基于数字孪生流域的防汛“四预”平台设计

2022-10-27邵银霞王沛丰吕思远

水利信息化 2022年5期

周洁，邵银霞，王沛丰，吕思远

（1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2．浙江华东工程数字技术有限公司，浙江杭州 311122）

0 引言

近年来，受全球气候变化和人类活动影响，全国水旱灾害多发重发态势不容乐观[1]。极端天气导致超标准载荷，水利工程隐患极易集中爆发，形成灾害链放大效应[2]。工程措施方面，我国大部分地区已建有相对完备的高标准防御体系，但随着工程标准的提高和自然环境的不确定性加大，对突发性灾害的应急能力提出了更高要求。非工程措施方面，各地防汛系统均存在以下共通问题：

1）管理流程尚未彻底打通。防汛工作涉及多部门协同，数据分散和线下沟通方式极大影响了管理效能和数据利用水平。

2）数据底板尚未搭建完全[3]。数据底板是水利应用系统的基础，大部分地区已建有二维数据底板，但在三维底板建设和可视化应用场景构建方面相对欠缺。

3）业务场景尚未全面实现。防汛系统功能多以数据展示为主，业务场景覆盖不全，管理流程尚未得到有效数字化，存在数据安全隐患。

4）决策支持尚未支撑到位。在“四预”（预报、预演、预警、预案）能力方面，缺乏复杂情势下多因素组合预警功能；预报预演系统仍停留在离线版，实时性、耦合性、可视化不足；预案类文档数字化利用水平低[4]。

基于现状问题，结合“十四五”期间国家对智慧水利建设规划、数字孪生流域建设及防洪减灾业务场景构建要求，就一站式防汛、数字孪生场景、结构化知识体系开展专项研究，改进现有防汛系统的痛点难点，研发基于数字孪生流域的防汛“四预”平台，赋能水旱灾害防御，推动新阶段水利高质量发展。

1 专项研究

1.1 闭环防汛流程设计

1.1.1 信息化系统现状梳理

当前，各类防汛系统大多为垂直管理，存在明显的数据壁垒，无法进行数据交换和共享，导致业务流程协同困难，信息化系统现状如图1所示。同时，一数多源问题大大增加了水利基础数据的维护难度，难以形成全面、统一、权威的涉水数据底板和水利一张图，一定程度上影响了各业务专题数据的形成和建设效果。

图1 信息化系统现状

1.1.2 一站式防汛流程设计

系统梳理各级流域防汛部门主要业务工作及信息化需求，建立水利高质量发展目标下数据共享逻辑和一站式防汛流程，闭环防汛流程如图2所示。构建防汛数据共享平台，针对需要交换和流转的基础、业务数据，统一在数据共享中心进行管理更新，保证一数一源；构建各级单位协同工作平台，通过数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，全面提升流域防汛预报、预演、预警、预案能力[5]。

图2 闭环防汛流程

针对防汛“四预”过程中的关键环节，打破数据壁垒，实现一中心流转、一平台处置、一站式防汛。关键环节一体化设计如下：

1）预报调度一体化。同步气象部门最新面雨量数据，结合水文监测和下垫面资料，对流域内大江大河等关键控制节点进行滚动预报，预报成果通过数据中心共享至调度系统，作为水库、闸泵、蓄滞洪区等水利工程调度模型的条件输入，模拟极端气候、流域性大洪水情况下的工程调度应对方案，为调度方案动态调整、应急预案编制提供理论支撑。

2）调度演进一体化。流域内承担主要调度职责的大中型及重点水工构筑物，一般配有独立或联合调度预案和模型，结合不同调度规则进行模拟计算，调度成果通过数据中心共享至演进系统，作为河道及洪泛区洪水演进的边界输入。通过一二维耦合水动力模拟，对河道及两岸保护区进行演进模拟及风险研判，演进成果通过数据中心反馈至调度系统，为工程启闭、运行设定等调度规则调整提供数据参考。

3）预警发布一体化。打通洪水预警自站点预警至信息发布一体化线上操作流程，接入实时监测数据，设置预警阈值，编制预警内容模版，设定审批流程，预置推送部门，集成传真、政务、通信软件等多种推送方式，实现洪水预警的快速整编、审批及发布，方便各单位及部门管理人员及时接收和在线反馈。

