数字孪生灌区建设方案（69页 PPT）

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P1 数字孪生灌区建设方案 一、数字孪生灌区建设背景 二、数字孪生漳河灌区建设方案 三、展望 目录 P2 01 数字孪生灌区建设背景 P3 主 要 是 在 灌 区 信 息 化 建 设 基 础 上 ， 充分利用智慧水利 、 数字孪 生流域 、 数字孪生水利工程和数 字孪生水网建设等相关成果 ， 强化 信息感知 、 资源共享 、 决策支持 、 泛在服务等体系构建； 以数字化 场景 、智能化模拟 、 精准化决策 为路径 ，推进灌区数字化 、 监控 自动化 、 调度智能化建设 ， 提高 灌区预报 、预警 、 预演 、 预案 ( “ 四预 ” ) 能力 ， 动 态 优 化 灌 区 水 资 源调度 ，充分发挥灌区综 合效益。 数字孪生灌区概述 来源：《数字孪生灌区建设技术指南》 建设任务 : P4 数字孪生灌区建设包括信息化基础设施、 数字孪生平台、 业务应用平台、 网络安全体系、 运行维护体系等。 数字孪生灌区总体架构 ( 来源《数字孪生灌区建设技术指 南》 ) P5 1 、物理灌区： 主要包括水源工程 ，灌溉排水工程体系 ，灌溉区域作物种植结构及主要用水户等。 2 、信息化基础设施。 主要包括立体感知体系、 自动控制系统、 支撑保障体系， 为灌区数据采集、传输存储、分析计 算、应用支撑、 运行管理等提供基础支撑和算力保护。 3 、数字孪生平台包括数据底板、模型库、知识库等。数据底板为模型库和知识库提供算据； 模型库和知识库为典型应 用提供算法。其中 ，数据底板包括基础数据、 监测数据、 业务管理数据、地理空间数据和外部共享数据 ，模型库包括 水利专业模型、智能识别模型、 可视化模型 ，知识库包括多年运行管理经验凝练成的专家经验和业务规则。 4 、 业务应用平台包括供需水感知与预报 ，水资源配置与供用水调度、水旱灾害防御、 工程管理、 自动控制、 量水与 水费计收、水公共服务及灌区一张图等主要业务模块。 5 、 网络安全体系包括组织管理、 安全技术、 安全运营、 监督检查、数据安全等。 6 、 运行维护体系包括管理制度， 运维保障 ，标准规范等。 数字孪生灌区系统组成 系 统 组 成 P6 业务应用平台 主要包括供需水感知与预报决策 、 水资源配置与供水调度 、 水旱灾害防御 、 工 要求。 程管理、 量水与水费计收、 水公共服务及灌区一张图等主要业务模块建设。 网络安全体系 主要包括组织管理。 安全技术、 安全运营、 监督检查、数据安全等方面的技 术 数字孪生平台 包括数据底板 ，模型库和知识库建设。 信息化基础设施 包括立体感知体系， 自动控制系统， 支撑保障体系等建设。 运行维护体系 主要包括运行维护制度建设和运行维护管理要求。 数字孪生灌区建设内容 主 要 建 设 内 容 P7 02 数字孪生漳河灌区建设方案 P8 信息化建设基础 漳河局自 1990 年开始信息化建设以来 ，建设了近千个包括水位、 雨量、 流量、 视频等感知设备 ， 开发了近 20 个 业务系统 ，在信息采集系统建设、 业务应用平台开发、 通信系统及计算机网络建设等方面取得了良好进展 ，一个 以信息采集传输、 运行监控为基础 ，综合数据库为纽带 ，优化配置、 调度运行和水资源管理为核心的漳河灌区信 息化总体框架初步形成 ， 为数字孪生漳河建设发展提供了坚实的基础。 数字孪生是实现智慧漳河的基础和重要手段 P9 漳河局依托于国家重点推进的 150 项重大水利工程之一的漳河 灌 区现代化改造及漳河水库除险加固工程项目 ，抢抓机遇、 统筹谋划 ， 围绕 “洪水来了怎么办、 一库清水怎么用、 工程安全怎么保、 标准 化管理怎么做” 四大核心任务 ，补充升级完善基础设施 ，搭建数字孪 生漳河平台 ，提升业务智能应用 ，建成了 “ 1 套数据、 1 个平台、 N 项应用、 3 端协同”的 “ 1 +1 +N+3” 数字孪生漳河体系架构 ，实现 了防洪管理、 水资源调度、 大坝安全监测 “ 四预”及工程标准化管理 的智能化 ，打造国内首批数字孪生灌区试点示范区 ，夯实了现代化 水库运行管理矩阵建设 “ 四全” “ 四制” “ 四预” “ 四管”基础。 