【安全科学与工程学科建设典型案例】流域数字孪生管理平台构建

       国家“十四五”规划纲要明确提出，构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力，标志着智慧水利建设已作为推动新阶段水利高质量发展六条实施路径之一。数字孪生流域是数字孪生技术在智慧水利方面的应用场景创新，其以物理流域为单元，时空数据为底座，水利模型为核心，水利知识为驱动，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智慧化模拟，实现与物理流域的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化和对物理流域的实时监控、优化调度。由于水利模型应用模式和平台技术架构的限制，现有的数字孪生平台存在如下问题：（1）模型复用程度低：现有水利模型系统或软件一般针对特定流域或水利工程业务场景，模型与系统耦合度高，只能在业务系统内部应用，无法进行共享，导致模型存在复用率低、接口不规范等问题；（2）模型集成难度高： 现有水利模型采用多种编程语言开发，难以进行跨系统集成，也无法进行快速升级；（3）难以实现业务化应用：由于平台与地方水利部门之间的数据对接不畅、系统操作流畅性低、模型计算精度不足等问题，决策仍然依赖人工，系统难以实现业务化应用。流域数字孪生管理平台对物理流域进行全要素映射，打造“眼、脑、手”联动治水的新格局，以前端水利感知体系与原有建设的信息数据平台为“眼”，以洪水预报、洪水预演水利专业模型和隐患识别人工智能模型为“脑”，以水利工程远程集控为“手”，实现费县河湖管理、水利工程运管、防汛调度的标准化、数字化，初步达到了防洪减灾“四预”目标，切实提升流域防洪减灾管理的智能化、精细化水平。平台的主要建设内容如下：

（1）利用数字孪生技术构建L2级数字底板，水利工程及河道两岸采用L3级精细建模，实现了闸、涵、桥及其他水利工程等流域重点区域的三维可视化模型。同时，全量对接物联感知设备与闸坝远程自动化控制设备，整合流域历史水文信息，不断训练优化算法模型，全面提升平台“四预”能力。

（2）平台接入流域内的视频监控站、水位监测站并建设无人机自动巡航系统，建立“空天地一体化”的流域雨水情感知体系，同时纳入土壤墒情、蒸发量等水文系统信息，为流域内的工程运管、河湖巡查及防汛调度提供全面准确的数据支撑。

（3）利用AI人工智能模型，集成视频图像中人员入侵、钓鱼、漂浮物、游泳、河湖四乱等隐患识别功能。利用洪水预报、演进模型，结合数字高程信息底板与感知体系数据，对未来洪水场景下的水利工程调度进行精准预演，仿真模拟流域内洪水演进及淹没过程，同时对洪峰水位、峰现时间等进行预报预警，结合人员迁徙战略图，评估洪水影响范围，提前精准转移受影响的山洪村。

（4）对流域内水闸、橡胶坝等进行自动化控制改造，实现联合调度。业务管理人员根据部门下达的指令，发起放水指令流程，开具电子操作票，下发放水通知，下游巡查任务追踪，远程集中控制闸门启闭。同时，实现闭锁机制，防止人工误操作。利用系统内视频会商与无人机自动巡航功能，统筹“上下游”，兼顾“左右岸”，多维度把控水灾害防御全过程。

技术成果在山东临沂费县祊河流域、上冶河流域得到了验证和应用，取得了突出的社会、经济和环境效益，实现了洪水预报调度在数字场景中的动态交互、实时融合和仿真模拟，大幅提升了调度决策指挥的数字化、智能化、智慧化水平，为祊河、上冶河流域水利工程安全运行和优化调度提供超前、快速、精准的决策支持。（文、图：高玉琴）

图1 费县水利数字孪生管理平台

图2 L2级数字底板

图3 洪水演进、淹没模型

图4 闸门可视化实时监控

图5 视频会商、无人机自动巡航

图6 告警信息推送