4）预案管理一体化。数字化管理各类水利工程运行方案，提取方案重点信息进行结构化解构和标签化处理，供实时预警、预报、调度、模拟计算等各类应用场景和业务处理调用查询，方便对文档信息的快速定位、统一管理与更新，实现各类预案的活取活用。

1.2 数字孪生场景构建

1.2.1 常见可视化模型分类

数字孪生流域建设中主要利用的三维可视化模型有以下几类：

1）实景模型。实景建模一般通过卫星遥感、倾斜摄影、水下探测等途径，建立流域大尺度三维影像模型[6]。通过卫星遥感技术，可快速获取流域整体地貌，直观展现流域内水系分布、水工构筑物、沿岸地貌等信息；倾斜摄影摆脱了传统单一正射影像的桎梏，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，多角度采集影像，对后期建模精度和完整度有很大改善[7]，适用于流域内大江大河及沿岸局部小尺度影像效果改善；多波束水下探测技术可以获得高密度水下测点[8]，再结合 GIS 技术分析、处理，形成高清晰度的水下影像，有助于及时了解河床、河槽纳蓄能力变化，初步实现水下可视化[9]。

2）BIM 模型。BIM 技术是工程数字化建设的重要手段，通过精细化建模和三维渲染，提供模型属性查询、尺寸量测、切割、叠加分析等工具，可有效评估工程量，跟进建设进度，校审建设质量[10]。在工程运维期，精细化建模有助于高效管理建筑设施及资产，通过叠加相关物联感知设备，以“所见所得”的形式直观掌握工程当前运行状态，方便日常巡检、灾害应急模拟等相关管理业务的开展，适用于大中型水利工程从规划设计、实施到运维的全生命周期管理。

3）数值模型。数值模拟可提前掌握洪水规模，预判防汛形势，传统技术条件下，通常以二维形式展示水利工程、河道、区域等防汛保护对象的水文和水利计算成果，缺乏空间视角[11]，与现实情况存在差距。利用三维渲染技术，能更为直观地展示数值模拟结果，通过叠加实景和 BIM 模型，可清晰地查看水库堤防的漫溢风险、区域洪水淹没情况、单体建筑的淹没水深等，同时结合时间序列，实现洪水的动态演进展示[12]。

1.2.2 三维可视化场景构建

基于三维可视化技术及适用特点，融合构建以下防洪减灾数字化应用场景，全面提升流域防汛“四预”能力：

1）孪生一张图。升级水利一张图，在二维 GIS基础上，通过引入卫星遥感、倾斜摄影、BIM 等实景和仿真数据[13]，构建三维水利数据底板。同时，收集流域内河道、湖泊、水库、闸泵等涉水对象的地理信息数据，接入配套物联感知设备，形成水利孪生一张图，与现实流域联动更新，供业务场景统一取用。

2）洪水演进。接入孪生一张图，基于预报降雨、上游来水等边界数据，模拟流域内干流重要断面水位、流量过程。利用三维虚拟仿真技术，将数值模拟结果渲染成立体水面，叠加时间维度，实现立体水面随时间演进的动态效果，分析干流堤防漫堤、沿线工程度汛等风险，为汛期工程调度提供决策支持[14]。

3）风险分析。接入孪生一张图，收集流域内洪水预报、设计、历史典型等数据，耦合河道及二维保护区，构建洪水风险分析模型。利用虚拟仿真技术渲染形成三维动态洪水风险图，模拟洪峰流量、到达时间、淹没历时等风险要素，分析研判流域内工程、城镇、村落、道路交通等防洪重点保护对象的洪水风险。

4）避险转移。接入孪生一张图，提取防汛应急预案中相关部署信息，包括应急队伍、专家、物资、路线等分布数据，形成面向不同水利设施的专项避险转移专题图，通过三维可视化展示，清晰直观地展现流域内抢险物资的分布情况，各保护区及转移安置点间的对应关系、计划转移路线等信息。

