数字孪生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现.pdf
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1、第4期2023年8 月DOI:10.19364/j.1674-9405.2023.04.001数字李生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现水利信息化Water Resources InformatizationNO.4Aug.2023黄志兴,冯大蔚,马媛,戴逸聪,胡雪娇(水利部太湖流域管理局水文局(信息中心),上海2 0 0 43 4)摘要:针对太浦河防洪及供水保障数字李生系统建设要求,基于UE引擎、GIS、无人机航拍数据、监测信息及共享信息等多源异构数据构建平原感潮地区数据底板;通过太浦河模型平台和可视化引擎,形成以事件为驱动的太浦河防洪及供水预报、预警、预演、预案的“四预”李生系统,
2、并建立太浦河历史水情、雨情、工情、水质等信息与调度预案方案间的映射关系,关联提示方案预案并实现智能推荐应急处置。场景化构建太浦河防洪及供水“四预”全过程,服务太浦河综合调度需要,可为平原感潮地区数字李生“四预”业务应用建设提供案例参考。关键词:数字李生;防洪;供水;“四预”业务应用;事件驱动;综合调度;平原感潮地区中图分类号:TP391.98;P3 3 80引言近年来,随着新兴技术的快速发展,数字李生与流域科学研究和治理管理相结合推动了数字李生流域的发展-3 ,数字李生流域成为智慧水利建设的基础和核心,为物理流域全要素和水利治理管理活动全过程的数字化映射、智能化模拟提供了技术手段4-5,是实现
3、智慧流域管理与治理的最佳技术路径6-9 。太湖流域河网密布,地势低平,水流往复不定,独特的平原河网为流域经济社会发展提供了良好的水利条件,也决定了流域防洪、水资源、水环境等问题的复杂性。流域性是江河湖泊最根本、最鲜明的特性,治水管水必须以流域为单元,实施统一规划、治理、调度、管理0 太浦河横贯长三角一体化生态绿色示范区,上承太湖,下通黄浦江,中连汾湖,全长为57.6 km。太浦河是太湖和两岸地区的骨干行洪排涝通道,受复杂河网流态及下游潮位顶托的影响,涉及江苏、浙江、上海两省一市不同利益诉求,防洪调度问题非常复杂;同时,太浦河是流域和示范区水资源配置的骨干河道,为浙江省平湖市和嘉善县及上海市西南
4、五区超过800万人供水。此外,太浦河还是长湖申线航道的组成部分,水运繁忙。因而需要统筹考虑供水与排水、水质与水量、防洪与省市不同利益诉求等12 ,为此,太收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 0作者简介:黄志兴(19 8 2 一),男,江苏靖江人,高级工程师,研究方向为水利信息化。E-mail:h u a n g z h i x i n g t b a.g o v.c n文献标识码:A文章编号:16 7 4-9 40 5(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 6湖流域管理局(以下简称太湖局)选择太浦河开展数字李生先行先试建设13-1,通过数字李生太浦河先行先试,在太浦河实现防洪、供水业务
5、“四预”场景化应用,更好地服务太浦河综合调度需要。1数字李生太浦河业务需求及总体方案1.1业业务需求数字李生太浦河先行先试,为科学统筹太湖洪水蓄泄、区域防洪排涝和太浦河供水保障提供支撑。具体业务需求如下:1)防洪“四预”场景需求。基于太浦河数据底板和太湖流域河网数学模型等,建设汛情形势总览及洪水预报、预警、预演、预案等模块,根据区域降雨、工程调度变化,滚动预报太浦河洪水水位、流量等信息,按照设定的阈值自动开展水位、风险预警;结合防洪薄弱环节调查和洪水风险图建设成果,对不同调度方案下的太浦河洪水演变过程及影响进行预演,并通过可视化平台进行展示;通过专家经验库等自动推荐优化调度方案,辅助防洪“四预
6、”决策。2)供水“四预”场景需求。基于太浦河雨水情、工情、水质等预报和监测信息,结合太浦河数据底板及数字流场信息,综合展示太浦河干支流主要断面水量水质时空变化、水葫芦联防联控等情况;根据金泽水库太浦河取水口锑浓度、氨氮预报结果,系统动态2展示相关水质指标变化情况;在发生水质异常事件时,针对污染源位置,可在太浦河L2+L3级数据底板选中太浦河相关工程,通过调整工程调度规则改变水动力边界条件,或采用其他控制污染扩散的方法进行预演,可视化展示不同预案下污染物输移扩散演进情况。1.2总体方案按照水利部数字李生水利建设相关技术标准,遵循数字李生太湖总体框架,构建数字李生太浦河平台框架,提升太湖智慧中心智
