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一、政策
为加快推进水利治理体系和治理能力现代化，水利部于2024年4月印发《关于推进水利工程建设数字孪生的指导意见》的通知，充分发挥数字孪生技术对水利工程建设高质量发展的驱动作用，提升水利工程建设全要素、全过程的数字化、网络化、智能化管理能力，建立透彻感知、智能先进、互联协同、科学高效的水利工程建设管理新模式，保障水利工程建设质量、安全和长效运行。
二、必要性
1、防汛抗旱
在汛期，准确监测水库的水位和降雨量，通过水利专业模型分析计算，能够帮助相关部门及时预测和掌握洪水的发生发展趋势，为水库调度决策提供科学依据。通过提前泄洪或拦蓄洪水，合理调控水库的出水流量，保持水库的安全水位，也可以有效地减轻下游地区的洪涝灾害影响。
在干旱时期，预测水库的蓄水量和来水量，可以合理安排水资源的调配，保障农业灌溉、工业生产、居民生活用水和生态环保用水的不同需求。
结合上下游防洪要求和水库自身安全运行条件，以水利专业模型为基础，通过动态规划等方法，优化水库的防洪调度规则。
2、水资源管理
水库预报模型可以准确掌握水库的来水情况和水资源现状，根据来水的不同等级和发展阶段，计算水库的水量平衡，确定不同的调蓄方式。考虑水库的来水量（包括地表径流、地下水补给等）、用水量（如灌溉、供水等）和蒸发渗漏损失等因素，精确地分析水库的水量收支情况，合理安排生活生产供水计划。
当水库承担多种功能，如供水、生态等时，水利专业模型可以综合考虑这些目标。通过建立多目标优化模型，以供水保证率和生态需水量等作为目标，通过模拟不同的水资源分配方案，找到最优的配置策略。
三、系统介绍
智慧水库数字孪生系统基于信息化基础设施，利用云计算、物联网、大数据、人工智能、遥感、数字仿真等技术，对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟和前瞻预演，支撑水利业务“四预”功能实现。实现水库公共数据的全面整合与共享，预留与上级主管部门、大数据等信息化系统之间的数据和业务接口，为实现水库工程管理、水库政务管理、应急指挥等核心的统一管理提供强有力的信息化支撑手段，为水库安全运行与科学调度提供智慧化的管理手段。
四、系统亮点
智慧水库数字孪生系统采用AI动态监管，打造“数字水库”。
1、AI智能信息采集
AI智能信息采集用于大坝安全、水雨情、实时视频、GIS地图、流速流量、洪水预报、水质监测等。
2、数据集成化管控
数据集成化管控具有数据汇集、数据分析、溯源推导、预报预警等功能。
3、水库动态监管平台
4、构建水库洪水演进分析数字化场景，直观化展示洪水时空演进过程，并实现山洪灾害风险落区的动态更新。
5、构建统一、高效、科学、规范的山洪灾害防御体系，全面提升山洪灾害监测预警的信息化管理水平，有效预防、及时控制和最大限度的消除山洪灾害危害。
6、以动态化数据为依据一键生成灾情报告，并通过智能化预案，选择最优的调度方案，有效提高决策的科学性。
五、系统平台
水库管理平台
数字孪生平台
大坝安全监测平台
水库管理平台
水利一张图
单点数据分析
水位数据分析
流速流量数据分析
监测成果表自动生成
实景可视化、重要信息实景标注
相关视频、数据关联展示
重点区域警戒看护
报警模块
巡检上报模块
大数据看板—定制化
移动监控端
六、系统功能内容
（1）、智慧水库数字孪生系统建立以水雨情监测、大坝安全监测、防洪调度、兴利调度、应急响应以及综合管理等核心业务为一体的综合业务系统，为水库工程安全管理提供业务支撑。
（2）、系统建立基于ESB、微服务、SOA、ETL的信息系统架构体系，为业务应用系统协同业务、系统与数据之间、数据与数据之间提供高效的数据中台和业务中台，为信息系统业务功能扩展提供有效的保障。
（3）、结合信息化系统建设情况，对多源异构数据资源进行汇聚、清洗、共享，通过数据算法，实现数据最大限度的应用，建立“一数、一源、一责”的制度体系，确保数据动态更新，为应用系统提供规范的、可用的数据资源。
（4）、通过建立二三维一体化的GIS 平台，借助无人机航拍技术、实景地图技术等新型展示方式，将数据监测、分析模型与GIS 进行关联，形成地理信息数据库，发布具备工程管理价值的业务系统。
（5）、借助于BIM 技术对重要的水工建筑物进行三维建模，将大坝安全监测与三维模型结合，分析评估建筑物安全状态，预测建筑物变化趋势，指导工程管理和运行维护。