需求调研 设计开发 功能测试 上线试运行 优化完善 完工验收 水利部 2023 年初将漳河列为全国数字孪生灌区先行先试单位之 一 2023 年 4 月 2023 年 5 月 2023 年 5 月 ~ 2024 年 6 漳河灌区入选全国数字孪生灌区先行先试名单 2022 年 6 月 ~ 2023 年 3 2021 年 8 月 ~ 2022 年 9 2024 年 6 月 P10 现代化水库运行管理矩阵结合 水库运行管理实际 ，对水库 管理的方方面面进行了立体式 的设计 ， 同时跳出水库管理 看水库管理 ，从防洪安全、 工程安全、库区安全、 全生 命周期管理等多角度、 多视 野提出了建设任务 ， 既有着 眼全局的顶层设计 ，也有对 重点关键环节的细部关注。 现代化水库运行管理矩阵建设顶层框架设计 P11 信息化基础设施 天空地一体化感知网站点数量（共 2340 处） 360 154 528 27 17 428 383 203 240 建设成果——强化硬件支撑 ， 完善数字孪生漳河基础设 施 水质、墒情及地下水位站 田间水层及塘堰水位站 安全监测站 水库水文站 闸门监控站 流量站 视频站 水位站 雨量站 P13 实现工程安全监测自动化 对安全监测设施进行自动化升级改造 ，采用测量机器人监测观音寺 大坝、鸡公尖大坝变形 ，采用 GNSS 监测三段明槽边坡变形；涉 及 40 多处断面 ， 230 余处位移标点、 170 余处测压管、近 30 处量 水堰。 气象预报共享 共享雨量 205 个站点 ，卫星云图（ 10 分钟更新） 、雷达回波（ 6 分钟更新）、智能网络预报（未来 10 天）、精细化降雨预报（未来 3 天逐时段）。 1h 分辨率雷达定量降雨反演成果 ，精准监测降雨时 空分布。 利用卫星遥感 无人机技术 采集了作物种植结构、灌溉面积、水域面积、灌排渠沟结构、作物 需耗水、土壤墒情、 田间水层、作物长势与产量等数据。 租用 “楚天云” 自建“漳河云” ，保障运行环境及网络安全 ，实现省市之间数据打 通、信息网和工控网物理隔离。 强化硬件支撑 ， 完善数字孪生漳河基础设 施 卫星遥感 气象 网络 安全监测 P14 数字孪生平台 • 应结合供用水管理业务特点和知识需求 ， 构建预报方案、 业务 规则、 水利对象关 联关系、 历史场景和调度方案等知识。 • 数据底板包括基础数据、 监测数据、 业务管理数据、 地理空 间数据和外部共享数据、 模型参数数据。 • 水利专题模型： 来水预报 、 需水预测 、 水资源配置 、 输配水联合调度 、 田间灌排及水旱灾害防御等模型 • 智能识别模型： 遥感识别 、 视频识别 、 音频识别等 • 可视化模型： 应满足仿真模拟 、 综合展示等需要 模 型 库 知 识 库 搭建孪生平台 ， 奠定数字孪生漳河智慧核 心 数据底板 P16 （ 16536 条） 边界、 水系、 渠系、 各类水工建筑物、 水库设施等。 （ 61595 条） 用水决策支持系统、 灌区闸门自动化集控管理平台、 灌区综合 信息管理系统、 荆门水库信息化管理平台、 水超市、 视频监控平台、 三干 渠智能灌溉自动化管理系统 （ 641 个站） 水位、 流量、 雨量、 墒情、 田间含水、 图像、 蒸发量、 水质数据 等 （ 458 个站） 水位、 流量、 雨量、 墒情、 田间含水、 图像、 蒸发量等 （ 102 个站） 水位、 流量、 闸位等 （ 242 个站） 渗压、 渗流、 位移监测等 （ 2811 条） 边界、 水系、 渠系、 各类水工建筑物、 水库设施等 灌区 DOM/DEM 数据、 重点区域倾斜摄影、 BIM 模型数据等 种植面积、 来水预测、 需水预测、 水量分配、 水量调度等 取水许可、 供水统计、 水费结算、 量测水管理、 农业水权及节水管理等 管理体系、 巡视检查、 监督考核、 维修养护、 涉渠项目、 安全管理等 水政巡查、 水政执法、 普法宣传、 信息管理等 洪水预报、 洪水预警等 省水库、 水文、 襄阳气象局、 武警支队、 环保局 整合共享 共享省水利厅水文、水 库的基础、实时、历史 数据。 共享荆门智慧城市大脑底 图。 汇聚气象、水利、农业、 环保等不同部门数据， 汇聚基础、监测、业务 管理、地理空间及外部 共享数据。 