水利数字孪生平台总体架构方案.pptx
<p>水利数字孪生平台总体架构方案,智慧水利平台实现“全局一盘棋”的智慧水利综合管理，通过“一图、一库、一平台”结合水利大数据、数字孪生与人工智能，为水利工作提供有力的管理抓手，对水利行业各项业务均衡发展进行科学、先发、智能的管控与决策。,数字孪生平台,数字孪生平台主要包括数据底板、模型库、知识库、孪生引擎等构成，支撑防洪四预、城市防洪、水资源调度、河道监管、视频监控、河长管理等业务智能应用运行，持续推进模型耦合、校准调优，为智慧水利建设好大脑。,数字孪生平台-数据底板,理 数 据,地理空,跨行业,数字 孪生 平台,L3级,L2级,L1级,据,据,多,多,地理空间数据,数据,【】：GIS数据【】：优选：具备时效性的GIS数据 备选：开源GIS数据+部分实拍调优【】：斜扫、GIS数据、彩平图、建筑模型【】：优选：具备时效性的GIS数据+建筑模型(BIM、3Dmax等)备选：开源GIS数据+街景图+实拍调优+库内模型替换【】：设备模型及落位布置图、建筑模型【】：优选：设备三维模型+建筑三维模型(BIM、3Dmax等)备选：外景实拍+室内扫描建模,特定水系沿岸近景俯瞰,重点建筑/水利设备细节展示,全域水系分布总览,数字孪生平台-数据底板,定标准：建立汇聚、服务、共享标准，统一标准规范。整数据：对数据汇聚、清洗整合，解决数据质量、融合问 题。保质量：建立可靠的数据提升数据。管资源：创建资源账本，记录数据资源数量，数据来源，标准情况等。通服务：数据治理的目的是共享和应用，通过建设共享服 务，提供给水利局及相关部门使用。,数字高程数据：水河流域 实景模型及正射影像：水河流域 BIM模型：水利工程 基础数据：各类水利对象特征属性 监测数据：监测感知手段获取的状态属性 业务管理数据：水利业务中产生的有关数据 外部共享数据：上级水利部门、地方政府等 机构共享数据,数字孪生平台-数据底板,根据管理需求及不同类型空间数据模型特性，实现主河道及影响区域、水文水环境、生产建设活动的仿真,数字高程模型 卫星遥感影像 无人机倾斜摄影测量 BIM模型,主要包括 定标准、整数据、保质量、管资源、通服务等五大部份分。；,STEP2:资源目录建设,STEP3：多维分级适配空间底板建设,资源建设,空间底板建设,模型平台为智慧水利提供 算法，包括水利专业模型、可视化模型、智能模型和数字模拟仿真引擎。对水利治理管理活动进行智能化模拟，提供模拟仿真功能，支撑精准化决策，主要构建水利专业模型、智能模型、可 视化模型和数字模拟仿真引擎，实现数字孪生与物理实体实时同步仿真运行。,数字孪生平台-模型平台,水利知 历史场 业务识图谱 景模式 规则水利知识引擎,基础数据 监测数据 业务管理数据 跨行业共享数据 地理空间数据,多维多时空尺度数据模型,数字模拟仿真引擎,水利专业模型,知识 平台,可视化 模型,数据 底板,数字,专家 经验,智能模型,模型,平台,城区洪涝(结合排水)分析 水生态调度管理,水库安全预警及模拟 洪水、溃坝及城区淹没分析,模型(算法中心)展示,国外软件使用的基本情况如下：MIKE(郑州、深圳城规院、深圳发展研究中心)、ICM(武汉、无锡、扬州)、TUFLOW(长沙)、SWMM(各地的海绵城市设计)，欧洲 的伦敦、柏林、汉堡、布鲁塞尔、马德里等城市根据自身的需求采用ICM、MIKE等软件 开展城市洪涝模拟。北京城市洪涝模型采用了中国水科院-Mike ICM SWMM 在的过度概化导致的与实际排水运动过程不符、局部计算结果失真的问题。,模型原理和依托软件,IFMS/Urban(IWHR-Integrated Flood ModelingSystem)填补了国内洪水分析软件的市场空白，总体上处于国内领先、国际先进水平，能满足国内几乎所有洪涝模 拟与分析的业务需求。