7、能水平,开发太浦河防洪、供水2 个重点业务“四预”应用。数字李生太浦河总体框架如图1所示。数字李生太浦河总体框架分析如下:1)信息化基础设施。太浦河干支流上共有太湖局及两省一市建设的站点17 处,充分利用现有无人机搭载测流、视频监控等设备,实现对太浦河特定位置和河段水面水流、漂浮物等信息的移动监测;利用已有无人遥控船搭载测流、水质快速监测、水下测量等设备,实现对太浦河特定位置和河段水体的水量水质、水下地形快速监测,为数字李生太浦河建设提供实时感知数据支撑。2)数字李生平台。依托太湖局已建的监测体系,在已有地形地貌、河湖岸线、水下地形、水利及涉应用场景防洪应用降雨径流模型水利专业模型污染负荷模型
8、河网水量模型标准规范体系(技术标准、水质模型数字李生平台模拟仿真引擎模型管理场景配置数据引擎数据汇聚丶管理办法)数据底板信息化基础设施太湖云水利信息网水利感知网水利信息化水工程等测量成果基础上,构建太湖流域L1级数据底板,重点建设太浦河L2级数据底板和三维地理空间模型;完善太湖洪水预报和水量水质预测等水利模型、智能算法等,升级流域模型平台。构建水利知识库、引擎、应用,初步建成流域水利知识平台。3)业务应用。围绕太浦河防洪和供水保障两大业务,在太浦河数据底板、信息采集监控、信息共享及智慧中心搭建的基础上,以“四预”为全过程决策链,场景化打造具有太浦河特色的智能应用。2楼数字李生平台建设2.1数据
9、底板建设采用优于2 m的高精度遥感影像和3 0 m分辨率的DEM(数字高程模型)等数据,构建太湖流域L1级数据底板;利用DEM数据获取、正射影像制作、影像融合、三维场景重建方式17 ,获取分辨率优于8 cm的倾斜摄影数据,真实反映建筑物及周边范围的地形地貌、地表覆盖情况,构建太浦河L2级数据底板,结合断面间距为50 10 0 0 m,测点距离为12 0 m的河道断面测量数据,建设太浦河水下三维模型,并对太浦河水上水下三维模型进行融合衔接;采用无人机航拍,获取太浦闸、大舜枢纽、丁栅枢纽、南岸陶庄枢纽、北岸仓浦港闸、北窑港枢纽、元荡节制闸等优于3 cm分辨率的水利工程倾斜供水保障数字大屏图像识别自
10、然场景智能算法可视化模型视频识别机器学习数据治理地理空间数据数据资源基础数据存储资源水利专网政务网传统水利监测站网图1数字李生太浦河总体框架图2023(4)摄影数据,进行工程单体及周边场景精细化建模。水利利用多源数据融合技术,知识库工程要素知识平台流场动态仿真设计数据挖掘跨行业共享数据监测数据业务管理数据计算资源网络资源4G/5G工控网互联网新型水利监测站网实现DEM,DOM(数字正射影像),DLG(数字线划水利知识引擎水利知识应用数据服务地图),BIM等地理空间数据高效融合,形成精准安全保障体系映射、优化迭代的太浦河数字沙盘,支撑太浦河防洪、供水业务场景应用。2.2模型平台建设持续完善太湖水
11、量水质模型,利用图像AI智能识别技术,建设深度神经网络模型,开发蓝藻、水葫芦等图像识别算法模型。构建集水量、水质、淹涝、蓝藻等多个模型高度耦合的太湖流域模型群,第4期黄志兴等:数字李生太浦河防洪及供水“四预”业务应用设计与实现3实现多维度、多时空尺度的仿真模拟18 。预报要素实现了从传统的水位、流量到超警超保和洪水淹涝等区域的风险预测预警。模型平台以微服务方式提供统一调用服务,采用通用化开发封装技术及模型的标准化接口,供各级单位调用,实现跨级共享。平原区水动力模型共概化河道17 9 3 条,总长为15058.63km,河道断面为10 112 个,其中实测断面为8 7 8 1个,概化断面为13
12、3 1个,1km面积以上的湖泊为117 个,水利工程概化范围主要包括流域沿江沿杭州湾外边界、环太湖、流域主要控制线、城市大包围及重点圩区闸泵工程,共概化闸泵工程(含船闸)863座。河道均按实际河流走向概化入模型,河网拓扑关系更符合实际情况。在此基础上,根据太浦河两岸地区防洪排涝工程及相关区域骨干工程现状,太浦河周边区域城镇化建设、圩区整治等调查情况,结合2013年“菲特”、2 0 2 1年“烟花”等台风及典型历史洪水资料对模型参数进行率定,优化完善气象部门降雨预报网格与平原河网水动力模型中河网多边形的耦合。针对太浦河水源地锑浓度及2-MIB(2-甲基异茨醇)异常,收集相关资料确定太浦河锑浓度异