整合漳河 60 年来的数据成 果 基础数据 监测数据（约 4431 万条 空间数据 业务数据 外部数据 灌区调查表、 资料文档 业务数据 灌区综合系统 （含漳河遥测） 接收中心 三干渠智能灌 溉自动化管理 系统 大坝安全监测 基础空间 L 1/L2/L3 底板 水资源调度 灌区管理 标准化管理 水政管理 防洪调度 数 据 资 源 中 心 P17 1 、数字孪生平台 - 数据底 板 灌区及各干渠种植面积 多年平均毛来水量、 多年平均净来水量、 本年以来水量、 本月多年平均来水量、 预测方案 生活、 工业、 农业、 生态需水的实时供水流量、 平均年供水量、 本年已供水量、 本月已供水量 等年度及月度的兴利计划方案数量、 优化调节方案数量 ，计划申报情况 调度指令每年度申请及执行情况 许可证状态统计、 取水量统计、 取水水源统计 灌溉水方、 出库水方、 管理段水方 管理局、 局规费站、 局计财科、 维护人员结算情况 测量断面数、 年度测量中及未测量数、 年度累计放水量、 闸门启闭记录 水权分配情况、 用水指标、 水权交易、 水权管理、 节水宣传推广、 问卷调查、 节水办法等 组织机构、 人员情况、 规章制度、 培训计划及记录 管理单位季度考核得分情况、 整改情况 巡查完成情况、 工程异常问题统计、 巡查问题统计 维护情况统计 防治日志、 发现危害、 挖巢治理、 防治经费等 项目总数、 已完工项目、 在建项目、 未开工项目等 防汛体系、 防汛物资、 安全生产、 应急管理、 安全鉴定等 管理单位经费统计 种植面积 来水预测 需水预测 水量分配 水量调度 取水许可 供水统计 水费结算 量测水管理 农业水权及节 水管理 管理体系 监督考核 巡视检查 维修养护 白蚁防治 涉渠项目 安全管理 经济管理 建设成果——搭建孪生平台 ， 奠定数字孪生漳河智慧核 心 水资源调度 灌区管理 标准化管理 业 务 数 据 P18 倾斜摄 影建模 建设了从渠首闸至马头砦溢洪道 64km2 、常年供水段渠道 27km2 的 3cm 精度以及荆门城区 800km2 的 5cm 精度倾斜摄影模型。 DEM 地 形数据 采集了漳河流域 80km2 ，精度 为 0.2m 的 DEM 地形数据 ，用 于河道洪水演进。 遥感影像 覆盖漳河水库流域、灌区、泄洪 影响区 9591km2 、 0.8m 精度的 遥感影像数据。 建设了包括大坝、溢洪道、 水闸等重要水工建筑物 BIM 模 型近 50 个 ， 90% 的模型精度 为 L3 级 BIM 模型 1 、数字孪生平台 - 数据底 板 观音寺大坝倾斜摄影 漳河下游主河道 DEM 总干渠局部遥感影像 渠首闸 BIM 模 型 P19 数据镶嵌、数据 分层 宏观场景 基础及监测数据 数据关联、视频映射 BIM 数据镶嵌、贴合 1 、数字孪生平台 - 数据底 板 倾斜摄影 /BIM 与监测信息融 合 倾斜摄影 /BIM 与视频融 合 倾斜摄影 /BIM 与水面融 合 多源底板数据融合 微观场景 中观场景 BIM 与地形融 合 地形 影像 倾斜摄影 视频监控 水面 P20 。 按需构建模型库、 知识库 ，奠定数字孪生 漳河的智慧核心。 模型库主要包括漳河水库洪水预报、 防洪 调度模型 ，漳河灌区来水预测、 需水预测、 水资源配置、 输配水联合调度、 水流模拟 模型 ， 以及视频识别模型等。 知识库主要包括漳河灌区各水利对象关联 关系、 业务规则库、 历史场景库、 方案 预 案库。 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 P21 灌区中遥感的应用： 作物种植结构（土地利 用图） 的提取、 水域面积 的提取及当地水源的估算、 灌排渠沟结构的提取、 大 尺度水平衡要素分析、 旱 情监测、 产量估算。 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 智能识别模型 - 遥感识别 P22 气候预测模块分为年专题气候预测、 季专题气候预测、 月季度气候预测共 三种数据分析情况。 卫星云图模块主要是展示不同时段 下红外、 可见光、 水汽云图 ， ， 主 要是用于宏观尺度分析预知未来天 气趋势。 雷达回波模块主要是展示不同时段 下雷达数据分析 ， 主要是用于精准 分析预知未来 1-3 小时天气情况。 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 智能识别模型 - 气象预报模型 气候预测 雷达回波 卫星云图 P23 预警信号 面雨量预报 降水分析 实况监测 城市预报 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 智能识别模型 - 气象预报模型 智能网格预报 P24 本模型从 2022 年 3 月开始在湖北漳河水库灌区进行推 广应用和优化 ，为漳河水库在遭遇 1961 年以来最严重干旱 后的持续干旱情况下的水资源优化调度提供了有力的决策支 撑，在确保灌区 70 万人生活用水、城镇工业用水及 260. 52 万亩农田灌溉用水的情况下 ，优化配置生态发电用水 ， 取得良好社会效益的同时 ，初步估算节约用水 4780 万立方 米 ，取得经济效益 253.3 万元。