数字孪生在水利四预的创新实践

数字孪生四预平台

技术分享 / 2023-04-19 00:00:00 数字孪生

数字孪生在水利四预的创新实践

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为推动新阶段水利高质量发展，近年来，水利部先后出台《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》等系列文件，并在多次会议上强调要高度重视数字孪生流域建设，将其作为推进智慧水利建设的核心与关键，推动数字孪生流域建设在水利行业全面展开。

不久前，水利部印发的《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》中明确指出，到2025年，建成七大江河数字孪生流域。统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生水利体系。

当前，我国智慧水利建设存在诸多薄弱环节，与水利高质量发展的要求相差甚远。

全面感知方面，当前我国水域和水库的监测设施覆盖并不完善，硬件配套建设进度慢，实时监测数据缺乏，数据欠整合，而物联信息是数字孪生平台的基础数据，建设数字孪生水利平台可以反向推动完善流域监测设施，提升水利数字化水平。

信息共享方面，我国水网纵横复杂面积广大，水利数据以二维图纸为主，空间化程度不高，数据来源多、格式多样，坐标、高程体系不统一，数据权限不明确，共享机制不顺畅，业务场景不清晰，业务可视化程度不足，即使大型工程也难以实现综合性线上管控。

仿真推演方面，当前智慧水利建设不够智慧，主要体现在预报、预警不充分，水利模型推演能力不足，包括基于洪水演进及淹没风险成果的自动化预警预报能力差。数字孪生技术则可以有效满足天气水情等大数据处理、水体模型高仿真构建、数据模型深度融合能力等需求。

2023年4月17-19日，“2023智慧水利建设高峰论坛”在武汉举办，国内外水利行业产学研头部机构集聚一堂，共话智慧水利建设、数字孪生流域建设等重要议题。

基于众多水利标杆项目落地经验和多年技术沉淀，此次峰会，美象科技杭州公司常务副总经理唐少杰针对“数字孪生在水利四预的创新实践”进行了解读分享，向行业伙伴介绍了公司数字孪生技术同水利业务深度融合的阶段性技术成果——MxDATA数字孪生水利“四预”平台。

基于公司自主研发的EVR孪生底座编辑器和EDT无代码数据模块，MxDATA数字孪生水利“四预”平台可实现模型和数据一站式融合表达，场景模型动作、水体、特效可关联实时数据驱动，基于AI深度学习水利专业算法模型，可为水利事件预报、预警、预演、预案提供可靠支撑。

MxDATA水利场景核心能力

在水利部发布的《数字孪生水利工程建设技术导则》中，对数字孪生的场景模型标准进行了相对明确的要求：

全国范围L1级数据底板：采用卫星遥感技术，来生产2米／优于1.0米的 DOM 和10米／5米的 DEM / DSM等数据。主要是进行数字孪生流域中低精度面上建模，对流域整体情况进行综合感知，总体把控。

主要江河湖L2级数据底板：采用传统航摄或无人机遥感，基于倾斜摄影数据，获取优于0.3米DOM、米级DEM/DSM数据进行构建。主要是进行重点区域精细建模，包括流域内城镇农田、水库水坝等等。

重点水利工程L3级数据底板：重要水利工程相关范围的高分辨率 DOM 、高精度 DEM 、倾斜摄影影像激光点云、水下地形、 BIM 等数据。主要进行数字孪生流域重要实体场景建模，不仅实现室外场景构建，还能实现闸站泵站内部高精度场景构建。

三维可视化场景构建能力是打造数字孪生水利“四预”的基础。平台基于美象科技自主研发的EVR孪生底座编辑器，能兼容卫星遥感数据、倾斜摄影数据等诸多主流场景数据格式，构建多精度全要素场景作为孪生数据底座。通过多源异构场景和GIS数据有机融合，能够实现水利场景和特效组件统一融合表达，支持结合水利设施工况、水文气象台风、工程安全监测等实时监测数据，进行业务驱动，实现场景模型动作、水体、特效的动态仿真和原生联动。

依托MxDATA数字孪生应用平台强大的承载能力，“四预”平台可完美兼容江河分支小流域以及数百平方公里大流域场景，基于新一代GPU实时渲染开发引擎，可保障场景流畅度和L1-L5级不同精度需求，仿真还原河流、环境、水库水坝、水利设施等水利工程相关场景要素，实现水利场景智能化一屏可观。

MxDATA“四预”体系构建能力

预报为基础

在MxDATA数字孪生水利“四预”平台中，通过接入流域内对应天气水文数据，基于水文预报模型，可对不同时间尺度下的研究区域内降雨量进行预报；采用产汇流、水力计算等专业水利模型，整合业务规则等数据，对关键节点（比如水库、河道断面）的水位、流量、水量等进行实时预报。此外，在预报的微观场景中，可实现闸站感知、模拟在线巡检，或者使用漫游视角进入廊道建筑进行设备巡检等等功能，从而对水安全要素发展趋势做出不同预见期（短期、中期、长期等）的定量或定性分析，提高预报精度、延长预见期。

预警为前哨

MxDATA数字孪生水利“四预”平台基于其数据中台管理能力，可实现预警规则的设定（时间、周期、条件等），对于前端设备的监测数据实现响应的超出阈值告警机制。基于AI识别能力，可对水利设施事件精准识别，建立附加在监控、传感器等设施设备上的实时预警机制。

通过明确降雨量、水位、流量等预报要素，根据预警不同等级、发展态势以及可能造成的危害程度，明确不同等级预警要素的范围，进行行业和社会层面的分级预警。

预演为关键

MxDATA数字孪生水利“四预”平台通过将历史事件数据同水利专业模型相结合，依托数据驱动的泄洪模拟、水位变化模拟、下游城镇区域的动态淹没模拟等多项仿真技术，同时也可以叠加二维热力图的表达，实现流域洪水风险和最大淹没范围的仿真预演，对数字孪生流域中典型历史事件、设计及预报场景进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，助力管理部门及时发现问题，迭代优化方案，制定防风险措施。

预案为目的

依据预演结果，MxDATA数字孪生水利“四预”平台可智能拟定事中和事前最佳调度方案。针对水利工程设计标准范围内的洪水、水资源管理与调配和其他水利业务目标，事中及时制定切实可行的运行管理和应急事件处理的工作方案，提高相关工作能力和水平。例如结合实时水雨情、预报降雨、潮水位、工程调度运行等情况，对干流和平原河网每隔4小时进行滚动洪水预报和风险分析，提前制定预排预泄方案，最大化减少水利灾害损失。

深耕数字孪生水利/水务领域多年，基于自主研发的MxDATA数字孪生应用平台，美象科技持续推动以数字孪生技术赋能智慧水利建设。除“四预”平台之外，积极推进MxDATA同流域防洪、智慧水库、智慧水厂、水资源管理与调配、水环境综合治理等全类型水利/水务业务相结合。未来，美象科技将不懈加快数字孪生技术研发创新步伐，持续赋能新阶段水利高质量发展。

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