濱州市數(shù)字水利體系構建與實踐應用

摘要：以水利部智慧水利頂層設計和山東省數(shù)字水利總體方案為指引，明確了濱州市“1+2+N”數(shù)字水利發(fā)展總體框架。結合工作實踐，重點分析了大數(shù)據(jù)服務平臺和數(shù)字孿生平臺建設思路方法。通過資源整合搭建大數(shù)據(jù)服務平臺，建立了一體化水利感知網(wǎng)絡，形成了信息匯集融合服務的數(shù)據(jù)中臺，挖掘數(shù)據(jù)價值繪制了多業(yè)務專題圖集。圍繞水利部相關技術導則“四預”要求搭建數(shù)字孿生平臺，通過水利專業(yè)模型、可視化模型和知識平臺建設，初步具備了智慧模擬仿真能力。聚焦數(shù)字化場景建設，重點分析了城市防汛“四預”、數(shù)字河湖智能巡查、工程數(shù)字監(jiān)管等應用探索及成效，以期為各地水利數(shù)字化發(fā)展提供參考借鑒。

關鍵詞：數(shù)字水利；數(shù)字孿生；資源整合；模型；“四預”；智慧應用

水利部大力推進以數(shù)字孿生為核心的智慧水利建設，出臺了一系列規(guī)劃標準文件，完成了頂層設計，將水利業(yè)務與信息技術深度融合，驅(qū)動實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。同時，社會經(jīng)濟邁入新的發(fā)展階段，單憑傳統(tǒng)手段已經(jīng)無法滿足水利行業(yè)強監(jiān)管的要求。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術飛速發(fā)展，為水利管理降本增效、提檔升級提供了新的路徑和手段。濱州市遵循智慧水利頂層設計，在全面調(diào)研發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，學習借鑒先行先試地區(qū)成果經(jīng)驗，推動構建具有本地特色的數(shù)字化管理體系，根據(jù)業(yè)務需求，針對性開展了多個數(shù)字孿生智慧應用建設，并取得了一定成效，舉辦了全省數(shù)字水利現(xiàn)場會并做了典型發(fā)言和培訓展示，在資源整合、防洪“四預”、數(shù)字河湖等方面提供了實踐示范和模式借鑒。

1數(shù)字水利總體框架

按照“需求牽引、強化整合、共建共用”原則，建設數(shù)字化場景，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構建形成1個規(guī)劃、2個平臺、N個智慧應用的“1+2+N”現(xiàn)代數(shù)字水利體系，初步具備預報、預警、預演、預案“四預”功能，提升決策科學化和管理精細化水平。

主要建設目標包括：組織編制1個全市數(shù)字水利建設規(guī)劃，為今后一段時期數(shù)字孿生流域（工程、水網(wǎng)）建設提供指引。建設大數(shù)據(jù)服務平臺和數(shù)字孿生平臺2個平臺，提供數(shù)據(jù)支撐和孿生能力。圍繞業(yè)務需求，建設重點水利工程數(shù)字監(jiān)管系統(tǒng)、數(shù)字河湖智能巡查分析系統(tǒng)、城市防汛監(jiān)管系統(tǒng)等N個智能應用，提升行業(yè)智慧化管理水平。

2大數(shù)據(jù)服務平臺建設

經(jīng)過多年信息化建設，全市各區(qū)縣已建成監(jiān)測設施共2 000多處，已建成GIS地圖、綜合業(yè)務管理、基層防汛預警等各類業(yè)務系統(tǒng)平臺總計21個，水利信息化發(fā)展擁有了一定基礎。但由于各單位管理需求不同、項目多、階段化建設等因素，信息化建設集約化程度不高，數(shù)據(jù)監(jiān)測體系技術路線不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)標準不一致，監(jiān)測感知數(shù)據(jù)難以交換共享。為此，濱州市通過資源整合和共享互用，打破條塊分割和數(shù)據(jù)孤島，打造統(tǒng)一的水利信息管理服務平臺。

2.1信息基礎設施

2.1.1基礎水利感知網(wǎng)

充分整合利用多年信息化建設基礎設施資源，構建起包含600多處監(jiān)測點位的覆蓋全市的監(jiān)測網(wǎng)絡，形成了對水位、水質(zhì)、雨量、地下水、墑情等進行動態(tài)感知的較為齊全的信息采集體系。接入各縣市區(qū)多品牌視頻終端，共享大數(shù)據(jù)視頻資源，形成2 500多路視頻監(jiān)測網(wǎng)絡，為水治理提供視覺智能服務。

