數(shù)字孿生，智慧水利的最佳領(lǐng)航員

    引言

    智慧水利建設(shè)是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實(shí)施路徑和顯著的標(biāo)志之一。數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心與關(guān)鍵，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生流域建設(shè)的重要任務(wù)，數(shù)字孿生水網(wǎng)是建設(shè)國家水網(wǎng)的重要內(nèi)容，數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容，是提升灌區(qū)管理水平的有效手段，也是新階段灌區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的方向。

    2023年4月18日，由中國水利企業(yè)協(xié)會(huì)智慧水利分會(huì)、北京河湖智慧水利技術(shù)中心主辦的“2023智慧水利建設(shè)高峰論壇”在武漢歐亞會(huì)展國際酒店盛大開幕。此次大會(huì)旨在推進(jìn) 3S、BIM、數(shù)字孿生、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)在水利中的應(yīng)用，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系。進(jìn)一步提升智慧水利建設(shè)、管理和服務(wù)水平，加強(qiáng)同行間經(jīng)驗(yàn)技術(shù)交流，推廣新技術(shù)新產(chǎn)品應(yīng)用。

    此次會(huì)議以“數(shù)智賦能啟新航   智慧水利譜新章”為主題，其間共舉行了會(huì)議主論壇、數(shù)字孿生專題、水利遙感（空間技術(shù)）專題、智慧河湖專題、國家水網(wǎng)專題、水利網(wǎng)絡(luò)安全專題等；深入探討智慧水利信息化規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、服務(wù)等創(chuàng)新發(fā)展及新一代信息技術(shù)在水利應(yīng)用與發(fā)展等內(nèi)容；會(huì)議同期還舉辦了“2023智慧水利建設(shè)技術(shù)及裝備展”。

    博能股份作為此次會(huì)議的支持單位，受邀參加了此次2023智慧水利建設(shè)高峰論壇。北京博能科技股份有限公司副總裁兼成都博能數(shù)智科技有限公司總經(jīng)理齊煥然在數(shù)字孿生水利專題報(bào)告會(huì)上發(fā)表《數(shù)字孿生水利建設(shè)的應(yīng)用與探索》主題演講。

    博能股份作為一家元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施新基建商，依托于自主研發(fā)的數(shù)字孿生操作系統(tǒng)BLinkOS，結(jié)合多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)沉淀，打造了數(shù)字孿生水利解決方案，該解決方案以數(shù)字孿生、GIS、BIM、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)為支撐，以發(fā)展現(xiàn)代化智慧水利為目標(biāo)，推動(dòng)物理實(shí)體與數(shù)字模型同步交付。

    智慧水利是以“水利設(shè)施+互聯(lián)網(wǎng)”為理念，融入5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生、GIS等技術(shù)，通過三維可視化手段實(shí)現(xiàn)從規(guī)劃、建設(shè)、管理、維護(hù)及應(yīng)急等全流程實(shí)現(xiàn)綜合管理。全場景、全時(shí)空、全天候進(jìn)行流域防洪、水資源管理與調(diào)配，對現(xiàn)役水利設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、安全分析和完整性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)流量、壓力及泵、閥、閘等設(shè)備的自動(dòng)控制，自動(dòng)完成設(shè)備檢測、定位、優(yōu)化配置、運(yùn)行模擬、培訓(xùn)模擬及應(yīng)急模擬等功能，具備預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的特點(diǎn)。

    數(shù)字孿生水利解決方案

    博能數(shù)字孿生水利解決方案包括流域數(shù)字孿生應(yīng)用+水利工程數(shù)字孿生應(yīng)用+N個(gè)具體業(yè)務(wù)場景應(yīng)用，即：2+N。通過對流域及水利工程數(shù)字孿生體的構(gòu)建、渲染及發(fā)布，搭建水利數(shù)字孿生三維可視化應(yīng)用場景，在數(shù)字孿生場景下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示洪水預(yù)報(bào)、山洪預(yù)警、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度等不同場景下的演變過程，以及針對水利工程實(shí)現(xiàn)防洪興利、工程安全、生產(chǎn)運(yùn)營、庫區(qū)監(jiān)管、綜合決策等業(yè)務(wù)應(yīng)用。通過模型平臺(tái)的構(gòu)建、知識(shí)平臺(tái)的預(yù)案制定、分析、對比、迭代、優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”水利工程運(yùn)行管理目標(biāo) ，為水利事件的精準(zhǔn)決策提供知識(shí)化依據(jù)，實(shí)現(xiàn)流域防洪、水資源管理與調(diào)配。

