近年來，隨著科技的不斷進步和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，數(shù)字孿生技術(shù)在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的潛力。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)的應用，為水利業(yè)務的全要素“四預”功能提供支持，從而實現(xiàn)水安全要素的可視、可預測、可預警。
一、政策導向：
當前，水利行業(yè)正面臨著日益復雜的水安全挑戰(zhàn)，為了應對這些挑戰(zhàn)，水利部日前印發(fā)的《2023年水利工程建設(shè)工作要點》指出,要“提升數(shù)字化應用水平,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)字孿生流域為核心的智慧水利體系”。
二、數(shù)字孿生概念：
數(shù)字孿生是指通過數(shù)字化技術(shù)將實物世界和虛擬世界進行映射和融合，實現(xiàn)實時模擬和預測。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，面向各層級水利業(yè)務智能化和水利監(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項業(yè)務應用”為核心，綜合運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)等先進技術(shù)，深度融合信息技術(shù)與水利業(yè)務，圍繞多元信息采集、資源整合共享、業(yè)務協(xié)同和智慧應用等主要內(nèi)容，從基礎(chǔ)設(shè)施整合優(yōu)化、資源共享與服務、資源深度開發(fā)與利用三個層面擴展和豐富，構(gòu)造了以信息共享、業(yè)務協(xié)同和智能應用、社會服務為核心的智慧水利信息平臺，可實現(xiàn)隨時開展水質(zhì)監(jiān)測分析、在線推演預測、預警分析、態(tài)勢預演和預案管理業(yè)務（“四預”）等應用建設(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，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測、模型推演預測、態(tài)勢預演、方案比選和決策全鏈條貫通。
四、系統(tǒng)亮點功能描述：
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)進行分析，挖掘出有價值的信息，為決策者提供科學依據(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)進行全面模擬和預測，幫助決策者更好地了解系統(tǒng)運行情況。
預警功能：通過對水利系統(tǒng)的實時監(jiān)測和分析，數(shù)字孿生智慧水利解決方案能夠提前預警潛在的水安全風險，幫助決策者及時采取措施。
五、應用場景：
流域防洪
解決方案圍繞流域防洪、水資源管理與調(diào)配，實現(xiàn)在沿線流域、重點水利樞紐工程場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進行水利治理管理活動全過程精準化模擬和跟蹤，以預演為手段，指導預案生成，達到智慧化決策的目標。
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)域等進行數(shù)字孿生體構(gòu)建、渲染、映射，實現(xiàn)三維可視化呈現(xiàn)。
解決方案具備對流域、河道、節(jié)點、水庫、水源、分水、洼地等海量水文數(shù)據(jù)整編處理，通過機器學習和智能算法，實現(xiàn)降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流、演進和水庫調(diào)蓄等各類水文過程動態(tài)集成，提高洪水模擬預報和山洪預警等能力。
決策調(diào)度
在實現(xiàn)水利場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過預演分析洪水模擬預報、山洪災害預警、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度不同場景下的演變過程等，實現(xiàn)災害事件及水利工程調(diào)度的精準決策預案。針對重點斷面水位、流量、流向、項目流域水位、流向、重點樞紐工情信息等實時三維可視化顯示及重點斷面水量、水質(zhì)現(xiàn)狀，三維動態(tài)展示洪水預報及預警，實現(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)實時呈現(xiàn)。根據(jù)所形成的預演、預案及調(diào)度方案，輔助現(xiàn)實世界的水利預報、預警及工程調(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)字孿生應用場景。其中，工程壩區(qū)包括水工建筑物和附屬機電設(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)務管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)實現(xiàn)防洪興利智能預報調(diào)度、工程安全智能分析預警、生產(chǎn)運營智慧綜合管理、庫區(qū)智慧巡查監(jiān)管、綜合決策支持等業(yè)務應用。最終實現(xiàn)“四預”水利工程運行管理體系。
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、應力應變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、專項監(jiān)測)；水質(zhì)監(jiān)測；水土保持監(jiān)測；安防監(jiān)控等。
預警預案
數(shù)字孿生水利解決方案可以實現(xiàn)預演、預案功能。預演及預案通過數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺共同建立和實現(xiàn)。
流域及水利工程預案包括：洪水預報方案、山洪災害預警方案、災害應急處置預案、工程防汛預案、入庫預報方案、工程調(diào)度預案、安全生產(chǎn)事故綜合應急預案、突發(fā)環(huán)境事件應急預案、船閘應急預案及現(xiàn)場處置方案等。
知識平臺集成歷史場景、預演方案和其他樣本庫。歷史場景記錄歷史上真實發(fā)生的預報預警、調(diào)度指令和演變場景；預演方案存儲并復演、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)智能匹配預報預警方案和歷史類似調(diào)度場景，使用機器學習技術(shù)，不斷分析、迭代、優(yōu)化模型算法，優(yōu)化預案，實現(xiàn)對水利事件的精準決策依據(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)實現(xiàn)全天候、全場景無人值守自動監(jiān)測及時掌握運營狀況，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、閘門遠程控制、泄洪預警廣播、實時視頻監(jiān)控、出入庫流量監(jiān)測、水質(zhì)在線監(jiān)測等幾個部分，能夠及時準確將前端監(jiān)測站點數(shù)據(jù)采集入庫并自動分析預警，可通過平臺及APP及時掌握水庫大壩運營情況從而及時做出管理決策。
