智慧水库数字孪生系统解决方案

    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