數(shù)字孿生，智慧水利的最佳領航員

    引言

    智慧水利建設是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要實施路徑和顯著的標志之一。數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心與關鍵，數(shù)字孿生水利工程是數(shù)字孿生流域建設的重要任務，數(shù)字孿生水網(wǎng)是建設國家水網(wǎng)的重要內(nèi)容，數(shù)字孿生灌區(qū)建設是智慧水利建設的重要內(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)會智慧水利分會、北京河湖智慧水利技術中心主辦的“2023智慧水利建設高峰論壇”在武漢歐亞會展國際酒店盛大開幕。此次大會旨在推進 3S、BIM、數(shù)字孿生、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術在水利中的應用，按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的要求，全面推進算據(jù)、算法、算力建設，加快構(gòu)建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系。進一步提升智慧水利建設、管理和服務水平，加強同行間經(jīng)驗技術交流，推廣新技術新產(chǎn)品應用。

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

    博能股份作為此次會議的支持單位，受邀參加了此次2023智慧水利建設高峰論壇。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)字孿生水利專題報告會上發(fā)表《數(shù)字孿生水利建設的應用與探索》主題演講。

    博能股份作為一家元宇宙基礎設施新基建商，依托于自主研發(fā)的數(shù)字孿生操作系統(tǒng)BLinkOS，結(jié)合多年的技術積累和經(jīng)驗沉淀，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)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術為支撐，以發(fā)展現(xiàn)代化智慧水利為目標，推動物理實體與數(shù)字模型同步交付。

    智慧水利是以“水利設施+互聯(lián)網(wǎng)”為理念，融入5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生、GIS等技術，通過三維可視化手段實現(xiàn)從規(guī)劃、建設、管理、維護及應急等全流程實現(xiàn)綜合管理。全場景、全時空、全天候進行流域防洪、水資源管理與調(diào)配，對現(xiàn)役水利設施進行遠程監(jiān)測、安全分析和完整性評估，實現(xiàn)流量、壓力及泵、閥、閘等設備的自動控制，自動完成設備檢測、定位、優(yōu)化配置、運行模擬、培訓模擬及應急模擬等功能，具備預報、預警、預演、預案的特點。

    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)字孿生應用+水利工程數(shù)字孿生應用+N個具體業(yè)務場景應用，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用場景，在數(shù)字孿生場景下實現(xiàn)實時顯示洪水預報、山洪預警、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現(xiàn)防洪興利、工程安全、生產(chǎn)運營、庫區(qū)監(jiān)管、綜合決策等業(yè)務應用。通過模型平臺的構(gòu)建、知識平臺的預案制定、分析、對比、迭代、優(yōu)化，最終實現(xiàn)“四預”水利工程運行管理目標 ，為水利事件的精準決策提供知識化依據(jù)，實現(xiàn)流域防洪、水資源管理與調(diào)配。

    實現(xiàn)路徑

    知識平臺：知識平臺是智慧水利的“算法”，利用機器學習等技術感知水利對象和認知水利規(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，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)感知——智能識別——知識圖譜構(gòu)建——深度學習——智能決策”的循環(huán)，推動數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生水利工程自我優(yōu)化運行，為即時和精準決策提供支撐。

    模型平臺：模型平臺是智慧水利的“算法”，通過建成標準統(tǒng)一、接口規(guī)范、快速組裝的水利模型平臺，在數(shù)字空間對水利治理管理活動進行全息智能化模擬，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)”，通過完善時空多尺度數(shù)據(jù)映射，擴展三維展示、數(shù)據(jù)融合、分析計算、動態(tài)場景等功能，形成基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、跨層級、跨業(yè)務的智慧水利數(shù)據(jù)底板，實現(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地理信息數(shù)據(jù)、河湖資源地理信息數(shù)據(jù)，補充采集實際地形和業(yè)務專題地理信息數(shù)據(jù)基礎上，以實際地形三維可視化場景為基礎，嵌入重點工程對象三維模型，疊加水雨工情及視頻基礎和實時感知信息，利用水利專業(yè)模型+可視化模型智慧化模擬、預演實際流域防洪及水資源管理調(diào)配過程，實現(xiàn)時空信息超前仿真推演，通過數(shù)字孿生和真實世界的同步仿真運行、迭代優(yōu)化模型算法，賦能水利業(yè)務工作。