1.3 防汛知识体系研究

1.3.1 结构化知识体系组成

防汛工作的管理和实际执行中，涉及的庞大体量的信息可分为以下4类：

1）对象类信息。围绕防汛对象本身的信息，包括江河湖泊、水利工程、防洪工事的基底信息，气象水文等环境量信息，以及人口经济等社会信息。

2）事件类信息。防洪事件信息，包括发生位置、发生时间、事件描述等信息。

3）资源类信息。资源类信息指投入防灾减灾的人财物资源情况，包括组织、队伍、专家、物资等。

4）动作类信息。动作类信息指与防汛预防、预演、处置等活动相关的指导性文件，政策，预案等。

防汛工作者负责日常管理更新，在汛期作战时极其高效地在海量信息中整合出符合当下汛情要求的决策指令，无疑是巨大的挑战。有效识别和结构化4类防汛信息，借助数字化技术提高信息筛选效率、构建高效服务的防洪减灾知识体系对辅助决策支持具有重大意义。

防汛结构化知识体系的建设内容应涵盖传统资料库的基本功能，并在此基础上，变革传统防汛资料保存、处理和查询手段，实现资料利用率和效率的实质性提升。为此，防汛结构化知识体系应从防汛信息汇集着手，对收集的资料进行整合梳理，通过电子化的防汛知识档案的管理改善传统资料保存、查询手段，进一步进行知识的结构化处理，实现防汛知识的提升性应用。

1.3.2 结构化知识体系构建

根据结构化知识体系组成梳理构建结构化知识体系，构建流程如图3所示。

图3 防汛结构化知识体系构建流程

防汛结构化知识体系主要包括以下模块：

1）汇集及处理模块。全面收集防汛相关资料，分类整编，形成防汛基础信息库。构建完善的信息资料审核机制，标记资料更新时间和状态，提供资料纠错功能，帮助管理人员在信息资料使用过程中不断完善基础信息库。

2）档案管理模块。因防汛信息来源途径多，资料形式不一，构建档案管理模块，可方便统一管理。原始档案是结构化知识库的来源和基础，对原始档案的电子化管理一方面便于资料的保存和更新，另一方面为用户提供结构化知识库以外的信息溯源途径，供用户平时进行自我学习。

3）结构化处理模块。结构化是对防汛信息的进一步处理，是对综合性信息的属性拆分和知识管理[15]，可通过标签化管理代替人工识别，精确匹配用户的知识需求。以防汛抢险为例，防汛信息的结构化拆分可从险情发现到处置的各个阶段进行分析，险情信息结构化处理结果如图4所示。险情上报阶段可提取险情的基础信息，包括险情所在地，险情发生的构筑物类型、工程等别，险情的事件类型等；险情上报后对险情进行持续跟踪和调查，获取险情的严重程度、发生原因，险情所在地水、雨、工情等环境变量，相关部门进行的应急响应等；依据上报和跟踪调查2个阶段获取的险情属性进行结构化推演，可得到历史相似险情情况、灾情影响（范围、程度）、处置措施、推荐专家名单。

图4 险情信息结构化处理结果

4）结构化应用模块。结构化应用模块可实现结构化标签管理和应用。依据信息属性之间的关联关系，编制结构化知识的多级索引，用户可自由编辑调整索引级别，通过索引目录帮助管理人员快速查询需要的信息。同时，索引也将作为关键字标签，帮助系统根据险情情况进行标签匹配，从而进一步实现匹配信息的自动推送。结构化标签应用流程如图5所示。

图5 结构化应用流程

2 功能设计

基于数字孪生流域的防汛“四预”平台总体设计以实现流域防汛“四预”能力信息化、数字化和智能化为原则，在充分调研防汛部门日常职能、业务流程、组织协同、信息共享等需求的基础上，设计数据贯通、流程封闭、场景覆盖、孪生共长的一站式流域防汛平台。“四预”平台功能架构如图6所示。

图6 功能架构图

2.1 孪生地图

孪生地图一方面作为现实流域的虚拟映射，展示流域内涉水要素全景；另一方面，作为数据底板赋能平台业务系统，实现不同业务系统底层数据的一致性。具体功能分析如下：

1）数据底板。收集流域内地理地貌、干支流水系、水利工程、经济社会等信息，对物理流域涉水相关要素进行数字化映射，形成二三维数据底板，实现现实流域与数字流域间的动态信息交互和深度融合，保证两者的同步性和孪生性。

2）业务专题图。根据防汛各部门分管业务及各环节关注信息，配置数据底板，集成所需实时业务数据，形成面向某一细分业务的系列专题看板，如工程运行、水库纳蓄、风险隐患、风险预警方面的一张图。