供水保证率：生活工业用水 100% ，灌溉用水 90% ，生态基流 100% 。 > > 模型成功应用在数字孪生漳河项目当中 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 来水预报模型 模拟效果 发挥效益 > > 模拟确定性系数 0.7 以 上 相 似 年 法 P25 发挥效益 本模型从 2022 年 5 月开始在湖北漳河水库灌区进行推广 应 用和优化 ，受益灌溉面积 260.52 万亩 ，受益人口 170 万 人。期间不断进行迭代升级 ，在一年多的使用过程中显著 改善了灌区水资源利用效率和应对极端天气事件的能力 ， 累计增加粮食 415.6 万公斤 ，节水 3780 万方 ，取得经济效 益 350 万元。供水保证率：生活工业用水 100% ，灌溉用水 90% ，生态基流 100% 。 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 需水预报模型 实时灌溉预报 模拟效果 P26 ■ 全过程：灌区供、 需、耗、 用水流全过程预测预报 ■ 供水预测： 上游水库、 汇水入渠、 区内产水、 尾部提水 等 ■ 需水预测： 生产、 生活、 生态用水 ，重点预测作物需耗 水 需耗水监测与预测技术 水源蓄水遥感监测技术 灌区农田灌溉进度立体监测方法 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 多水源供需平衡模型 P27 > > 一个渠系的需水模型 （ 1 ） 直连斗农毛渠归并计算 （ 2 ） 支（分） 渠道配水 （ 3 ）递推上级渠道的配 水 > > 年度优化模式页面 > > 月度优化模式页面 模型效益 本模型从 2022 年 5 月开始在湖北漳 河 水库灌区进行推广应用和优化， 为 漳河水库在遭遇 1961 年以来最严重 干旱后的持续干旱情况下的水资源优 化调度提供了有力的决策支撑 ，在 确保灌区 70 万人生活用水、城镇工 业用水及 260.52 万亩农田灌溉用水 的情况下 ，优化配置生态发电用水 ， 取得良好社会生态效益的同时 ，节约 用水 4780 万立方米 ，取得经济效益 253.3 万元。 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 动态配水模型 P28 模型效益 本模型从 2022 年 3 月开始在湖北漳河 水 库灌区进行推广应用和优化 ，受益灌 溉面积 260.52 万亩 ，受益人口 170 万 人。期间不断进行迭代升级 ，在一年 多的使用过程中显著改善了灌区水资源 利用效率和应对极端天气事件的能力 ， 取得良好的社会和生态效益的同时 ， 累计增加粮食 415.6 万公斤 ，节水 3780 万方 ，取得经济效益 750 万元。 > > 水资源优化配置模型 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 考虑年末余留期效益水资源优化配置模型 常规年度 / 月度水资源优化配置模型 水资源优化配置模型 P29 评价指标选取 水资源配置评价指标体系建立的思路是在根据评价目标与评价 准则全面的选取初始评价指标集合 ，然后在初始指标集的基础上 ， 通过对初始指标的内涵及其反映的配置特征分析 ，依据评价指标 的科学性、系统性、代表性、数据可测性等选取准则 ，对初始指 标进行筛选。 评价体系构建 在构建评价指标体系时， 以水资源配置方案评价为目标， 以水资源配置方案的计划完成情况、供水保障程度、输水稳定 程度、供水效率指数以及供水能力指数为评价准则 ，基于评 价指标体系构建原则合理选取评价指标 ，构建目标层、准则 层和指标层三层结构的水资源配置方案评价指标体系。 含义 选取指标要以科学分析为基础 ，指标需要受到水文学者的广泛认同 ，具 有明确内涵和科学依据。 水资源系统是一个复杂庞大的系统 ，需要从整体系统的角度出 发 ，选 取能够反映水资源安全内部组织结构和因果联系的指标。 所选指标能够代表水资源安全某一方面或者多方面的特性 ，其变化与水 资源安全密切相关 ，或是影响制约或是推动促进水资源安全的稳定发展。 所选的指标应当能从可靠途径发布的统计数据中直接获取或由该数据合 理计算得出 ，并具有一定的时间长度 ，以满足样本容量的要求。 构建原则 科学性原则 系统性原则 代表性原则 数据可测性原则 2 、数字孪生平台 - 模型平 台 水资源调度评估模型 P30 3 、数字孪生平台 - 知识 库 建立知识图谱 P31 (