吉波-空間智能賦能數字孿生水利的思考和實踐.pdf

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1、P1吉波水利和氣象BU 總裁北京超圖軟件股份有限公司2024年6月26日空間智能賦能數字孿生水利的思考和實踐P2目錄contents智 慧 水 利 發 展 趨 勢 分 析空間智能賦能數字孿生水利數字孿生水利案例經驗分享P3P3智 慧 水 利 發 展 趨 勢 分 析1P4萌芽階段（20世紀70年代）初步發展階段（20世紀80年代至90年代）快速發展階段（20世紀90年代中后期至21世紀初）全面深化階段（21世紀至今）單機化數字化網絡化智能化硬件信息化單業務應用業務融合一張圖大數據、人工智能數字孿生水利智 慧 水 利 發 展 趨 勢 分 析P5現實世界數字孿生虛擬對象數據驅動決策支持水利部智慧水利

2、總體架構物理到孿生、感知到決策數字孿生水利：以物理流域為單元、時空數據為底座、仿真模型為核心，水利知識為驅動，建立可測、可感、可控、可用的數字水利業務場景。孿生水利智能中樞P6數字孿生水利重點解決的三個問題：孿生、感知、決策智能決策能力（大腦）孿生轉化能力（軀干）實時感知能力（眼、手）對現實世界物理模擬，提供一個真實的空間仿真本體。結合物聯傳感實現對現實觀測數據的實時感知。融合水文機理模型、人工智能模型實現孿生場景下的預測。P7英偉達 Earth-2 數字孿生地球主要用于天氣觀測，基于英偉達 CorrDiff 生成式 AI 模型技術，融合了人工智能、物理模擬和觀測數據，能夠從今天的數據來預測未

3、來世界的影響。降雨蒸發山丘區子流域山丘區河道平原區坡面平原區河道湖泊及蓄滯洪區水利工程新安江模型、雙超產流模型等水利部模型方法馬斯京根河道匯流模型四類下墊面產流模型一維河道模型、潮位邊界模型零維模型、二維水動力模型工程過水模擬模型、水工程復雜調度模型水文機理模型主要利用機理模型模擬水利物理系統的物理屬性、狀態變化及運行規律，實現對水利系統的物理孿生、狀態孿生和機理孿生。P8遙感影像DEMDSM傾斜攝影水下地形 大氣溫度 大氣濕度 雨量 風速 風向 濕度氣象站衛星無人機無人船 降雨量(mm)監控視頻 定位信息 速度信息 加速度信息變形監測GNSS雷達流速儀 水位 流速 流量無線抄表 水位 流量

4、電能智能機井控制器 取水量 用水取電量 累計用電量 水位 溫度水位監測儀超聲波水位計水質監測儀水質綜合檢測儀 總氮 氨氮 總磷 色度 濁度 COD高低量程 水質污染物 重金屬水位電子水尺 水位 積水深度 道路積水深度 內澇點監測低洼路段監測P9孿生轉化能力：采集、治理、建模、可視化、仿真、交互水利全景信息載體物理流域數字孿生流域基礎數據監測數據地理空間數據業務數據共享數據三維數據底座統一匯聚數據服務多源融合系統治理受自然規律和社會經濟活動影響的真實地理實體對物理流域進行高精度數字化表達和智能化操控的虛擬空間模型實時渲染高度仿真動態模擬水利全要素數字化映射真實場景實時同步動態反饋P10P10空間

5、智能賦能數字孿生水利2P11數字影子數字模型數字孿生數字孿生演化過程數字孿生發展三階段以虛擬實以虛映實以虛控實關于數字孿生的發展，國內外學者做了類似的總結。P12孿生轉化能力：采集、治理、建模、可視化、仿真、交互、控制2024年6月22日，華為云和中國信通院聯合發布數字孿生發展研究報告數字孿生五階段演進路線P13一、數據采集能力構建數據采集數據加工數據成果DEM/DSMDOM/TDOM傾斜攝影三維模型精細三維模型BIM無人機衛星激光雷達空間數據獲取解決核心問題：基于多源、多分辨率數據的快速、標準化處理統一平臺支撐！P14一、數據采集能力構建非空間數據獲取數據庫鏈接物聯中臺網絡爬蟲API網關射頻