    實(shí)現(xiàn)路徑

    知識(shí)平臺(tái)：知識(shí)平臺(tái)是智慧水利的“算法”，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)感知水利對象和認(rèn)知水利規(guī)律，為數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程提供智能內(nèi)核，支撐事件正向智能推理和反向溯因分析，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)感知——智能識(shí)別——知識(shí)圖譜構(gòu)建——深度學(xué)習(xí)——智能決策”的循環(huán)，推動(dòng)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程自我優(yōu)化運(yùn)行，為即時(shí)和精準(zhǔn)決策提供支撐。

    模型平臺(tái)：模型平臺(tái)是智慧水利的“算法”，通過建成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、接口規(guī)范、快速組裝的水利模型平臺(tái)，在數(shù)字空間對水利治理管理活動(dòng)進(jìn)行全息智能化模擬，為數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程提供模擬仿真功能。

    數(shù)據(jù)底板：數(shù)據(jù)底板是智慧水利的“算據(jù)”，通過完善時(shí)空多尺度數(shù)據(jù)映射，擴(kuò)展三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)場景等功能，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、跨層級(jí)、跨業(yè)務(wù)的智慧水利數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)水利全要素的數(shù)字化映射。

    博能數(shù)字孿生水利解決方案依托行政主管單位基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、河湖資源地理信息數(shù)據(jù)，補(bǔ)充采集實(shí)際地形和業(yè)務(wù)專題地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以實(shí)際地形三維可視化場景為基礎(chǔ)，嵌入重點(diǎn)工程對象三維模型，疊加水雨工情及視頻基礎(chǔ)和實(shí)時(shí)感知信息，利用水利專業(yè)模型+可視化模型智慧化模擬、預(yù)演實(shí)際流域防洪及水資源管理調(diào)配過程，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息超前仿真推演，通過數(shù)字孿生和真實(shí)世界的同步仿真運(yùn)行、迭代優(yōu)化模型算法，賦能水利業(yè)務(wù)工作。

    使用場景

    流域防洪

    解決方案圍繞流域防洪、水資源管理與調(diào)配，實(shí)現(xiàn)在沿線流域、重點(diǎn)水利樞紐工程場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水利治理管理活動(dòng)全過程精準(zhǔn)化模擬和跟蹤，以預(yù)演為手段，指導(dǎo)預(yù)案生成，達(dá)到智慧化決策的目標(biāo)。

    基于信息基礎(chǔ)設(shè)施，利用三維仿真技術(shù)，對江河湖泊、水利工程、水利治理管理對象、影響區(qū)域等進(jìn)行數(shù)字孿生體構(gòu)建、渲染、映射，實(shí)現(xiàn)三維可視化呈現(xiàn)。

    解決方案具備對流域、河道、節(jié)點(diǎn)、水庫、水源、分水、洼地等海量水文數(shù)據(jù)整編處理，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法，實(shí)現(xiàn)降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流、演進(jìn)和水庫調(diào)蓄等各類水文過程動(dòng)態(tài)集成，提高洪水模擬預(yù)報(bào)和山洪預(yù)警等能力。

    決策調(diào)度

    在實(shí)現(xiàn)水利場景數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過預(yù)演分析洪水模擬預(yù)報(bào)、山洪災(zāi)害預(yù)警、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度不同場景下的演變過程等，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害事件及水利工程調(diào)度的精準(zhǔn)決策預(yù)案。針對重點(diǎn)斷面水位、流量、流向、項(xiàng)目流域水位、流向、重點(diǎn)樞紐工情信息等實(shí)時(shí)三維可視化顯示及重點(diǎn)斷面水量、水質(zhì)現(xiàn)狀，三維動(dòng)態(tài)展示洪水預(yù)報(bào)及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)引水期間，流域水面線、槽蓄量、引水流向和水量分配信息的三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。根據(jù)所形成的預(yù)演、預(yù)案及調(diào)度方案，輔助現(xiàn)實(shí)世界的水利預(yù)報(bào)、預(yù)警及工程調(diào)度指揮決策。

    水利工程

    數(shù)字孿生水利工程包括對工程庫區(qū)、工程壩區(qū)、工程下游影響區(qū)的三維可視化數(shù)字孿生體構(gòu)建，搭建數(shù)字孿生應(yīng)用場景。其中，工程壩區(qū)包括水工建筑物和附屬機(jī)電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)等。

