，支撐水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)水庫(kù)公共數(shù)據(jù)的全面整合與共享，預(yù)留與上級(jí)主管部門(mén)、大數(shù)據(jù)等信息化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)接口，為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)工程管理、水庫(kù)政務(wù)管理、應(yīng)急指揮等核心的統(tǒng)一管理提供強(qiáng)有力的信息化支撐手段，為水庫(kù)安全運(yùn)行與科學(xué)調(diào)度提供智慧化的管理手段。

四、系統(tǒng)亮點(diǎn)

智慧水庫(kù)數(shù)字孿生系統(tǒng)采用AI動(dòng)態(tài)監(jiān)管，打造“數(shù)字水庫(kù)”。

1、AI智能信息采集

AI智能信息采集用于大壩安全、水雨情、實(shí)時(shí)視頻、GIS地圖、流速流量、洪水預(yù)報(bào)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。

2、數(shù)據(jù)集成化管控

數(shù)據(jù)集成化管控具有數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)分析、溯源推導(dǎo)、預(yù)報(bào)預(yù)警等功能。

3、水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺(tái)

4、構(gòu)建水庫(kù)洪水演進(jìn)分析數(shù)字化場(chǎng)景，直觀化展示洪水時(shí)空演進(jìn)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)落區(qū)的動(dòng)態(tài)更新。

5、構(gòu)建統(tǒng)一、高效、科學(xué)、規(guī)范的山洪災(zāi)害防御體系，全面提升山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的信息化管理水平，有效預(yù)防、及時(shí)控制和最大限度的消除山洪災(zāi)害危害。

6、以動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)為依據(jù)一鍵生成災(zāi)情報(bào)告，并通過(guò)智能化預(yù)案，選擇最優(yōu)的調(diào)度方案，有效提高決策的科學(xué)性。

五、系統(tǒng)平臺(tái)

水庫(kù)管理平臺(tái)

數(shù)字孿生平臺(tái)

大壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)

水庫(kù)管理平臺(tái)

水利一張圖

單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

水位數(shù)據(jù)分析

流速流量數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)成果表自動(dòng)生成

實(shí)景可視化、重要信息實(shí)景標(biāo)注

相關(guān)視頻、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)展示

重點(diǎn)區(qū)域警戒看護(hù)

報(bào)警模塊

巡檢上報(bào)模塊

大數(shù)據(jù)看板—定制化

移動(dòng)監(jiān)控端

六、系統(tǒng)功能內(nèi)容

（1）、智慧水庫(kù)數(shù)字孿生系統(tǒng)建立以水雨情監(jiān)測(cè)、大壩安全監(jiān)測(cè)、防洪調(diào)度、興利調(diào)度、應(yīng)急響應(yīng)以及綜合管理等核心業(yè)務(wù)為一體的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為水庫(kù)工程安全管理提供業(yè)務(wù)支撐。

（2）、系統(tǒng)建立基于ESB、微服務(wù)、SOA、ETL的信息系統(tǒng)架構(gòu)體系，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同業(yè)務(wù)、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間提供高效的數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)，為信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展提供有效的保障。

（3）、結(jié)合信息化系統(tǒng)建設(shè)情況，對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行匯聚、清洗、共享，通過(guò)數(shù)據(jù)算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)最大限度的應(yīng)用，建立“一數(shù)、一源、一責(zé)”的制度體系，確保數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新，為應(yīng)用系統(tǒng)提供規(guī)范的、可用的數(shù)據(jù)資源。

（4）、通過(guò)建立二三維一體化的GIS 平臺(tái)，借助無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)、實(shí)景地圖技術(shù)等新型展示方式，將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析模型與GIS 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)布具備工程管理價(jià)值的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

（5）、借助于BIM 技術(shù)對(duì)重要的水工建筑物進(jìn)行三維建模，將大壩安全監(jiān)測(cè)與三維模型結(jié)合，分析評(píng)估建筑物安全狀態(tài)，預(yù)測(cè)建筑物變化趨勢(shì)，指導(dǎo)工程管理和運(yùn)行維護(hù)。

（6）、數(shù)字化監(jiān)護(hù)采用數(shù)字孿生技術(shù)，基于實(shí)測(cè)的遙感影像和勘察的水庫(kù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建的一、二維水動(dòng)力模型，預(yù)測(cè)分析洪水演進(jìn)與淹沒(méi)過(guò)程，并在三維場(chǎng)景中展示防御對(duì)象的詳細(xì)信息。

（7）、通過(guò)無(wú)人機(jī)、無(wú)人船采集數(shù)字高程模型（DEM）、正射影像圖（DOM）、傾斜攝影模型及水下地形等地理空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生可視化模型，并結(jié)合水利專(zhuān)業(yè)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”能力。

（8）、多部門(mén)聯(lián)動(dòng)匯集水利、氣象等部門(mén)的數(shù)據(jù)，整合共享數(shù)據(jù)資源，打通多個(gè)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)數(shù)據(jù)共享，并開(kāi)啟多級(jí)預(yù)警模式，實(shí)時(shí)開(kāi)展動(dòng)態(tài)研判。

（9）、智能預(yù)案通過(guò)移動(dòng)端事件處置APP和跨部門(mén)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌控水庫(kù)情況和應(yīng)急處置情況，一鍵生成水庫(kù)監(jiān)測(cè)報(bào)告。

七、應(yīng)用案例

馬湖水庫(kù)數(shù)字孿生平臺(tái)