6、技術傳感器傳輸物聯網數據庫數據中臺解決核心問題：多標準、多協議物聯數據到標準化數據應用構建方法！P15二、數據治理能力構建數據資源體系數據資源基礎數據監測數據業務管理數據跨行業共享數據地理空間數據 基礎水系 管理對象基礎地理BIM雨情監測工情監測水情監測設備健康流程管理國土資源氣象測報傾斜攝影其他管理數據其他共享數據其他基礎數據其他監測數據安全培訓地形水利工程 社會經濟點云重點數據全國范圍L1流域L2重點工程L3重點工程L3+在L1至L3+三維場景下，針對不同的要素采用不同的表達方式數據分級解決核心問題：構建一套基于業務應用導向的可擴展、標準化水利數據資源體系！P16二、數據治理能力構建數據治

7、理數據匯聚 ETL GPA 腳本讀取 離線拷貝 數據治理 數據清先工具 數據質檢工具 數據處理工具 數據入庫工具 定制任務 GPA自動化數據融合 二三維融合工具 水利要素模型 關系對象模型 時空網絡模型數據挖掘 算法開發 AI分析 影像分析 知識平臺 機理模型數據產品 二次開發工具 開發平臺 各類專題圖（洪水風險圖）數據運營 數據更新工具 產品服務工具 數據評價工具 資產管理平臺數據治理中臺歸集庫標準庫主題庫應用系統資產管理平臺解決核心問題：數據到信息，信息到知識一整套的治理平臺，挖掘數據價值！P17二、數據治理能力構建數據動態匯聚更新遙感衛星航空遙感無人機遙感通信衛星視頻監測水文監測水下地形

8、測繪天空地涉水要素全域感知多種數據來源多種匯聚方式本級應用上下級應用跨部門應用數據庫數據文件數據接口統一存儲數據中臺統一數倉拉ETL工具GPA工具腳本讀取定時任務推數據接口采集系統離線拷貝解決核心問題：面對不同的數據和業務，確立不同的自動化更新流程和工具！P18三、數據建模能力構建空間數據融合精細模型地下隧洞激光點云遙感影像傾斜攝影BIM傾斜攝影嵌入地形BIM嵌入地形傾斜攝影融入水面數據格式轉換坐標系統一數據標準化模型輕量化解決核心問題：多源、多尺度、多精度數據融合算法構建！P19三、數據建模能力構建探頭視頻與大壩數據融合視頻與空間數據融合無人機視頻與傾斜攝影數據融合解決核心問題：視頻數據空間

9、化！P20三、數據建模能力構建基于GPA數據處理自動化傾斜攝影數據自動化處理BIM數據自動化處理解決核心問題：拖拽式、流程化、自動化建模，提升效率、質量！P21四、空間計算能力構建水文分析工具，為模型平臺的前處理提供專業的在線分析工具和模型計算所需要的數據。填洼工具流向工具匯流累計工具獲取流域面工具獲取水系工具圖層管理工具斷面數據導入工具水體計算邊界點繪制工具水文分析工具GIS基礎平臺解決核心問題：面對水利業務人員不同的業務場景，解決專業的水利空間計算！P22四、空間計算能力構建河道斷面分析槽蓄量分析基于地形淹沒分析基于三維場景淹沒分析坡度坡向分析堰塞體標繪計算水利專業三維空間計算解決核心問題

10、：空間數據三維化空間計算能力！P23五、可視化仿真能力構建GIS動態融合渲染潮汐演進洪水演進解決核心問題：海量、時序空間數據可視化！P24一維水動力模型渲染二維水動力模型渲染粒子效果水位、流量、流速綜合表達水文水動力學耦合與二維空間計算模擬五、可視化仿真能力構建解決核心問題：水文專業計算與空間可視化融合！P25GIS+游戲引擎融合仿真潰堤仿真開閘調水五、可視化仿真能力構建解決核心問題：統一空間場景下的動態仿真與GIS融合！P26GIS+游戲引擎同場景內無縫切換GIS引擎：1、大場景2、無高精度數據中小場景3、需要用到大量GIS空間分析能力的業務場景4、用戶無法提供高性能服務器游戲引擎：1、有高