13、常的降雨量预警值并构建相关智能算法模型,为太浦河防洪及供水“四预”提供算法支撑。2.3知识平台建设构建水利知识库、引擎、应用三位一体的数字李生太浦河知识平台。基于事件驱动的调度知识图谱构建流程如图2 所示19 ,主要针对太浦河区域代表站和调度对象构建调度决策相关关系图谱,形成调度决策知识图谱库,包含调度决策概念分类、实体链接、对象关系建立、对象图存储和查询等功能。调度决策知识图谱建成后,能提供面向流域或对象的相关水质、水量、工程调度等信息的综合形势分析服务,提供相似调度方案的关系建立、图存储和图查询服务,为指挥调度与会商支持提供会商主题相关对象实时信息、历史信息、形势分析、相似调度方案和模拟方
14、案等的综合检索和展示。3楼数字李生太浦河“四预业务应用系统建设3.1应应用架构依据现有信息、软硬件等资源,采用分布式、微服务、前后端分离等架构模式,进行太浦河数据底板构建与融合、业务应用开发与集成。系统总体框架如图3所示。面向防洪和供水保障两大业务应用,实现不同来台风暴雨内涝气象预警洪水调度地质灾害供水咸潮停产/运/课图2 基于事件驱动的调度知识图谱构建流程图源及结构的数据汇集、整理、存储和服务,通过数据调用、处理、管理等方法,形成对数字李生太浦河智能应用建设的数据支撑。通过数据和业务中台,打通业务应用之间的关联,建成在线互联、数据共享、业务协同、决策支持的数字化平台。基于太浦河模型平台及可视
15、化分析工具,构建太浦河预警、预报、预演及预案数字李生业务场景,通过数据和业务中台充分调用已有建设成果,并实现新建业务功能在大屏端和PC端应用之间的模块化调用,抽取相关数据服务及功能,建立面向水灾害防御与供水安全保障的大屏展示专题服务。3.2关关键技术3.2.1以事件为驱动的系统设计基于数字李生平台,融合水利模型和智能算法,以事件为驱动进行系统设计,通过实时更新监测及预报预警信息,触发系统事件,事件驱动2 0 主要划分为防洪和供水保障2 种调度事件。针对不同事件,“四预”系统会呈现对应的功能和界面,为防洪及供水保障调度提供重要决策支持。2 种调度事件的触发逻辑分析如下:1)防洪调度事件触发逻辑。
16、系统自动监测代表站的实时水位信息,当太湖水位高于防洪控制水位时,触发洪水调度事件;当太湖水位超过设计洪水位时,提高洪水风险等级,实施超标准洪水应急方案。根据降雨网格预报数据、风暴潮等信息,通过太湖流域模型滚动计算,进一步分析太湖洪水下泄对太浦河堤防、两岸口门及重要圩区的影响,开展太浦河堤防、圩区风险预警,综合研判工程运行风险,触发洪水调度事件的生成。2)供水调度事件触发逻辑。系统基于太浦河及两岸重要区域及控制断面水质监测信息、太浦河倒流关闸、杭嘉湖地区强降雨、突发水污染事件等太浦河供水保障相关的预警指标,自动与供水预警指标体系站网实时数据业务数据库应急场景事件库公共领域资源百科/维基预案/方案
17、文档领域本体构建知识抽取知识融合知识图谱业务应用知识推理4水利信息化2023(4)HTML5HTTPHTTPS WebSocket网关Vue/ReactZuu2服务网关ThymeleafWebPackNode.jsJSON,RESTNginxElementUlAxios监控中心Spring Admin业务应用后端EurekaAdmin统一用户管理虚幻引擎数字李生无人机航拍模型修饰BIM引擎水利专业模型数据层业务数据设定值进行比对,当实时监测或预测预报等信息超过设定阈值,触发供水保障调度事件。3.2.2数据底板构建太浦河地处长江三角洲核心区域,河道相对狭小,且受人类活动影响大,两岸码头、公路密集
18、,部分堤防堤身薄弱,部分堤防、闸门因沉降达不到原设计高程,部分护岸损毁,安全隐患多。同时保护对象多,需要匹配堤防、圩区、船舶、水情、水质等数据,采用精细化建模与仿真技术2 构建太浦河数据底板。在算据上,基于UE引擎、GIS、无人机航拍数据、数据治理和服务等技术融合方式构建数据底板,按照2 5cm精度精修整条河段,构建L2级数据底板,依据太浦河航拍高精度数据提取太浦河两岸DEM数据,通过实时水位与堤顶高程的比对,提高了底板精度;在算法上,太浦河受复杂河网流态及下游潮位顶托影响,通过引入风暴潮模型及提高太湖洪水预报模型精度,进一步提高了太湖洪水下泄对太浦河堤防及两岸口门影响分析结果的精准度。3.2
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