近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，數(shù)字孿生技術(shù)在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的潛力。在水利領(lǐng)域，數(shù)字孿生智慧水利解決方案通過智能模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，為水利業(yè)務(wù)的全要素“四預(yù)”功能提供支持，從而實(shí)現(xiàn)水安全要素的可視、可預(yù)測、可預(yù)警。
一、政策導(dǎo)向：
當(dāng)前，水利行業(yè)正面臨著日益復(fù)雜的水安全挑戰(zhàn)，為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，水利部日前印發(fā)的《2023年水利工程建設(shè)工作要點(diǎn)》指出,要“提升數(shù)字化應(yīng)用水平,推動數(shù)字孿生和信息化技術(shù)與水利工程建設(shè)管理深度融合,加快推動新建重大水利工程建設(shè)數(shù)字孿生工程。”近日發(fā)布的《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》也提出,要“構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系”。
二、數(shù)字孿生概念：
數(shù)字孿生是指通過數(shù)字化技術(shù)將實(shí)物世界和虛擬世界進(jìn)行映射和融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時模擬和預(yù)測。在水利領(lǐng)域，數(shù)字孿生智慧水利解決方案利用水利專業(yè)模型、智能分析模型和仿真可視化模型的集成耦合，構(gòu)建出一個數(shù)字孿生水利工程模擬仿真平臺，實(shí)現(xiàn)對水利系統(tǒng)的全面監(jiān)測和管理。
三、方案概述：
我司根據(jù)智慧水利總體目標(biāo)，面向各層級水利業(yè)務(wù)智能化和水利監(jiān)督領(lǐng)域，基于天空地多元立體的智能感知，聚焦水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害，構(gòu)建以“1個物聯(lián)網(wǎng)感知體系+1個數(shù)字化底座+N項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用”為核心，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)等先進(jìn)技術(shù)，深度融合信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)，圍繞多元信息采集、資源整合共享、業(yè)務(wù)協(xié)同和智慧應(yīng)用等主要內(nèi)容，從基礎(chǔ)設(shè)施整合優(yōu)化、資源共享與服務(wù)、資源深度開發(fā)與利用三個層面擴(kuò)展和豐富，構(gòu)造了以信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同和智能應(yīng)用、社會服務(wù)為核心的智慧水利信息平臺，可實(shí)現(xiàn)隨時開展水質(zhì)監(jiān)測分析、在線推演預(yù)測、預(yù)警分析、態(tài)勢預(yù)演和預(yù)案管理業(yè)務(wù)（“四預(yù)”）等應(yīng)用建設(shè)，并基于三維可視展示，及時掌握庫區(qū)水質(zhì)狀況及未來變化態(tài)勢，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測、模型推演預(yù)測、態(tài)勢預(yù)演、方案比選和決策全鏈條貫通。
四、系統(tǒng)亮點(diǎn)功能描述：
全要素感知功能：數(shù)字孿生智慧水利解決方案能夠?qū)崟r感知水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等多個要素的變化情況，提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
智能分析功能：通過智能分析模型對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出有價值的信息，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。
模擬仿真功能：基于仿真可視化模型，數(shù)字孿生智慧水利解決方案能夠?qū)λ到y(tǒng)進(jìn)行全面模擬和預(yù)測，幫助決策者更好地了解系統(tǒng)運(yùn)行情況。
預(yù)警功能：通過對水利系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測和分析，數(shù)字孿生智慧水利解決方案能夠提前預(yù)警潛在的水安全風(fēng)險，幫助決策者及時采取措施。
五、應(yīng)用場景：
流域防洪
解決方案圍繞流域防洪、水資源管理與調(diào)配，實(shí)現(xiàn)在沿線流域、重點(diǎn)水利樞紐工程場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水利治理管理活動全過程精準(zhǔn)化模擬和跟蹤，以預(yù)演為手段，指導(dǎo)預(yù)案生成，達(dá)到智慧化決策的目標(biāo)。
基于信息基礎(chǔ)設(shè)施，利用三維仿真技術(shù)，對江河湖泊、水利工程、水利治理管理對象、影響區(qū)域等進(jìn)行數(shù)字孿生體構(gòu)建、渲染、映射，實(shí)現(xiàn)三維可視化呈現(xiàn)。