11、精度數據、高逼真可視化要求的中小場景（如單個工程管理類）2、有自然背景、天氣變化、水流動態等細粒度、微觀可視化需求的特定場景P27預報三角格網基于三角格網動態仿真疊加水面動態仿真五、可視化仿真能力構建耦合粒子系統模型和2D數值網格三維化技術仿真模擬解決核心問題：告別傳統的效果模擬，實現粒子動態仿真模擬計算的真實性！P28六、空間交互能力構建監測信息及其閾值過程線重點工程部位安全監測實時監測分析預警模型解決核心問題：解決物理世界通過傳感設施實現數據驅動下孿生世界的實時反饋！P29六、空間交互能力構建河垃圾堆放監測排污口監測沙堆堆放監測采砂船監測基于深度神經網絡的衛星影像變化檢測模型遙感智能識別模

12、型解決核心問題：解決物理世界通過高空遙感實現數據驅動下孿生世界的實時反饋！P30視頻智能識別模型水尺識別閘門開閉識別水位線預警六、空間交互能力構建解決核心問題：解決物理世界通過視頻監控實現數據驅動下孿生世界的實時反饋！P31P31數字孿生水利案例經驗分享3P32一、甌江-大溪流域數字孿生防洪“四預”應用甌江流域試點區域（玉溪-開潭）甌江是浙江的第二大江，流經麗水、溫州等市，干流全長388公里。本項目選取了甌江干流玉溪梯級水庫-開潭電站試點區域，規劃總面積371.7公頃，兩岸環線周長約116公里。從地形地勢中也可以看出麗水屬于群山環繞的一個地勢，試點區域位于麗水城區，兩岸人口比較多，假如發生汛情

13、災害，人民群眾及經濟影響都是非常嚴重。P33感知監測工情態勢水情態勢 實時監控河道站、水庫站等水工程監測信息，結合警戒水位（流量）、汛限水位等特征指標，實現對流域干流支流斷面多層次監控，清晰感知”洪水在哪里“。水庫水情：基于水庫站IOT物聯感知設備數據，圖屬聯動實時監控各水庫現狀風險，分析大中小水庫蓄水率，動態感知病險水庫與病險山塘狀態。斷面水情：實現對重點河道斷面實時監控分析，結合斷面警戒水位與保證水位特征指標，動態分析感知各個斷面實時風險狀態。動態展示表達流域干支流水庫工情實時監測數據，及時掌握流域重點水庫工情信息，暢通一線信息直達決策中心通道。實時監測：監控水利工程立面詳情感知信息，結合

14、水庫特征水位動態比對，關聯研判分析水庫的實時下泄流量、入庫流量、蓄水量等信息。工程信息：概況分析流域重點水利工程的基本信息，了解水庫的基本工程概況、基礎質量信息以及控運計劃，輔助水庫工程調度決策。海量IOT感知數據精準研判關鍵水庫與斷面深化分析短臨降雨預警實時快速警示 雨情態勢 按照“面線點”各層級監測預警，分級分類展示流域面、縣區面、降雨站點的降雨情況，實時查看”實測降雨在哪里“。降雨站點：基于全量降雨感知設備，監測各個站點在不同時間維度下是否超出閾值的現狀，動態空間圖屬聯動分級分類分析。流域、縣區面：實現縣區與流域面的多維度態勢感知監測預警。等值線、等值面：研判全市動態時空降雨分布，直觀的

15、分析出”實測降雨在哪里“。P34水文預報（預報）繃緊“降雨產流匯流演進”鏈條，強化氣象水文預報耦合和預報模型參數率定，實現以流域為單元短中長期預報，關鍵洪水預報精準可靠。直觀清晰了解“預報降雨在哪里”，“預報洪水在哪里”，“預報風險在哪里”。預報”洪水在哪里“外推發電調度”風險在哪里“基于逐個小時網格面雨量，做多方位時空分析，多維度預報”降雨在哪里“P35應急處置（預警）繃緊“技術料物隊伍組織”鏈條，緊扣“如何管控風險”、“管控效果如何”核心問題；在做好監測、預報、預警和水工程防洪調度的同時，強化風險意識，落實工程巡查防守和應急處置措施，建立預警處置責任的執行落實、響應跟蹤鏈路，督促各市區縣和