已在北京市中心城区、成都市中心 城区、深圳河湾片区、内蒙古呼和浩特市、辽宁省大辽河 左岸、山东省泗河南片保护区等20多个洪水风险分析评估 或实时洪水系统研发项目中得到应用。,IWHR/FFRS洪水预报调度软件，集成30余个产汇流模型，并耦合调度模型、一维及二维水动力模型和实时校正模型，实现流域多维、多尺度、全过程洪水模拟与预报，并具有 流域实时滚动自动预报功能。可对梯级水库、河流断面等 进行洪水预报，水位预报，可接入预见期降雨进行洪水预 报；支持模块的排列组合与模型的灵活搭建,相关模型-TFMS/urban,相关模型-精细化多维耦合洪涝计算模型 研发模型：精细化多维耦合洪涝计算模型,地表、管网、河道耦合,城市洪涝淹没过程模拟：采用自主研发的水动力学模拟软件对主要河道和城市洪涝淹没过程进行模拟，获取各河流洪水流量过程和城区内涝淹没过程及淹没水深。,相关模型-城市洪涝数值模型,高度建 成区,城市洪涝数值模型,三维可视化水动力计算软件FHMS,耦合,相关模型-水质模型基于流域洪涝模拟模型，构建污染负荷计算以及管网、箱涵、河流、湖库等水质模型，实现流域水质水量模拟与预测。,SWMM模型研究和应用工作：按照防洪的要求，通过模拟设计排水系统中的单元尺寸；对于已有的排水系统，可以通过模拟确定滞留设施的大小(如蓄水池、污水或雨水处理设施等)，以满足防洪和保护水体水质的目的；模拟自然沟渠系统的洪水淹没过程；设计使得合流制管道系统溢流量最小的控制策略方案；评估城市排水系统溢流对地下水的影响；计算城市非点源污染负荷的大小；评估非点源控制策略(如：BMPs)对减少暴雨径流污染的效果。,相关模型-SWMM模型算法SWMM模型是美国环境保护署为解决日益严重的城市排水问题所推出的暴雨径流管理模型，此模型可以对城市排水管网系统进行长期或者短期的模拟分析，目前在世界各国被广泛用于城市排水管网系统的模拟分析。,SWMM 对雨水管道、污水管道、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟，考虑了地面径流、污水入流、排 水管网输送、贮水处理等因素的影响，如下图所示。,SWMM模型特征:水文模型特征 水力模型特征 水质模型特征,SWMM模拟示意图,主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在防汛洪水预报、水资源水量水质管理、水利工程规划设计论证均可得到广泛应用。,相关模型-MIKE11,、降雨径流模块(RR),MIKE21是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包，适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。MIKE21采用标准的二维模拟技术为设计者提供独特灵活的仿真模拟环境。主要用于河口、河流、海洋、水库等地表 波浪、等二维水利专业工程软件。,相关模型-MIKE21,相关模型-MikEURBANURBAN是模拟城市排水，污水系统的水文水力学和水质等集成工程软件,它集成了城市下水系统中的表面流,明渠流,管流,水质,和泥沙传输等模型。URBAN的典型应用包括合流下水道溢出研究(CSO)，生活污水管溢出(SSO)，复杂RTC计算和分析，分析和诊断现有雨水和生活污水管系统问题。,下水道系统的退水时间？超负荷载的主要原因？是否需要替换有问题的下水道,安装 新的水槽和堰等？运行规则的改变对环境将产生怎样的 长期影响？沉淀物会滞留在下水道中的什么位置,为什么会滞留？暴雨之后,在溢流堰和污水处理厂的 污染物状况？,相关模型-管道胶囊监测管道检测胶囊随管道内水(流)体的流动在管道内运动，利用高清摄像技术实现管道顶部和两壁图像采集，同时通过影像序列辅助惯导定位技术实现管道内精确定位，利用图像分析技术实现管道破损和病害分析。