研博數(shù)字孿生流域解決方案以水利部《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》為指導(dǎo)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)水旱災(zāi)害防御和最嚴格水資源管理兩方面目標。流域防洪“四預(yù)”是指以流域為單元，完善四情監(jiān)測體系，融合數(shù)字孿生成果，升級流域防洪預(yù)報、預(yù)警功能，基于洪水演進模型和知識平臺，增強重點區(qū)段洪水預(yù)演能力，從而支撐水工程聯(lián)合防災(zāi)調(diào)度預(yù)案優(yōu)選，提升水旱災(zāi)害防御智能化決策支撐能力;水資源科學(xué)與調(diào)配是指在整合水資源總量、水權(quán)分配、取用水量、省界斷面監(jiān)測以及經(jīng)濟社會信息等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建水資源管理調(diào)配數(shù)字化場景，基于水資源調(diào)配模型和知識平臺，增強水資源調(diào)配決策預(yù)演能力，提升水資源監(jiān)管能力和支撐最嚴格水資源管理。
數(shù)字孿生流域各組成部分建設(shè)內(nèi)容如下
1、完善新型水利監(jiān)測網(wǎng)
按照“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建” 原則統(tǒng)籌規(guī)劃，充分利用衛(wèi)星遙感、無人機、儀器儀表、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分發(fā)能力，實現(xiàn)流域各類涉水對象感知數(shù)據(jù)匯聚與遠程操控，實現(xiàn)流域“雨情、水情、險情、災(zāi)情”多維度多時空動態(tài)監(jiān)測。
2、構(gòu)建多源融合的數(shù)據(jù)底板
數(shù)據(jù)底板由數(shù)據(jù)資源、感知數(shù)據(jù)引擎、空間數(shù)據(jù)引擎和報表數(shù)據(jù)引擎組成，能夠匯聚水利信息網(wǎng)傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)，經(jīng)處理后為模型平臺和知識平臺提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
2.1、梳理完善數(shù)據(jù)資源
按照“誰主管、誰提供、誰負責”的原則，通過調(diào)查表填報、現(xiàn)場座談、實地踏勘、資料收集等多種方式，全面梳理收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和外部共享數(shù)據(jù)。 其中針對地理空間數(shù)據(jù)，將通過數(shù)據(jù)共享、衛(wèi)星遙感和BIM建模等方式，實現(xiàn)全流域L1級，重點區(qū)段L2級，重點工程L3級數(shù)據(jù)采集要求，具體內(nèi)容包括DEM、DOM、傾斜攝影、工程BIM模型等數(shù)據(jù)。
2.2、感知數(shù)據(jù)引擎
針對物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、工業(yè)控制數(shù)據(jù)等各類在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入系統(tǒng)，消除數(shù)字孿生流域建設(shè)存在的監(jiān)測數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一化、規(guī)范化、持續(xù)化接入問題。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入系統(tǒng)是具備大規(guī)模、高可用、高并發(fā)、低時延設(shè)備接入能力的數(shù)據(jù)引擎，能夠向下實現(xiàn)海量的多源設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、交互、傳輸、控制及應(yīng)用，向上為模型平臺、知識平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供感知數(shù)據(jù)服務(wù)。
2.3、空間數(shù)據(jù)引擎
針對數(shù)字高程、矢量要素、柵格、遙感影像等各類空間數(shù)據(jù)，采用GIS引擎， 按照行業(yè)標準OGC協(xié)議，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫，提供空間數(shù)據(jù)存儲和空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)能力，向上為模型平臺、知識平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用共享地理空間數(shù)據(jù)。
2.4、報表數(shù)據(jù)引擎
針對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外部共享數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，采用報表數(shù)據(jù)引擎，引擎支持文本數(shù)據(jù)源、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等多源數(shù)據(jù)鏈接，自定義報表設(shè)計與制作，數(shù)據(jù)錄入、Excel導(dǎo)入等數(shù)據(jù)填報功能，支持為模型平臺、知識平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用共享報表數(shù)據(jù)和報表服務(wù)。