2.2 预警专题

预警专题主要实现平台从发出预警至正式发布预警单的线上流转功能，以及各类预警通知、研判清单、预警单等线上管理功能。具体功能分析如下：

1）实时监测。汇总各类涉水对象的配套感知要素，包括水文监测、水利工程安全监测、工程运行状态监控等，实现各类要素的实时感知、设备的远程操控。

2）形势研判。建立多级多因子防汛形势研判标准，根据当前流域实测数据，结合专家经验，动态评估流域内风险隐患点和薄弱环节，一键形成研判清单和结论，辅助后续决策调度。

3）预警发布。建立洪水多级预警体系，实现各级测站预警的线上编辑、校核、审批流程，发布成果通过系统、传真、政务通信软件等多渠道实时共享至相关管理人员。

2.3 预报专题

预报专题集成了工程、河道、流域等系列点，线，面水利模型，实现多模型耦合。具体功能分析如下：

1）水文预报。集成降水、产流、汇流全过程预报作业，实现气象水文耦合预报，支持预报超警及断面预警，支持断面实测、历史同期及上下游等水情的对比分析。

2）河道演进。基于当前流域雨水情现状，构建河道演进模型，支持不同降雨强度输入，实现全河道水位演算。

3）工程调度。集成水库、闸泵、蓄滞洪区等重要水利工程调度模型，承接水文预报成果，耦合水文水利模型，分析来水条件、控运计划、调度规则间的组合方式，生成调度方案，发布调度指令，跟踪执行情况和调度成效，实现预报调度一体化滚动作业。

4）方案管理。统一管理各类预报调度模型接口，支持在线方案编辑。

2.4 预演专题

预演专题通过构建洪水演进模型，展示不同来水条件下流域淹没风险，为流域防洪预案编制、汛期工程调度提供数据支撑。具体功能分析如下：

1）纳蓄分析。根据水库实时水位、库容曲线、水库控制面积等参数，计算流域内当前各水库的可纳水量、降雨量；同时，基于未来降雨预报或假定降雨，统计流域内水库超汛限或移民水位情况。

2）洪水演进。支持叠加流域内降雨强度，展示预报、设计、历史典型等不同来水和工况条件下，河道、洪泛区等涉水对象的数值模拟结果，通过二三维虚拟仿真技术，进行模拟结果的逐时展示，形成动态洪水风险图。

3）风险分析。对流域内防汛重点保护对象进行洪水风险要素分析，包括洪峰水位、洪峰流量、到达时间、淹没历时等，为后续抢险预案制定提供数据支撑。

4）灾损评估。对洪水演进结果进行风险统计分析，通过叠加社会经济信息，利用 GIS 数据分析处理技术，对一次洪水预演下，流域内受影响的水利工程、人口、经济、道路交通等指标因素进行统计。

5）方案管理。统一管理各类模型接口和预置方案，支持在线方案编制。

2.5 预案专题

预案专题作为防汛知识库，统一存储并结构化管理各类防汛预案、历史记录、专家经验等数据资料，通过不断迭代形成强大的防汛知识体系，指导汛期实际防汛工作。具体功能分析如下：

1）结构化处理。基于防汛信息库实现对防汛相关指导文档的统一在线管理，支持文件的增加、删除、修改、查询功能；通过防汛知识的结构化处理，实现文档关键信息的提取，形成目录树形式知识索引标签，方便各业务管理模块智能调用。

2）抢险支持。对流域范围内的防汛仓库，以及抢险物资、队伍及专家进行数字化动态管理，建立关联关系。联动智能预案，根据出险的工程类别、险情种类及发生地位置，提供最优的抢险技术和物资、队伍组织等方案。

3 应用实践

基于数字孪生理念及水利部强化“四预”措施要求，对防汛孪生地图及“四预”专题功能进行产品化模块设计和研发，目前已在浙江钱塘江、济宁泗河、雄安白洋淀等流域，以及郑州贾鲁河等多地上线应用，是数字孪生技术与传统水利管理的有机融合，实现了新一代信息技术在水利领域的综合集成应用。2020年浙江“长梅”期间，基于数字孪生的防汛“四预”平台服务于钱塘江流域防洪研判及风险管理，支撑新安江水库泄洪调度决策，助力新安江水库建坝以来首次正式开启全部9孔泄洪，削峰率达到 67%[16]。通过有序调度，共减淹面积 123.8 km2，减少受灾人口45万人次，同时确保大坝安全，实现人员零伤亡，防洪减灾效益显著。