一、政策
为加快推进水利治理体系和治理能力现代化,水利部于2024年4月印发《关于推进水利工程建设数字孪生的指导意见》的通知,充分发挥数字孪生技术对水利工程建设高质量发展的驱动作用,提升水利工程建设全要素、全过程的数字化、网络化、智能化管理能力,建立透彻感知、智能先进、互联协同、科学高效的水利工程建设管理新模式,保障水利工程建设质量、安全和长效运行。
二、必要性
1、防汛抗旱
在汛期,准确监测水库的水位和降雨量,通过水利专业模型分析计算,能够帮助相关部门及时预测和掌握洪水的发生发展趋势,为水库调度决策提供科学依据。通过提前泄洪或拦蓄洪水,合理调控水库的出水流量,保持水库的安全水位,也可以有效地减轻下游地区的洪涝灾害影响。
在干旱时期,预测水库的蓄水量和来水量,可以合理安排水资源的调配,保障农业灌溉、工业生产、居民生活用水和生态环保用水的不同需求。
结合上下游防洪要求和水库自身安全运行条件,以水利专业模型为基础,通过动态规划等方法,优化水库的防洪调度规则。
2、水资源管理
水库预报模型可以准确掌握水库的来水情况和水资源现状,根据来水的不同等级和发展阶段,计算水库的水量平衡,确定不同的调蓄方式。考虑水库的来水量(包括地表径流、地下水补给等)、用水量(如灌溉、供水等)和蒸发渗漏损失等因素,精确地分析水库的水量收支情况,合理安排生活生产供水计划。
当水库承担多种功能,如供水、生态等时,水利专业模型可以综合考虑这些目标。通过建立多目标优化模型,以供水保证率和生态需水量等作为目标,通过模拟不同的水资源分配方案,找到最优的配置策略。
三、系统介绍
智慧水库数字孪生系统基于信息化基础设施,利用云计算、物联网、大数据、人工智能、遥感、数字仿真等技术,对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟和前瞻预演,支撑水利业务“四预”功能实现。实现水库公共数据的全面整合与共享,预留与上级主管部门、大数据等信息化系统之间的数据和业务接口,为实现水库工程管理、水库政务管理、应急指挥等核心的统一管理提供强有力的信息化支撑手段,为水库安全运行与科学调度提供智慧化的管理手段。
四、系统亮点
智慧水库数字孪生系统采用AI动态监管,打造“数字水库”。
1、AI智能信息采集
AI智能信息采集用于大坝安全、水雨情、实时视频、GIS地图、流速流量、洪水预报、水质监测等。
2、数据集成化管控
数据集成化管控具有数据汇集、数据分析、溯源推导、预报预警等功能。
3、水库动态监管平台
4、构建水库洪水演进分析数字化场景,直观化展示洪水时空演进过程,并实现山洪灾害风险落区的动态更新。
5、构建统一、高效、科学、规范的山洪灾害防御体系,全面提升山洪灾害监测预警的信息化管理水平,有效预防、及时控制和最大限度的消除山洪灾害危害。
6、以动态化数据为依据一键生成灾情报告,并通过智能化预案,选择最优的调度方案,有效提高决策的科学性。
五、系统平台
水库管理平台
数字孪生平台
大坝安全监测平台
水库管理平台
水利一张图
单点数据分析
水位数据分析
流速流量数据分析
监测成果表自动生成
实景可视化、重要信息实景标注
相关视频、数据关联展示
重点区域警戒看护
报警模块
巡检上报模块
大数据看板—定制化
移动监控端
六、系统功能内容
(1)、智慧水库数字孪生系统建立以水雨情监测、大坝安全监测、防洪调度、兴利调度、应急响应以及综合管理等核心业务为一体的综合业务系统,为水库工程安全管理提供业务支撑。
(2)、系统建立基于ESB、微服务、SOA、ETL的信息系统架构体系,为业务应用系统协同业务、系统与数据之间、数据与数据之间提供高效的数据中台和业务中台,为信息系统业务功能扩展提供有效的保障。
(3)、结合信息化系统建设情况,对多源异构数据资源进行汇聚、清洗、共享,通过数据算法,实现数据最大限度的应用,建立“一数、一源、一责”的制度体系,确保数据动态更新,为应用系统提供规范的、可用的数据资源。
(4)、通过建立二三维一体化的GIS 平台,借助无人机航拍技术、实景地图技术等新型展示方式,将数据监测、分析模型与GIS 进行关联,形成地理信息数据库,发布具备工程管理价值的业务系统。
(5)、借助于BIM 技术对重要的水工建筑物进行三维建模,将大坝安全监测与三维模型结合,分析评估建筑物安全状态,预测建筑物变化趋势,指导工程管理和运行维护。
(6)、数字化监护采用数字孪生技术,基于实测的遥感影像和勘察的水库数据,构建的一、二维水动力模型,预测分析洪水演进与淹没过程,并在三维场景中展示防御对象的详细信息。
(7)、通过无人机、无人船采集数字高程模型(DEM)、正射影像图(DOM)、倾斜摄影模型及水下地形等地理空间数据,构建数字孪生可视化模型,并结合水利专业预测预报模型,实现“预报、预警、预演、预案”能力。
(8)、多部门联动汇集水利、气象等部门的数据,整合共享数据资源,打通多个数据源系统,实现跨部门数据共享,并开启多级预警模式,实时开展动态研判。
(9)、智能预案通过移动端事件处置APP和跨部门联动机制,实时动态掌控水库情况和应急处置情况,一键生成水库监测报告。
七、应用案例
马湖水库数字孪生平台
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