3、構(gòu)建通用化模型平臺
模型平臺利用數(shù)據(jù)底板成果，以水利專業(yè)模型分析物理流域的要素變化、活動規(guī)律和相互關(guān)系，通過智能識別模型提升水利感知能力，利用模擬仿真引擎模擬物理流域的運行狀態(tài)和發(fā)展趨勢，并將以上結(jié)果通過可視化模型動態(tài)呈現(xiàn)。
3.1、洪水預(yù)報模型
洪水預(yù)報模型接入水利部或氣象部門降水預(yù)報，基于水文預(yù)報模型、一二維耦合水動力模型、水庫調(diào)度模型和水工建筑調(diào)度模型，采用最新的SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)，以標準化接口,為流域防洪四預(yù)系統(tǒng)提供短期、中期和長期洪水預(yù)報信息，預(yù)報信息主要包括水位(流量)過程、水位(流量)及峰現(xiàn)時間，在流域形成“洪水預(yù)報-洪水預(yù)警-工程調(diào)度-調(diào)度預(yù)演-預(yù)案生成-動態(tài)模擬”的一體化防洪預(yù)報調(diào)度體系，實現(xiàn)數(shù)字化場景下的洪水模擬仿真和預(yù)演。
3.2、水資源模型
系統(tǒng)能夠以降雨預(yù)報、水文預(yù)報和歷史氣象信息，模擬流域水循環(huán)過程，可得到重要斷面、行政區(qū)和流域多時間尺度(年、月、日)的水資源動態(tài)評價成果，包括降水量、河川徑流量、蒸散發(fā)量、流入流出量、地表水資源量和水資源總量，建立來水預(yù)測模型;基于水循環(huán)過程、水源分布、用水戶分布等特征，實現(xiàn)“供、用、耗、排、再利用”全過程水量平衡模擬，建立需水預(yù)測模型?；谝?guī)則的全過程控制，建立多水源、多用戶之間的配置關(guān)系，實現(xiàn)對不同水源、不同用戶的層次化協(xié)調(diào)分配，解決區(qū)域之間、用水之間、水源之間的競爭問題，建立水資源調(diào)配模型。
3.3、可視化模型
利用數(shù)據(jù)底板成果，在全流域?qū)崿F(xiàn)河流、湖泊、侵蝕溝、植被、建筑、道路等自然背景模型可視化構(gòu)建;在全流域?qū)崿F(xiàn)水庫、水閘、堤防、水電站、泵站、灌區(qū)、調(diào)水、淤地壩等水利工程模型可視化構(gòu)建;在全流域?qū)崿F(xiàn)水泵、啟閉機、閘門等水利機電設(shè)備可視化模型構(gòu)建;在重點區(qū)段實現(xiàn)水流方向、流量變化等流程可視化模型構(gòu)建，直觀反映流域洪水態(tài)勢及分洪過程。
3.4、模擬仿真引擎
針對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、BIM模型等可視化數(shù)據(jù)，采用 “GIS+游戲引擎”融合高性能數(shù)字孿生仿真引擎，在滿足GIS高精度空間分析的同事，實現(xiàn)游戲級別高保真渲染與仿真，為流域數(shù)字孿生虛實映射、高保真模擬仿真提供有力支撐和強力驅(qū)動，為防洪 “四預(yù)”、水資源調(diào)配等業(yè)務(wù)可視化模型提供模擬仿真的能力。
3.5、智能識別模型
根據(jù)流域防洪、水資源管理調(diào)配、數(shù)字河湖等業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，分別建設(shè)遙感識別模型和視覺識別模型。遙感識別模型包括水域范圍和“四亂”識別兩種模型，水域范圍識別是指可以識別出地表水的水域范圍、坐標、面積、寬度和長度等信息;“四亂”識別識別出河道“亂建、亂占、亂堆、亂采”等違規(guī)現(xiàn)象。視覺識別可以識別出堤岸崩塌檢測、人員下水識別、垃圾堆放識別、水域岸線亂建識別、河道漂浮物檢測、采砂識別等場景。
4、構(gòu)建知識平臺
聚焦流域精細管理和精準調(diào)度的需求，通過深度學(xué)習和知識圖譜等技術(shù)，耦合水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系、調(diào)度方案、業(yè)務(wù)規(guī)則和專家經(jīng)驗等知識，挖掘水利業(yè)務(wù)關(guān)鍵影響要素，結(jié)合物理過程構(gòu)建單主題知識圖譜以及多主題耦合知識圖譜，針對不同水、雨、工、險情特征，驅(qū)動風險預(yù)警、調(diào)度方案的智能生成與自適應(yīng)優(yōu)化，形成對水利知識的統(tǒng)一管理，并建立自學(xué)習進化機制，實現(xiàn)決策的精準響應(yīng)與快速迭代，為數(shù)據(jù)和模型調(diào)用提供智能內(nèi)核。
5、構(gòu)建水利“2+1”智能應(yīng)用
5.1、流域防洪四預(yù)系統(tǒng)
系統(tǒng)能夠通過“四預(yù)”防洪體系的建設(shè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)全過程場景化模擬仿真，將“四預(yù)”過程和監(jiān)管貫穿在業(yè)務(wù)流程中，提高流域水災(zāi)害的防御能力。“預(yù)報”對洪水發(fā)展趨勢作出短期、中長期的定量或定性分析;“預(yù)警”通過制定水利災(zāi)害風險閾值和指標，完善水利業(yè)務(wù)預(yù)警發(fā)布機制，及時把風險預(yù)警信息直達流域防御工作一線;“預(yù)演”針對不同情景目標，在數(shù)字孿生流域中進行水利工程調(diào)度方案模擬仿真預(yù)演，實時分析水利工作面臨的風險形勢，提出調(diào)度方案集;“預(yù)演”結(jié)合預(yù)演仿真，對預(yù)案集進行評估并推優(yōu)，滾動調(diào)整水利工程運行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險等應(yīng)對措施，精細化編制流域或區(qū)域水利工程調(diào)度預(yù)案、方案、計劃等，確保預(yù)案的科學(xué)性和可操作性。