    通過水利部本級(jí)及流域管理機(jī)構(gòu)L1級(jí)和L2級(jí)數(shù)據(jù)底板基礎(chǔ)上，基于BIM+GIS技術(shù)建設(shè)水利工程L3級(jí)數(shù)據(jù)底板，匯聚工程全要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)防洪興利智能預(yù)報(bào)調(diào)度、工程安全智能分析預(yù)警、生產(chǎn)運(yùn)營智慧綜合管理、庫區(qū)智慧巡查監(jiān)管、綜合決策支持等業(yè)務(wù)應(yīng)用。最終實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”水利工程運(yùn)行管理體系。

    具體功能包括：水文監(jiān)測(雨量監(jiān)測、水位監(jiān)測、流量監(jiān)測、泥沙監(jiān)測、土壤墑情監(jiān)測)；工程安全監(jiān)測(變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、專項(xiàng)監(jiān)測)；水質(zhì)監(jiān)測；水土保持監(jiān)測；安防監(jiān)控等。

    預(yù)警預(yù)案

    數(shù)字孿生水利解決方案可以實(shí)現(xiàn)預(yù)演、預(yù)案功能。預(yù)演及預(yù)案通過數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)共同建立和實(shí)現(xiàn)。

    流域及水利工程預(yù)案包括：洪水預(yù)報(bào)方案、山洪災(zāi)害預(yù)警方案、災(zāi)害應(yīng)急處置預(yù)案、工程防汛預(yù)案、入庫預(yù)報(bào)方案、工程調(diào)度預(yù)案、安全生產(chǎn)事故綜合應(yīng)急預(yù)案、突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案、船閘應(yīng)急預(yù)案及現(xiàn)場處置方案等。

    知識(shí)平臺(tái)集成歷史場景、預(yù)演方案和其他樣本庫。歷史場景記錄歷史上真實(shí)發(fā)生的預(yù)報(bào)預(yù)警、調(diào)度指令和演變場景；預(yù)演方案存儲(chǔ)并復(fù)演、仿真模擬不同階段輸入條件下的流域及工程變化成果，系統(tǒng)智能匹配預(yù)報(bào)預(yù)警方案和歷史類似調(diào)度場景，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷分析、迭代、優(yōu)化模型算法，優(yōu)化預(yù)案，實(shí)現(xiàn)對水利事件的精準(zhǔn)決策依據(jù)。

    水庫大壩安全監(jiān)測

    水庫大壩安全監(jiān)測依托5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全天候、全場景無人值守自動(dòng)監(jiān)測及時(shí)掌握運(yùn)營狀況，有效解決水庫管理人員不足、管理不規(guī)范等問題，包括大壩安全監(jiān)測、水雨情自動(dòng)測報(bào)、閘門遠(yuǎn)程控制、泄洪預(yù)警廣播、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、出入庫流量監(jiān)測、水質(zhì)在線監(jiān)測等幾個(gè)部分，能夠及時(shí)準(zhǔn)確將前端監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集入庫并自動(dòng)分析預(yù)警，可通過平臺(tái)及APP及時(shí)掌握水庫大壩運(yùn)營情況從而及時(shí)做出管理決策。

    水庫水雨情監(jiān)測：通過數(shù)字孿生全息三維可視化場景實(shí)時(shí)掌握水庫的水位、流量、雨量等信息，當(dāng)水庫水位超過汛限水位或低于死水位時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，對防洪防汛抗旱的決策管理起到技術(shù)支撐作用。

    出入庫流量監(jiān)測：通過數(shù)字孿生平臺(tái)集成一體化流量監(jiān)測站數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)流量計(jì)監(jiān)測庫區(qū)上游河道和出入庫渠道的水位、流速并在三維可視化場景下實(shí)現(xiàn)一張圖監(jiān)控。

    閘門控制：通過構(gòu)建閘門數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程開閘、關(guān)閘、停閘、閘門開度、PLC送電等操作，結(jié)合視頻、閘上水位流量監(jiān)測等功能實(shí)現(xiàn)對閘門現(xiàn)場監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制。

    水質(zhì)監(jiān)測：通過數(shù)字孿生物聯(lián)融合平臺(tái)集成PH、水溫、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率等傳感器，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測及時(shí)掌控水庫水質(zhì)變化情況保障供水安全。

    在活動(dòng)現(xiàn)場，博能股份展示了自主研發(fā)的數(shù)字孿生操作系統(tǒng)BLinkOS、數(shù)字孿生水利解決方案和落地應(yīng)用案例，吸引了眾多嘉賓駐足、交流和參觀。