（6）、数字化监护采用数字孪生技术，基于实测的遥感影像和勘察的水库数据，构建的一、二维水动力模型，预测分析洪水演进与淹没过程，并在三维场景中展示防御对象的详细信息。
（7）、通过无人机、无人船采集数字高程模型（DEM）、正射影像图（DOM）、倾斜摄影模型及水下地形等地理空间数据，构建数字孪生可视化模型，并结合水利专业预测预报模型，实现“预报、预警、预演、预案”能力。
（8）、多部门联动汇集水利、气象等部门的数据，整合共享数据资源，打通多个数据源系统，实现跨部门数据共享，并开启多级预警模式，实时开展动态研判。
（9）、智能预案通过移动端事件处置APP和跨部门联动机制，实时动态掌控水库情况和应急处置情况，一键生成水库监测报告。
七、应用案例
马湖水库数字孪生平台
一、系统结构
四川合睿达水库大坝监测系统主要包括渗流监测系统、流量监测系统、雨量监测系统、沉降监测系统组成。每一个监测系统由监测仪器及自动化数据采集装置（内置通信装置、防雷设备）、附件（电缆、通信线路、电源线路）等组成，主要是把布设在水库各结构物内各类监测仪器的数据按照特定的采集频率进行采集，从而通过无线通信模块将各采集系统的采集数据上传至安全监测云平台中。
二、工作原理
监测云平台将各监测数据系统整合在统一的平台上，云平台可对监测系统的监测数据，以及人工巡检、人工采集的数据实时进行管理、分析、处理，让业主及工程管理人员实时掌握工程的运行状况，及时、准确判断工程的安全状况提供可靠的依据，对整个工程实现持续不间断的在线监控。
三、系统监测内容
变形监测：表面位移监测、内部变形监测、挠度监测、裂缝和接缝监测、基岩位移监测；
渗透监测：扬压力、地下水位、孔隙压力、渗流量；
应力监测：混凝土应力、岩体应力、钢筋应力、土压力；
水文气象监测：温度、湿度、风速风向、气温、气压、雨量、水位。
四、主要产品
水库大坝监测系统主要产品：渗压计、水位计、量水堰计、多(单)点位移计、应变计/应变计组、无应力计、钢筋计、锚杆应力计、锚索计、测斜仪、裂缝计、位移计、位错计、土压力计、土体沉降计、脱空计、固定式测斜仪、倾斜仪、GNSS、翻斗式雨量计、温湿度计、无线智能振弦采集仪、多通道振弦/差阻采集仪、485通用采集仪。
五、在线监测云平台
云平台提供数据采集、数据展示、图表绘制、统计分析、安全预警和系统管理等功能，实现动态跟踪管理，及时掌握大坝状况的变化趋势，辅助管理者科学决策。
（数据曲线图）
根据渗压计的测值，可换算成水压、水头、水位高程（需在平台软件上设置安装高程）。通过云平台可方便的自定义计算公式，可同时监测渗压计的温度，查看测值与温度相关曲线。根据渗压计的测值结合实际工程信息，可绘制浸润线。
1、渗流监测管理系统
2、流量监测管理系统
3、沉降监测管理系统
4、工程大事记及管理中心
一、系统介绍
水库雨水情自动测报系统辅助水利管理部门实现水库雨水情信息“全要素、全量程、全覆盖”自动测报。系统具备水库水位、雨量、现场图像/视频等水文信息采集、传输、处理及预警广播等功能，有效提升了雨水情信息的时效性和准确度，为保障水库安全运行及辅助流域防洪联合调度决策提供数据保障。
二、系统拓扑图
三、系统功能特点
1、水位、雨量等数据远程监测，及时报送汛情信息
（1）、远程采集水位计、雨量筒等数据
（2）、按标准水文/水资源规约，通过4G/5G/NB-IoT/以太网/北斗网络，自动上报至省、市、县水利平台
（3）、 可扩展流速、流量、水质监测等
2、图像/视频监控，可叠加测点数据
（1）、对水库关键位置进行可视化管理，方便汛期或险情发生时远程巡检
（2）、视频监控按需配置，满足现场视频实时查看需求
（3） 、图像/视频可叠加测点位置、库水位、降水量等数据，实现可视化远程监测
3、报警信息联动预警广播，及时通知可能受灾人员撤离
水位越限、大雨/暴雨自动预警，上传报警信息并直接联动警灯闪烁，高音喇叭自动播报防汛语音信息。
4、双通道模式，信息传输更可靠
（1）、数据通道4G/5G/NB-IoT/北斗，图像/视频通道4G/5G，有效降低终端功耗 ；
（2）、主通道4G、备用通道北斗短报文，保障恶劣天气情况下，终端正常上报。
5、越限自动报警，及时预警汛情
（1）、库水位/降雨量超限时，系统自动报警，及时报送汛情信息；
（2）、自动向责任人手机发送报警短信（选配）。
四、硬件系统
五、监管平台
1、一张图综合展示，辅助管理
2、雨量、水位数据持续稳定监测，智能报警
3、巡检管理，辅助人员调度
六、应用案例