5.2、水資源管理與調(diào)配系統(tǒng)
圍繞水資源管理“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”業(yè)務(wù)需求，以“動態(tài)評判、精準模擬、場景推演、智慧 決策”為路徑，系統(tǒng)致力于完善以流域為單位、加強監(jiān)控的手段、全面提高流域的水資源監(jiān)管能力，為最嚴格水資源管理制度的實施提供有力的手段和支撐。“預(yù)報”掌握和預(yù)測水資源情況(數(shù)量與質(zhì)量)，為水資源開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐;評估行業(yè)供用水、水質(zhì)和水生態(tài)荷載狀態(tài)，識別風險并及時發(fā)出預(yù)警信號;“預(yù)演”結(jié)合管理需求對不同供需場景進行不同尺度仿真推演，掌握水資源工序態(tài)勢;“預(yù)案”綜合當前可用水資源數(shù)量(質(zhì)量)，以及水資源供需態(tài)勢的模擬演練結(jié)果，形成水資源調(diào)度機生態(tài)流量保障預(yù)案。
5.3、數(shù)字河湖管理系統(tǒng)
系統(tǒng)以數(shù)字孿生流域建設(shè)為帶動，致力于推動河湖長制“點、線、面”一體化管理。強化大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、邊緣計算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與河湖長制工作的融合，保障河湖長責任落實，促進河湖管理由管到預(yù)轉(zhuǎn)變，使數(shù)字河湖賦能美麗幸福河湖，不斷提升河湖生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益。系統(tǒng)以流域水資源信息、氣象信息及衛(wèi)星遙感、無人機、監(jiān)控視頻信息為基礎(chǔ)，接入水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、排污口管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和采集，通過“遙感普查-無人機巡查-重點AI監(jiān)控”相結(jié)合，建立一套河湖智能巡查管理模式，全面提升流域水環(huán)境管理能力和突發(fā)事件應(yīng)急能力。
數(shù)字孿生流域平臺建設(shè)不僅應(yīng)該推進防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、河湖管理等重點工作，還應(yīng)該做好標準規(guī)范、信息安全、水利云、數(shù)據(jù)共享等運行維護工作。
標準規(guī)范
數(shù)字孿生流域建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，標準規(guī)范體系是成功建設(shè)的重要保障，目前水利行業(yè)智慧水利標準建設(shè)處于先行先試階段，隨著數(shù)字孿生流域建設(shè)的推進，對標準規(guī)范需求會越來越迫切。應(yīng)該以國家數(shù)字孿生流域技術(shù)大綱為指導(dǎo)，在系統(tǒng)性梳理行業(yè)信息化標準體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生流域先行先試建設(shè)成果，輸出數(shù)字孿生流域的標準制定的原則、方法及范圍，明確所包含的各類標準明細、建設(shè)策略，有效地指導(dǎo)數(shù)字孿生流域建設(shè)。
信息安全
根據(jù)國家網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)政策要求，遵循水利網(wǎng)絡(luò)安全頂層設(shè)計，建立和完善以縱深防御為基礎(chǔ)、監(jiān)測預(yù)警為核心、應(yīng)急響應(yīng)為抓手的全要素信息安全技術(shù)體系，涵蓋管理制度、管理機構(gòu)、管理人員在內(nèi)的全方位信息安全管理體系，貫穿運營構(gòu)架、威脅防護、安全監(jiān)測、安全事件分析、安全應(yīng)急響應(yīng)處置、威脅預(yù)防的全過程閉環(huán)信息安全運營體系，全方位提升數(shù)字孿生流域建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)安全保障能力。
水利云
可采用自建云，共享行業(yè)云和政務(wù)云等方式，構(gòu)建水利云，建議采用超融合、虛擬化等技術(shù)架構(gòu)，將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全等資源進行深度融合，實現(xiàn)計算、存儲等資源按需彈性分配和軟件定義網(wǎng)絡(luò)，并滿足“四預(yù)”等重要業(yè)務(wù)場景的高性能算力需求。
數(shù)據(jù)共享
嚴格按照《政務(wù)信息資源共享管理辦法》等政策文件的要求，主動與大數(shù)據(jù)平臺(市信息資源共享交換平臺)對接，按照市大數(shù)據(jù)平臺提供的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和接口，在項目驗收前，將該項目采集、使用和產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)庫表，在市大數(shù)據(jù)平臺上梳理好信息資源目錄，并將數(shù)據(jù)實時匯聚到大數(shù)據(jù)平臺。
