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(jì)，以實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害防御和最嚴(yán)格水資源管理兩方面目標(biāo)。流域防洪“四預(yù)”是指以流域?yàn)閱卧?，完善四情監(jiān)測(cè)體系，融合數(shù)字孿生成果，升級(jí)流域防洪預(yù)報(bào)、預(yù)警功能，基于洪水演進(jìn)模型和知識(shí)平臺(tái)，增強(qiáng)重點(diǎn)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(cè)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(chǎng)景，基于水資源調(diào)配模型和知識(shí)平臺(tái)，增強(qiáng)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(yán)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(cè)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(wú)人機(jī)、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(shí)現(xiàn)流域各類涉水對(duì)象感知數(shù)據(jù)匯聚與遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)流域“雨情、水情、險(xiǎn)情、災(zāi)情”多維度多時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
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(bào)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(tái)和知識(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。
2.1、梳理完善數(shù)據(jù)資源
按照“誰(shuí)主管、誰(shuí)提供、誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則，通過(guò)調(diào)查表填報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)座談、實(shí)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(cè)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(duì)地理空間數(shù)據(jù)，將通過(guò)數(shù)據(jù)共享、衛(wèi)星遙感和BIM建模等方式，實(shí)現(xiàn)全流域L1級(jí)，重點(diǎn)區(qū)段L2級(jí)，重點(diǎn)工程L3級(jí)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(duì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一化、規(guī)范化、持續(xù)化接入問(wèn)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(shí)延設(shè)備接入能力的數(shù)據(jù)引擎，能夠向下實(shí)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(tái)、知識(shí)平臺(tái)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)OGC協(xié)議，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫(kù)，提供空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和空間數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)能力，向上為模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用共享地理空間數(shù)據(jù)。
2.4、報(bào)表數(shù)據(jù)引擎
針對(duì)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(bào)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(kù)、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)等多源數(shù)據(jù)鏈接，自定義報(bào)表設(shè)計(jì)與制作，數(shù)據(jù)錄入、Excel導(dǎo)入等數(shù)據(jù)填報(bào)功能，支持為模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用共享報(bào)表數(shù)據(jù)和報(bào)表服務(wù)。
3、構(gòu)建通用化模型平臺(tái)
模型平臺(tái)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(dòng)規(guī)律和相互關(guān)系，通過(guò)智能識(shí)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(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，并將以上結(jié)果通過(guò)可視化模型動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。
3.1、洪水預(yù)報(bào)模型
洪水預(yù)報(bào)模型接入水利部或氣象部門降水預(yù)報(bào)，基于水文預(yù)報(bào)模型、一二維耦合水動(dòng)力模型、水庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)化接口,為流域防洪四預(yù)系統(tǒng)提供短期、中期和長(zhǎng)期洪水預(yù)報(bào)信息，預(yù)報(bào)信息主要包括水位(流量)過(guò)程、水位(流量)及峰現(xiàn)時(shí)間，在流域形成“洪水預(yù)報(bào)-洪水預(yù)警-工程調(diào)度-調(diào)度預(yù)演-預(yù)案生成-動(dòng)態(tài)模擬”的一體化防洪預(yù)報(bào)調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)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(bào)、水文預(yù)報(bào)和歷史氣象信息，模擬流域水循環(huán)過(guò)程，可得到重要斷面、行政區(qū)和流域多時(shí)間尺度(年、月、日)的水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)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(lái)水預(yù)測(cè)模型;基于水循環(huán)過(guò)程、水源分布、用水戶分布等特征，實(shí)現(xiàn)“供、用、耗、排、再利用”全過(guò)程水量平衡模擬，建立需水預(yù)測(cè)模型?；谝?guī)則的全過(guò)程控制，建立多水源、多用戶之間的配置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìng)爭(zhēng)問(wèn)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(kù)、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(jī)、閘門等水利機(jī)電設(shè)備可視化模型構(gòu)建;在重點(diǎn)區(qū)段實(shí)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(shì)及分洪過(guò)程。
3.4、模擬仿真引擎
針對(duì)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(shí)現(xiàn)游戲級(jí)別高保真渲染與仿真，為流域數(shù)字孿生虛實(shí)映射、高保真模擬仿真提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)，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(shí)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(shí)別模型和視覺識(shí)別模型。遙感識(shí)別模型包括水域范圍和“四亂”識(shí)別兩種模型，水域范圍識(shí)別是指可以識(shí)別出地表水的水域范圍、坐標(biāo)、面積、寬度和長(zhǎng)度等信息;“四亂”識(shí)別識(shí)別出河道“亂建、亂占、亂堆、亂采”等違規(guī)現(xiàn)象。視覺識(shí)別可以識(shí)別出堤岸崩塌檢測(cè)、人員下水識(shí)別、垃圾堆放識(shí)別、水域岸線亂建識(shí)別、河道漂浮物檢測(cè)、采砂識(shí)別等場(chǎng)景。