2.1.2城區(qū)數(shù)字孿生基礎設施

根據(jù)主城區(qū)數(shù)字孿生建設需求，強化傳統(tǒng)水利設施自動在線監(jiān)測，對42處排水閘門進行智能化改造，實現(xiàn)閘門啟閉、開度等工情信息自動化采集。布設100余處汛情監(jiān)控終端，自動實時獲取雨量、河道水情、道路積水等監(jiān)測數(shù)據(jù)。加強新型監(jiān)測手段應用，在河道沿線建設5座無人機自動起降機場，規(guī)劃35條線路，實現(xiàn)無人機自主起降巡航，自動采集巡河數(shù)據(jù)，并遠程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

2.2數(shù)據(jù)底板

運用山東省水利“一張圖”成果，在此基礎上進行細化擴展，匯聚濱州市地理空間數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)以及外部共享數(shù)據(jù)。利用地形數(shù)據(jù)資料、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)、水工建筑物、水文氣象資料、災害數(shù)據(jù)、三防預案資料、水利工程預案資料、河道設計資料、社會經(jīng)濟資料、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)等資料，建設L2級和L3級數(shù)據(jù)底板。

2.2.1數(shù)據(jù)匯聚

搭建數(shù)據(jù)管理平臺，依托全市水利感知網(wǎng)絡，打通17個市、縣已建信息系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集流通。共享自規(guī)局地理遙感測繪成果、氣象局降雨預報信息、生態(tài)環(huán)境局河湖水質(zhì)信息、大數(shù)據(jù)局視頻和能力平臺信息等各部門涉水數(shù)據(jù)資源，不斷完善數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)范圍，建設水利數(shù)據(jù)資源池。

圍繞主城區(qū)數(shù)字孿生建設，深入開展排水資產(chǎn)普查，形成城區(qū)1 781 km管網(wǎng)臺賬。利用無人機、無人船航測建立5 m網(wǎng)格厘米級數(shù)字高程模型，結合傾斜攝影、BIM建模等技術手段，構建市城區(qū)170 km2 L2級和重點河道L3級地理空間模型。疊加城區(qū)監(jiān)測感知網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)，形成了孿生數(shù)據(jù)底板。

2.2.2數(shù)據(jù)治理

對匯集的數(shù)據(jù)資源進行清洗融合，提升數(shù)據(jù)規(guī)范性和一致性。按照國家標準搭建全市水利數(shù)據(jù)資源目錄，分門別類形成元數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫4大類數(shù)據(jù)庫。已錄入各類數(shù)據(jù)220萬條，日均增加2萬多條，非結構化數(shù)據(jù)616個，為新建業(yè)務系統(tǒng)的應用提供支撐。

2.2.3數(shù)據(jù)挖掘

挖掘數(shù)據(jù)資源間存在的關系，激活發(fā)揮數(shù)據(jù)價值。以滿足快速決策指揮為原則，完成了全市水旱災害防御、城市防汛等多個專題圖建設。在GIS圖上集成實時水雨情、工情、墑情、視頻監(jiān)控等關聯(lián)信息，通過地圖、圖表等方式展現(xiàn)診斷、趨勢等分析成果，實現(xiàn)綜合信息一屏統(tǒng)攬。

2.2.4數(shù)據(jù)服務

主要提供對外的數(shù)據(jù)查詢服務以及對應的數(shù)據(jù)目錄服務門戶，并根據(jù)應用數(shù)據(jù)產(chǎn)生對應的基礎數(shù)據(jù)展示以及動態(tài)數(shù)據(jù)結合起來的可視化展現(xiàn)。目前已建立數(shù)據(jù)服務接口74個［1］。

3數(shù)字孿生平臺建設

3.1模型平臺

充分利用城市地表淹沒模型、積水點推演模型、洪水演進模型、排水管網(wǎng)模型、地表水動力模型以及水文專業(yè)模型，以城市防汛預報預演、工程安全運行為主要目標，構建城市洪澇模型。

采用InfoWorks ICM、FASFLOOD等模型，構建包含75個排水口、6 300個子匯水區(qū)、6 356條管道的一維管網(wǎng)模型，以及40萬個網(wǎng)格化計算單元的二維水動力模型，通過降雨產(chǎn)匯流、洪水演進、管網(wǎng)排水計算，耦合建立濱州市城區(qū)洪澇模型。

3.2智能識別及可視化模型

利用AI人工智能模型，對視頻圖像中的漂浮物、排污口排污、黑臭水體、河湖四亂等隱患進行自動識別告警。

基于傾斜攝影、BIM建模等技術，搭建城區(qū)、河道、管網(wǎng)、流場動態(tài)、水利工程等可視化模型，在水利專業(yè)模型計算的驅(qū)動下進行可視化建模，實現(xiàn)數(shù)字孿生場景下的仿真模擬。

3.3知識平臺

整理匯聚水利相關規(guī)劃、方案、文件等300余項，建成了具備查詢搜索、上傳下載的水利知識平臺。同時開發(fā)分析功能，對數(shù)據(jù)變化規(guī)律、走勢進行綜合分析，充分挖掘水利數(shù)據(jù)價值，為精細化管理提供對策建議［2］。

