智慧指间丨数字孪生智慧水利解决方案

近年来，随着科技的不断进步和数字化转型的推进，数字孪生技术在各个领域展现出强大的潜力。在水利领域，数字孪生智慧水利解决方案通过智能模拟分析技术的应用，为水利业务的全要素“四预”功能提供支持，从而实现水安全要素的可视、可预测、可预警。

一、政策导向：

当前，水利行业正面临着日益复杂的水安全挑战，为了应对这些挑战，水利部日前印发的《2023年水利工程建设工作要点》指出,要“提升数字化应用水平,推动数字孪生和信息化技术与水利工程建设管理深度融合,加快推动新建重大水利工程建设数字孪生工程。”近日发布的《数字中国建设整体布局规划》也提出,要“构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系”。

二、数字孪生概念：

数字孪生是指通过数字化技术将实物世界和虚拟世界进行映射和融合，实现实时模拟和预测。在水利领域，数字孪生智慧水利解决方案利用水利专业模型、智能分析模型和仿真可视化模型的集成耦合，构建出一个数字孪生水利工程模拟仿真平台，实现对水利系统的全面监测和管理。

三、方案概述：

我司根据智慧水利总体目标，面向各层级水利业务智能化和水利监督领域，基于天空地多元立体的智能感知，聚焦水资源、水生态、水环境、水灾害，构建以“1个物联网感知体系+1个数字化底座+N项业务应用”为核心，综合运用大数据、物联网、云计算、移动互联等先进技术，深度融合信息技术与水利业务，围绕多元信息采集、资源整合共享、业务协同和智慧应用等主要内容，从基础设施整合优化、资源共享与服务、资源深度开发与利用三个层面扩展和丰富，构造了以信息共享、业务协同和智能应用、社会服务为核心的智慧水利信息平台，可实现随时开展水质监测分析、在线推演预测、预警分析、态势预演和预案管理业务（“四预”）等应用建设，并基于三维可视展示，及时掌握库区水质状况及未来变化态势，实现水质监测、模型推演预测、态势预演、方案比选和决策全链条贯通。

四、系统亮点功能描述：

1.全要素感知功能：数字孪生智慧水利解决方案能够实时感知水资源、水环境、水生态等多个要素的变化情况，提供全面、准确的数据支持。

2.智能分析功能：通过智能分析模型对海量数据进行分析，挖掘出有价值的信息，为决策者提供科学依据。

3.模拟仿真功能：基于仿真可视化模型，数字孪生智慧水利解决方案能够对水利系统进行全面模拟和预测，帮助决策者更好地了解系统运行情况。

4.预警功能：通过对水利系统的实时监测和分析，数字孪生智慧水利解决方案能够提前预警潜在的水安全风险，帮助决策者及时采取措施。

五、应用场景：

流域防洪

解决方案围绕流域防洪、水资源管理与调配，实现在沿线流域、重点水利枢纽工程场景数字化的基础上，进行水利治理管理活动全过程精准化模拟和跟踪，以预演为手段，指导预案生成，达到智慧化决策的目标。

基于信息基础设施，利用三维仿真技术，对江河湖泊、水利工程、水利治理管理对象、影响区域等进行数字孪生体构建、渲染、映射，实现三维可视化呈现。

解决方案具备对流域、河道、节点、水库、水源、分水、洼地等海量水文数据整编处理，通过机器学习和智能算法，实现降雨、蒸发、产流、汇流、演进和水库调蓄等各类水文过程动态集成，提高洪水模拟预报和山洪预警等能力。

决策调度

在实现水利场景数字化的基础上，通过预演分析洪水模拟预报、山洪灾害预警、水量水质联合调度不同场景下的演变过程等，实现灾害事件及水利工程调度的精准决策预案。针对重点断面水位、流量、流向、项目流域水位、流向、重点枢纽工情信息等实时三维可视化显示及重点断面水量、水质现状，三维动态展示洪水预报及预警，实现引水期间，流域水面线、槽蓄量、引水流向和水量分配信息的三维动态实时呈现。根据所形成的预演、预案及调度方案，辅助现实世界的水利预报、预警及工程调度指挥决策。

水利工程

数字孪生水利工程包括对工程库区、工程坝区、工程下游影响区的三维可视化数字孪生体构建，搭建数字孪生应用场景。其中，工程坝区包括水工建筑物和附属机电设备及金属结构等。

通过水利部本级及流域管理机构L1级和L2级数据底板基础上，基于BIM+GIS技术建设水利工程L3级数据底板，汇聚工程全要素基础数据、检测数据、业务管理数据以及外部共享数据实现防洪兴利智能预报调度、工程安全智能分析预警、生产运营智慧综合管理、库区智慧巡查监管、综合决策支持等业务应用。最终实现“四预”水利工程运行管理体系。

具体功能包括：水文监测(雨量监测、水位监测、流量监测、泥沙监测、土壤墒情监测)；工程安全监测(变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测、专项监测)；水质监测；水土保持监测；安防监控等。

预警预案

数字孪生水利解决方案可以实现预演、预案功能。预演及预案通过数据底板、模型平台、知识平台共同建立和实现。

流域及水利工程预案包括：洪水预报方案、山洪灾害预警方案、灾害应急处置预案、工程防汛预案、入库预报方案、工程调度预案、安全生产事故综合应急预案、突发环境事件应急预案、船闸应急预案及现场处置方案等。

知识平台集成历史场景、预演方案和其他样本库。历史场景记录历史上真实发生的预报预警、调度指令和演变场景；预演方案存储并复演、仿真模拟不同阶段输入条件下的流域及工程变化成果，系统智能匹配预报预警方案和历史类似调度场景，使用机器学习技术，不断分析、迭代、优化模型算法，优化预案，实现对水利事件的精准决策依据。

水库大坝安全监测

水库大坝安全监测依托5G、云计算、大数据、物联网、数字孪生等技术实现全天候、全场景无人值守自动监测及时掌握运营状况，有效解决水库管理人员不足、管理不规范等问题，包括大坝安全监测、水雨情自动测报、闸门远程控制、泄洪预警广播、实时视频监控、出入库流量监测、水质在线监测等几个部分，能够及时准确将前端监测站点数据采集入库并自动分析预警，可通过平台及APP及时掌握水库大坝运营情况从而及时做出管理决策。