,纯视觉运动递推2、裂缝破损识别方案裂缝破损影像几何特征提取算法主要步骤包括：影像灰度校正，裂缝破损检测，几何参数提取。裂缝破损检测使用多尺度策略裂缝破损检测模型，该模型将影像 分成三个级别分别为像素级影像、单元级影像和块级影像，并通过两次计算过程 对影像进行分割。计算可能包含裂缝的像素范围。,1、管道定位方案采用低成本视觉摄像头与低成本MEMS惯导(ARHS航姿参考仪)进行组合定位，可以充分利用视觉与惯导之间的互补性。,俯视图 正俯视图,三维效果图,数字孪生平台-模型平台,实现将水利专业模型计算和 业务应用系统开发相融合 模型系统采用模块化设计 实现水利专业模型的整合计 算和标准化服务封装 并采用Web Service组件、API、SDK等方式实现与业 务应用系统的交互使用。,STEP3：模型内容,STEP4:模型率定,STEP5：模型调用,通过调用基础数据库和监测数据库等方式获取设计与开发；,实现专业模型和业务应用系统耦合,模型率定,模型调用,模范围为流域范围;,知识图谱：法律法规、技术标准、专业术语等 历史场景模式：历史大洪水、历史台风等 业务规则：流域洪水防御方案、防洪调度方案、水量调度方案等 专家经验：防洪专家经验、水利工程安全生产专家经验等 智能引擎：管理和驱动水利知识及智能算法，包括知识表示、机器推理和机器学习等。,数字孪生平台-知识平台,智 能 引 擎,多维多时空尺度数据模型基础数据 监测数据 业务管理数据 跨行业共享数据,水 利 知,水利模型 专业模型,数字 孪生 平台,识,数字模拟仿真引擎,可视化 模型,数据 底板,地理空间数据,智能模型,平台,知识平台包括水利知识和水利智能引擎。水利知识包括知识图谱、历史场景模式、业务规则、专家经验等，智能引擎主要是管理和驱动水利知识，包括知识表示、机器推理和机器学习等功能。,数字孪生平台-知识平台,已经解决的问题、典型案例、先鉴经验能被其他人 快速搜到、借鉴。新来的人能迅速获得必备信息、先鉴资料、专业知识和业务难题能相互交流、探讨【跨时间、跨地域、跨项目/部门】【避免重复研究、重复投入】【避免集体智慧丧失】,-助力业务发展与创新,1.数据/知识收集专家经验、实施/操作经验、领域知识、标准/规范、经典案例、灵光一闪的文字或问题、图片/文本/音频/视频【显性知识、隐性知识】【集体智慧、个人智慧】,4业务提效创新关键指标预测、最短路径洞察、公共目标分析、核心因素分析【知识与数据深度挖掘、应用】,数据知识化，构建领域知识体系、业务知识体系等。建立人、业务、知识映射【兼顾效率与准确】,3.知识复用/共享,2.知识沉淀,数字孪生平台知识平台平台提供一条面向业务人员的、完整的知识获取-构建-管理-运维工具链，知识沉淀更加高效、规范。,结构化知识采集/导入/清洗 非结构化知识采集/导入 数据标注/抽取 自动打标签 经验/规则等录入,知识图谱构建流程及所需工具支撑,.外圈：业务专家的知识构建流程.内部：支撑业务专家的知识构建工具,搜索/推荐/问答 业务指引/文档自动化 统计分析/预测分析,知识审核 知识监测与分析,本体构建 实体构建 关系构建,知识覆盖 知识追加 知识消歧,增删改查,建设具有水利知识表示、水利知识抽取、水利知识融合、水利 知识推理、水利知识存储功能的水利知识引擎。构建水利领域基础本体和业务本体，实现陈述性和过程性知 识表示；构建实体关系一属性三元组知识，完成水利知识抽取过程；构建实体连接、属性映射、关系映射等融合能力，实现不同知识的融合 构建水利推理性知识 实现超大规模数据存储，对接上层业务应用。,建设知识图谱。完成水利知识表示、抽取、融合、推理 以及知识存储等建设。建设业务规则库 完成规则抽取、规则表示、规则管理 等建设。建设历史场景模式库。包括调度执行方案数字化和暴雨 洪水特征挖掘等。建设专家经验库 包括重点流域历史场景预报调度经验 挖掘、过程再现、经验验证、经验修正等。