4、構(gòu)建知識(shí)平臺(tái)
聚焦流域精細(xì)管理和精準(zhǔn)調(diào)度的需求，通過(guò)深度學(xué)習(xí)和知識(shí)圖譜等技術(shù)，耦合水利對(duì)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(yàn)等知識(shí)，挖掘水利業(yè)務(wù)關(guān)鍵影響要素，結(jié)合物理過(guò)程構(gòu)建單主題知識(shí)圖譜以及多主題耦合知識(shí)圖譜，針對(duì)不同水、雨、工、險(xiǎn)情特征，驅(qū)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、調(diào)度方案的智能生成與自適應(yīng)優(yōu)化，形成對(duì)水利知識(shí)的統(tǒng)一管理，并建立自學(xué)習(xí)進(jìn)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)決策的精準(zhǔn)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(guò)“四預(yù)”防洪體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)全過(guò)程場(chǎng)景化模擬仿真，將“四預(yù)”過(guò)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(bào)”對(duì)洪水發(fā)展趨勢(shì)作出短期、中長(zhǎng)期的定量或定性分析;“預(yù)警”通過(guò)制定水利災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)閾值和指標(biāo)，完善水利業(yè)務(wù)預(yù)警發(fā)布機(jī)制，及時(shí)把風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息直達(dá)流域防御工作一線;“預(yù)演”針對(duì)不同情景目標(biāo)，在數(shù)字孿生流域中進(jìn)行水利工程調(diào)度方案模擬仿真預(yù)演，實(shí)時(shí)分析水利工作面臨的風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)，提出調(diào)度方案集;“預(yù)演”結(jié)合預(yù)演仿真，對(duì)預(yù)案集進(jìn)行評(píng)估并推優(yōu)，滾動(dòng)調(diào)整水利工程運(yùn)行、應(yīng)急調(diào)度、人員防災(zāi)避險(xiǎn)等應(yīng)對(duì)措施，精細(xì)化編制流域或區(qū)域水利工程調(diào)度預(yù)案、方案、計(jì)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(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”業(yè)務(wù)需求，以“動(dòng)態(tài)評(píng)判、精準(zhǔn)模擬、場(chǎng)景推演、智慧 決策”為路徑，系統(tǒng)致力于完善以流域?yàn)閱挝?、加?qiáng)監(jiān)控的手段、全面提高流域的水資源監(jiān)管能力，為最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施提供有力的手段和支撐。“預(yù)報(bào)”掌握和預(yù)測(cè)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(píng)估行業(yè)供用水、水質(zhì)和水生態(tài)荷載狀態(tài)，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào);“預(yù)演”結(jié)合管理需求對(duì)不同供需場(chǎng)景進(jìn)行不同尺度仿真推演，掌握水資源工序態(tài)勢(shì);“預(yù)案”綜合當(dāng)前可用水資源數(shù)量(質(zhì)量)，以及水資源供需態(tài)勢(shì)的模擬演練結(jié)果，形成水資源調(diào)度機(jī)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(dòng)，致力于推動(dòng)河湖長(zhǎng)制“點(diǎn)、線、面”一體化管理。強(qiáng)化大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)與河湖長(zhǎng)制工作的融合，保障河湖長(zhǎng)責(zé)任落實(shí)，促進(jìn)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(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)以流域水資源信息、氣象信息及衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、監(jiān)控視頻信息為基礎(chǔ)，接入水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、排污口管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，通過(guò)“遙感普查-無(wú)人機(jī)巡查-重點(diǎn)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(tái)建設(shè)不僅應(yīng)該推進(jìn)防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、河湖管理等重點(diǎn)工作，還應(yīng)該做好標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息安全、水利云、數(shù)據(jù)共享等運(yùn)行維護(hù)工作。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
數(shù)字孿生流域建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求會(huì)越來(lái)越迫切。應(yīng)該以國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)制定的原則、方法及范圍，明確所包含的各類標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)、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(guó)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(jì)，建立和完善以縱深防御為基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)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(jī)構(gòu)、管理人員在內(nèi)的全方位信息安全管理體系，貫穿運(yùn)營(yíng)構(gòu)架、威脅防護(hù)、安全監(jiān)測(cè)、安全事件分析、安全應(yīng)急響應(yīng)處置、威脅預(yù)防的全過(guò)程閉環(huán)信息安全運(yùn)營(yíng)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(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全等資源進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)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(chǎng)景的高性能算力需求。
數(shù)據(jù)共享
嚴(yán)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(dòng)與大數(shù)據(jù)平臺(tái)(市信息資源共享交換平臺(tái))對(duì)接，按照市大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和接口，在項(xiàng)目驗(yàn)收前，將該項(xiàng)目采集、使用和產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)庫(kù)表，在市大數(shù)據(jù)平臺(tái)上梳理好信息資源目錄，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚到大數(shù)據(jù)平臺(tái)。