4典型智慧應用建設

4.1城市防汛

定量超前預報。依據(jù)省氣象局5 km×5 km小網(wǎng)格未來10天逐3 h精準降雨預報信息，結合專業(yè)模型算法與專家經(jīng)驗，在線擬合未來降雨曲線，對各類水安全要素進行預測預報。

快速直達預警。利用預報數(shù)據(jù)成果，對城市易澇點、積水點進行數(shù)據(jù)分析，并基于防洪預演結果生成風險預警信息，指導水利一線工作。

模擬前瞻預演。以模型為驅(qū)動，實現(xiàn)物理水網(wǎng)與數(shù)字水網(wǎng)間動態(tài)實時信息交互和深度融合，對洪澇演進過程進行智慧化模擬，及時發(fā)現(xiàn)問題，迭代優(yōu)化方案。

細化實化預案。依據(jù)預演結果，自動生成汛情預案，提供智慧化決策支持，提高城市防汛、河道防洪等綜合調(diào)度管理水平。

4.2河湖巡查

建成無人機智慧巡航系統(tǒng)，5座無人機自主起降巡檢。基于AI人工智能識別，實現(xiàn)“無人機自主巡河—數(shù)據(jù)自動采集—平臺智能分析—隱患預警推送”的全流程智能化應用。依托數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)無人機巡查過程中“物理流域”與“虛擬仿真”的全要素數(shù)字化映射，做到數(shù)字護河。河管員根據(jù)無人機隱患預警信息，進行現(xiàn)場核查處置及反饋，構建起“天上巡+地下查”的立體監(jiān)管體系。

4.3工程監(jiān)管

以秦臺水庫為示范建立了數(shù)字孿生工程監(jiān)管系統(tǒng)，全面覆蓋水工程管理的“工程信息”“工程檢查”“安全監(jiān)測”“維修養(yǎng)護”“調(diào)度運行”“應急管理”6大模塊，建立閉環(huán)管理的標準化流程臺賬。采取共建共用模式，由各縣市區(qū)參照標桿，在水利工程數(shù)字監(jiān)管系統(tǒng)開展數(shù)字孿生河湖工程建設，實現(xiàn)全市統(tǒng)一監(jiān)管。

5組織保障體系

5.1組織實施

將數(shù)字水利納入全市“1+8+1”重點工作任務，市委督查室牽頭調(diào)度督查。市城鄉(xiāng)水務局將數(shù)字水利建設列為5大攻堅之一，局黨組定期聽取匯報、研究部署。市縣兩級水務部門均成立數(shù)字水利工作專班，并抽調(diào)骨干力量集中辦公，確保工作有序開展。

5.2規(guī)劃統(tǒng)領

結合濱州實際，組織編制《濱州市數(shù)字水利建設規(guī)劃》，明確2025、2030、2035年目標任務，各縣市區(qū)同步編制實施方案，擘畫數(shù)字水利建設藍圖。

5.3資金保障

將數(shù)字水利與防汛平臺建設、河湖長制、重點水利工程建設、灌區(qū)現(xiàn)代化改造等相結合，有效解決建設資金不足問題，截至目前，全市數(shù)字水利建設已累計投入1.1億元。

6結語

濱州市在數(shù)字水利方面的有益探索和應用實踐，有效提升了行業(yè)精細化管理和綜合智慧化決策水平，推動了水治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設。整體規(guī)劃編制為今后數(shù)字化發(fā)展提供了遵循指南，大數(shù)據(jù)服務平臺實現(xiàn)了基礎設施和數(shù)據(jù)資源整合共享，數(shù)字孿生平臺推進了從支撐保障到驅(qū)動引領的深刻轉(zhuǎn)變。多項數(shù)字孿生智慧應用發(fā)揮了顯著作用，尤其是城市洪澇模型，在對模型算法和功能不斷調(diào)整優(yōu)化后，模擬3 h降雨計算僅需10 min，準確率達到80%以上?？筛鶕?jù)降雨預報，在虛擬世界對洪澇過程進行前瞻性預演，為防洪度汛“把脈問診”。綜合研判智能生成預警信息和調(diào)度預案，對不同場景提出針對性措施，實現(xiàn)了“預報、預警、預演、預案”的完整應用，極大增強了防洪科學決策和應對能力，在近期多次迎戰(zhàn)強降雨實戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。下一步，需繼續(xù)擴大業(yè)務場景應用，加快數(shù)字孿生流域（工程、水網(wǎng)）建設，完善系統(tǒng)運行維護體系，不斷提高水利工作智慧化、科學化水平。

參考文獻：

［1］中華人民共和國水利部．數(shù)字孿生流域建設技術大綱（試行）［R］．北京：中華人民共和國水利部，2022：123.

［2］李國英．建設數(shù)字孿生流域推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展［N］．學習時報，20220629（1）．