    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，實現(xiàn)在沿線流域、重點水利樞紐工程場景數(shù)字化的基礎上，進行水利治理管理活動全過程精準化模擬和跟蹤，以預演為手段，指導預案生成，達到智慧化決策的目標。

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

    解決方案具備對流域、河道、節(jié)點、水庫、水源、分水、洼地等海量水文數(shù)據(jù)整編處理，通過機器學習和智能算法，實現(xiàn)降雨、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流、演進和水庫調(diào)蓄等各類水文過程動態(tài)集成，提高洪水模擬預報和山洪預警等能力。

    決策調(diào)度

    在實現(xiàn)水利場景數(shù)字化的基礎上，通過預演分析洪水模擬預報、山洪災害預警、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度不同場景下的演變過程等，實現(xiàn)災害事件及水利工程調(diào)度的精準決策預案。針對重點斷面水位、流量、流向、項目流域水位、流向、重點樞紐工情信息等實時三維可視化顯示及重點斷面水量、水質(zhì)現(xiàn)狀，三維動態(tài)展示洪水預報及預警，實現(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態(tài)實時呈現(xiàn)。根據(jù)所形成的預演、預案及調(diào)度方案，輔助現(xiàn)實世界的水利預報、預警及工程調(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)字孿生應用場景。其中，工程壩區(qū)包括水工建筑物和附屬機電設備及金屬結(jié)構(gòu)等。

    通過水利部本級及流域管理機構(gòu)L1級和L2級數(shù)據(jù)底板基礎上，基于BIM+GIS技術建設水利工程L3級數(shù)據(jù)底板，匯聚工程全要素基礎數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)實現(xiàn)防洪興利智能預報調(diào)度、工程安全智能分析預警、生產(chǎn)運營智慧綜合管理、庫區(qū)智慧巡查監(jiān)管、綜合決策支持等業(yè)務應用。最終實現(xiàn)“四預”水利工程運行管理體系。

    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、應力應變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、專項監(jiān)測)；水質(zhì)監(jiān)測；水土保持監(jiān)測；安防監(jiān)控等。

    預警預案

    數(shù)字孿生水利解決方案可以實現(xiàn)預演、預案功能。預演及預案通過數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺共同建立和實現(xiàn)。

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

    知識平臺集成歷史場景、預演方案和其他樣本庫。歷史場景記錄歷史上真實發(fā)生的預報預警、調(diào)度指令和演變場景；預演方案存儲并復演、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)智能匹配預報預警方案和歷史類似調(diào)度場景，使用機器學習技術，不斷分析、迭代、優(yōu)化模型算法，優(yōu)化預案，實現(xiàn)對水利事件的精準決策依據(jù)。

    水庫大壩安全監(jiān)測

    水庫大壩安全監(jiān)測依托5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術實現(xiàn)全天候、全場景無人值守自動監(jiān)測及時掌握運營狀況，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、水雨情自動測報、閘門遠程控制、泄洪預警廣播、實時視頻監(jiān)控、出入庫流量監(jiān)測、水質(zhì)在線監(jiān)測等幾個部分，能夠及時準確將前端監(jiān)測站點數(shù)據(jù)采集入庫并自動分析預警，可通過平臺及APP及時掌握水庫大壩運營情況從而及時做出管理決策。

    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時掌握水庫的水位、流量、雨量等信息，當水庫水位超過汛限水位或低于死水位時系統(tǒng)自動報警，對防洪防汛抗旱的決策管理起到技術支撐作用。

    出入庫流量監(jiān)測：通過數(shù)字孿生平臺集成一體化流量監(jiān)測站數(shù)據(jù)，通過雷達流量計監(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，實現(xiàn)對閘門進行遠程開閘、關閘、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)測等功能實現(xiàn)對閘門現(xiàn)場監(jiān)視和遠程控制。

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

    在活動現(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用案例，吸引了眾多嘉賓駐足、交流和參觀。