,数字孪生平台知识平台,STEP2:水利知识引擎,STEP1：水利知识库,数字孪生业务赋能-总体规划,引数字孪生业务赋能-防洪 四预,四预业务平台,搭建防洪,预演,预案,预报,预警,数字孪生业务赋能-水资源调度,水资源分布一览 水资源调度模式 上下游设备管理 水质源头管理 水系流向交叉,水资源调度,数字孪生业务赋能-其它应用,GIS系统是集空间地理信息点、线、面数据采集、存储、处理及展示应用于一体的开发管理服务平台，支持基 于web的地图搭建及开发应用，支持 基于SaaS的快速无安装应用，并与 大数据及数字孪生技术进行深度融合，提供开放式的基础GIS开发及GIS应 用开发能力。,无缝集成现有的电子地图数据、GPS数据、遥感RS 数据等，并可对矢量CAD 文件进行GIS转换，提供 丰富的GIS工具组件，实 现基于地理空间信息的矢 量化图形图像配置及要素 展示，提供空间地理数据 分析、精准定位及路线规 划、位置位移计算、三维 地图展示、图层要素标注、时空信息渲染等功能。,GIS平台开发-平台架构,撑,其它GIS开发及应用,染,素,空,注/,素,层,渲,要,时,标,要,图,算,移计,置位,划/位,及规,定位,空间数据分析/三维地图展示,水位/积水标注、渲染、展示,易涝点/污染点定位查询,流量流向标注、渲染、展示,距离测量、路线规划,雨水情数据渲染、展示,水利工程信息GIS展示,街道及建筑GIS展示,管网GIS分析,精准,提升水库水雨情测报和大坝安全监测能力。实现水雨情、大坝安全监测等信息汇集应用增强水库日常运行管理水平。,提升监测能力：实现数据共享：与共享。增强管理水平：,大坝安全监测内容 表面变形 渗流压力 渗流量,雨水情和大坝安全监测,降水量 水库水位 视频图像,位移、渗压、渗流监测,雨水情测报内容,主要功能,实时监控,水库灌区智能化改造,水电站生态流量监测-图像&水平声学多普勒流速剖面仪测流,水平声学多普勒流速剖面仪测流,平台应用,图像测流,可视化,A识别,遥感分析服务，频次为：每月1次加强水域岸线变化、“四乱”问题动态遥感监测，强化遥感动态解译、视频智能分析及舆情自动处理等应用，实现“四乱”问题预判预警，推进遥感本底数据库的试用，加强对水体、生态、岸线变化以及采砂活动中各种违法违规行为的发现和预警，全面支撑“四查”监管。,主要功能口水域岸线变化管理口 四乱问题治理口视频智能分析口河湖划界管理,遥感分析服务,口旱情监测分析口其它应用,水域岸线变化管理,“四乱”问题治理,视频智能分析,河湖划界管理,技术内容及应用价值：基于卫星遥感和无人探测平 台，对湖泊与水库水面分布、水下地形进行监测与 模拟，对库容曲线进行修正，对河流流量进行监测，形成对传统基于有人船只测量和固定水文观测站的 技术替代和能力补充。,针对传统基于有人船只的水下地形测量方法无法获取浅水区域水下地形以及无资料区水下地形数据缺失的问题，以水上数字高程为输入数据源，基于水上水下地形相似特性，模拟推演获取湖泊、水库水下三维地形数据。,两大方法：1.基于水上水下地形相似特性湖泊、水库水下 三维地形模拟技术2.水下地形无人船智能探测技术,水下地形测量技术,基于水上地形的水下三维地形推演 水下三维地形模拟结果示-,基于立体像对的数字高程数据获取,口 1.DEM数据预处理对包含研究区的SRTM DEM数据进行统计分析获取水体像元和非水像元；口 2.提取地形相似性特征计算得到毗邻方向矩阵和周围坡度矩阵；口 3.湖库水下地形模拟模型通过嵌套的内外两层循环。外循环主要用于确定当前湖库边界；内循环则是在确定的当前湖库边界中计算模拟高程数值；,根据得到的模拟地形输出面积库容方程。应用场景,虚拟水文站技术,湖库水下模拟流程图,口 4.湖泊水储量估算,偏远山区洪水水位监测,河流洪水水位监测,水库库容量计算,河湖水生态监测,水土保持监测,水库水位监测,</p>