一、背景
随着科技的不断进步，人们对于自然灾害的防范和治理越来越依赖技术手段。白蚁作为自然环境中常见的害虫，对于水利设施的危害不可小觑。许多堤坝内白蚁活动频繁，其蚁道四通八达，尤其在汛情时，这些蚁道可能成为堤坝垮塌的重要原因，建设一套白蚁监测预警系统很有必要。
二、系统介绍
水库大坝白蚁监测预警系统是通过使用先进的传感器和数据分析技术，实现对白蚁活动的实时监测和预警，通过声波、震动、磁场等手段，监测白蚁的存在和活动，提供及时反馈和警示，帮助人们采取相应的防治措施，以减少白蚁危害。
三、主要设备
HRD-04B白蚁监测装置采用IoT领域基于蜂窝的窄带物联网的一种新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接；具有低成本、低功耗、广覆盖等特点。一点一站，在网络信号覆盖区域，不受应用场景建筑结构限制。采用白蚁喜欢吃的食物做诱饵，吸引白蚁取食，取食过程中触动报警装置。报警装置发出信号，通过物联网传输到监控系统，经过数据处理，监测结果呈现给用户。用户通知白蚁防治专业员，对报警的监测装置进行检查，发现活体白蚁，用专用饵剂进行诱杀，达到预防和控制的目的。
产品特点：
1、HRD-04B白蚁监测装置采用了环路技术与自主网通讯技术、互联网技术等综合运用，使该系统成为灵敏的白蚁监测预警系统。
2、改变了传统监测装置必须纯人工开舱式检查，监测装置做到了非开舱式白蚁自动检测，并实现每天定时上传自动检测结果，后台管理平台立刻显示检测结果。
3、监测准确率达到95%以上。
4、各个部件均采用模块化设计，形成部件各自独立，运营相互互合，便于运营中的局部更换。
5、监测装置外壳和内架采用树脂尼龙综合材料，感应电子模块封装达到IP68级，具有较好的耐腐蚀性，在潮湿、酸性等不同土壤环境中不易腐蚀，确保监测装置在严酷的土壤环境中长期正常运营。
四、系统优势
1、实时监测：系统能够实时监测白蚁的活动情况，及时发现异常。
2、自动预警：一旦系统检测到白蚁活动异常，能够自动触发预警报警装置，提供及时警示。
3、准确性高：通过科学的数据分析和处理，系统能够准确识别白蚁活动特征，避免误报或漏报。
4、可视化管理: 基于大数据的区域情分析判断报警信息、维护信息、区域情情况.
五、系统用途
水库大坝白蚁监测预警系统可广泛应用于各类水利工程中，如水库、堤坝、水闸等。通过对这些重要水利设施的白蚁监测，可以有效地预防和治理白蚁危害，保障水利工程的安全运行。
六、工程案例
一、国家政策
2021年水利部印发了《全国山洪灾害防治项目实施方案（2021-2023年）》，提出“到2023年，山洪灾害防治体系进一步健全，监测预警能力进一步提升，努力补齐山洪灾害防治当前存在的明显短板”的建设目标。
二、系统介绍
山洪灾害无线预警广播系统由水位站、雨量站、无线预警广播与入户报警器通过无线连接和视频会商系统组成。设置有黄色、橙色、红色三个预警级别，当水位（雨量）上升到水位（雨量）站传感器设定报警水位（雨量）时会及时产生报警信号，无线预警广播和入户报警器接收信号并进行报警，同时雨量和水位信息也会通过 GPRS/4G 传送到系统平台，可以通过视频系统观察具体信息。为更好地发挥系统的防灾减灾作用，还需建立群测群防的组织体系，加强宣传培训。
三、主要设备
山洪灾害无线预警广播系统主要设备有简易水位站、雨量报警站、水位流量站、水位视频站、入户报警器等。
四、系统功能
1、实时水雨情、工情信息综合查询统计分析;
2、多调度预案对比分析计算，并提供三维防洪调度仿真和推演;
3、内嵌各种防洪调度专业计算模型可供选配;
4、结合洪水风险图、防洪概化图进行GIS展现和分析;
5、系统支持流域洪水联合调度模型、支持水库和蓄滞洪区等；
6、水利工程的运用和调度模型，支持溃坝、溃堤等水利工程运用的实时调度计算和场景模拟;
7、多层次水雨情监测分析;
8、灵活的监测预警方式，完整的应急响应预案;
9、基于GIS的可视化内容丰富多样、响应速度快、系统稳定;
10、提供可定制的预警评估模型;
11、提供并预留其他业务支撑系统的服务接口，可扩展定制。
五、平台展示
山洪灾害监测预警平台对水位、雨量、设备工况、报警信息、视频等要素实时监测并统计分析，为防洪抗旱指挥调度提供决策依据，分析确定警戒雨量和危险雨量，超过警戒线及时预警，确保雨情及时监测到位，预警信息及时发出，可对接市、省、国家监测预警平台，与气象、国土、水文信息平台共享数据，为防灾减灾提供实时信息服务。