解決方案具備對流域、河道、節(jié)點(diǎn)、水庫、水源、分水、洼地等海量水文數(shù)據(jù)整編處理，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法，實(shí)現(xiàn)降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流、演進(jìn)和水庫調(diào)蓄等各類水文過程動態(tài)集成，提高洪水模擬預(yù)報和山洪預(yù)警等能力。
決策調(diào)度
在實(shí)現(xiàn)水利場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過預(yù)演分析洪水模擬預(yù)報、山洪災(zāi)害預(yù)警、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度不同場景下的演變過程等，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害事件及水利工程調(diào)度的精準(zhǔn)決策預(yù)案。針對重點(diǎn)斷面水位、流量、流向、項(xiàng)目流域水位、流向、重點(diǎn)樞紐工情信息等實(shí)時三維可視化顯示及重點(diǎn)斷面水量、水質(zhì)現(xiàn)狀，三維動態(tài)展示洪水預(yù)報及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)引水期間，流域水面線、槽蓄量、引水流向和水量分配信息的三維動態(tài)實(shí)時呈現(xiàn)。根據(jù)所形成的預(yù)演、預(yù)案及調(diào)度方案，輔助現(xiàn)實(shí)世界的水利預(yù)報、預(yù)警及工程調(diào)度指揮決策。
水利工程
數(shù)字孿生水利工程包括對工程庫區(qū)、工程壩區(qū)、工程下游影響區(qū)的三維可視化數(shù)字孿生體構(gòu)建，搭建數(shù)字孿生應(yīng)用場景。其中，工程壩區(qū)包括水工建筑物和附屬機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)等。
通過水利部本級及流域管理機(jī)構(gòu)L1級和L2級數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，基于BIM+GIS技術(shù)建設(shè)水利工程L3級數(shù)據(jù)底板，匯聚工程全要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)防洪興利智能預(yù)報調(diào)度、工程安全智能分析預(yù)警、生產(chǎn)運(yùn)營智慧綜合管理、庫區(qū)智慧巡查監(jiān)管、綜合決策支持等業(yè)務(wù)應(yīng)用。最終實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”水利工程運(yùn)行管理體系。
具體功能包括：水文監(jiān)測(雨量監(jiān)測、水位監(jiān)測、流量監(jiān)測、泥沙監(jiān)測、土壤墑情監(jiān)測)；工程安全監(jiān)測(變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、專項(xiàng)監(jiān)測)；水質(zhì)監(jiān)測；水土保持監(jiān)測；安防監(jiān)控等。
預(yù)警預(yù)案
數(shù)字孿生水利解決方案可以實(shí)現(xiàn)預(yù)演、預(yù)案功能。預(yù)演及預(yù)案通過數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺共同建立和實(shí)現(xiàn)。
流域及水利工程預(yù)案包括：洪水預(yù)報方案、山洪災(zāi)害預(yù)警方案、災(zāi)害應(yīng)急處置預(yù)案、工程防汛預(yù)案、入庫預(yù)報方案、工程調(diào)度預(yù)案、安全生產(chǎn)事故綜合應(yīng)急預(yù)案、突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案、船閘應(yīng)急預(yù)案及現(xiàn)場處置方案等。
知識平臺集成歷史場景、預(yù)演方案和其他樣本庫。歷史場景記錄歷史上真實(shí)發(fā)生的預(yù)報預(yù)警、調(diào)度指令和演變場景；預(yù)演方案存儲并復(fù)演、仿真模擬不同階段輸入條件下的流域及工程變化成果，系統(tǒng)智能匹配預(yù)報預(yù)警方案和歷史類似調(diào)度場景，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷分析、迭代、優(yōu)化模型算法，優(yōu)化預(yù)案，實(shí)現(xiàn)對水利事件的精準(zhǔn)決策依據(jù)。
水庫大壩安全監(jiān)測
水庫大壩安全監(jiān)測依托5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全天候、全場景無人值守自動監(jiān)測及時掌握運(yùn)營狀況，有效解決水庫管理人員不足、管理不規(guī)范等問題，包括大壩安全監(jiān)測、水雨情自動測報、閘門遠(yuǎn)程控制、泄洪預(yù)警廣播、實(shí)時視頻監(jiān)控、出入庫流量監(jiān)測、水質(zhì)在線監(jiān)測等幾個部分，能夠及時準(zhǔn)確將前端監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集入庫并自動分析預(yù)警，可通過平臺及APP及時掌握水庫大壩運(yùn)營情況從而及時做出管理決策。