16、鄉鎮基層有序落實應急工作任務，堅決守住洪水防御安全底線。P36孿生仿真（預演）依托全新模擬仿真引擎，聚焦“四預”功能，在數字化場景基礎上，實現二三維可視仿真模擬，實現看、查、測、算、演等功能，賦能防汛業務應用。在數字孿生流域中對典型歷史事件、設計、規劃或未來預報場景下的水利工程調度進行模擬仿真推演，正向預演出風險形勢和影響，逆向推演出水利工程安全運行限制條件，及時發現問題，提出防風險措施，迭代優化方案。三維微觀尺度預演二維宏觀尺度演進精細化、立體化物理流域空間模擬仿真業務機理模擬仿真-水勢漲落業務機理模擬仿真-洪水漫堤P37防汛調度（預案）繃緊“總量洪峰過程調度”鏈條，集中攻關水工程聯合預報調

17、度技術研究，緊扣“如何干預風險”、“還有什么風險”核心問題，構建“保上游”、“保下游”、“平衡上下游”多種智能調度模型，考慮重點水庫下泄流量與關鍵保護區域淹沒深度的不同層次等級，按照洪水的發展正向進行預演，同時以關鍵位置的防護要求為目標反向進行水工程調度演算，評估不同調度方案的風險，選取最優解決方案，最大程度降低災害風險，為洪水防御決策提供科學支撐。P38二、三峽庫區及其影響區域數字孿生應用項目介紹：在數字孿生場景中實現防洪調度過程的全過程數字化、可視化展示，支撐防汛過程中的水情變化、工程調度、蓄滯洪區應用等調度過程信息的快捷獲取，輔助決策，實現“四預”目標。多源異構時空數據融合GIS+專業模

18、型聯動分析預案全流程動態可視化P391、重現“歷史”，構建覆蓋長江全流域的調度預案庫重現長江流域歷史典型暴雨洪水場景，復演洪水發展過程，根據洪水不同發展態勢和淹沒區域，構建覆蓋長江全流域的多層次、多類型預案庫。P402、秒級精算，基于“正逆向”互饋預演制定實時預案借助模擬仿真引擎以及并行計算方法，實現覆蓋長江全河系主要控制站和水工程調度方案的“秒級”運算，快速知曉防洪庫容“剩多少”“剩在哪”“夠不夠用”“能不能用”。并根據不同的調度目標，運用建立的多場景調度目標方案庫，實現調度方案的“按需定制”。P413、精準復刻，“身臨其境”掌握流域防洪現狀、趨勢及風險基于不同的調度目標和調度場景，借助模擬

19、仿真引擎將抽象的調度方案數據進行模擬展示，使調度方案制定者以“上帝視角”充分了解調度方案的得與失。P424、方案比對，多元視角剖析調度方案優劣基于防洪實際業務管理的需求，通過模擬水庫群聯合調度在達到既有目標（是否啟用蓄滯洪區、是否超保證水位、是否分洪等）下預演洪水演變、淹沒情況，綜合評估各項防洪預案的優劣點的基礎上推薦最優防洪預案，為防洪調度提供可靠分析支撐。預案一預案二預案三P43更多案例歡迎交流項目區域項目名稱項目區域項目名稱部委級水利部數字孿生平臺（全國水利一張圖 2023 版）省級安徽省淠史杭“數字灌區”項目水利部信創工程天津市數字孿生水文業務系統全國河湖長制管理平臺數字一體化平臺(河北省水利一張圖)國家防汛抗旱指揮系統二期工程湖北省水利水電規劃勘測設計院一張圖國家水資源監控能力建設廣東省水利一張圖國家地下水監測工程湖南省水利空間數據管理系統內蒙古自治區水文一張圖流域級長江流域數字孿生防洪應用數字孿生滏陽河工程項目市縣區級深圳市智慧水務漳河數字孿生項目宜都市水利和湖泊局水資源信息綜合管理平臺項目寧夏清水河數字孿生流域錦州市城市防汛平臺甌江流域防洪四預系統南京建鄴區城市內澇系統異龍湖流域智慧監管平臺平陰縣“智慧黃河”數字化平臺P44Thank You All