从“治水”走向“智水”，数字孪生流域推进智慧水利建设

近日，水利部发布《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》提出要加快建设数字孪生流域和数字孪生工程，强化“四预”功能。 漂视积极参与智慧水利工程建设，利用数字孪生技术助力实现治水为民、兴水惠民愿景。

一、大数据与智慧化 促进传统水利向智慧水利转化

从大禹治水到都江堰，从京杭大运河到南水北调工程，从石龙坝水电站到三峡工程，我国水利工程建设达到了世界领先水平。

但由于以往的水利工程建设缺乏预见性，致使传统水利在做贡献的同时，其资源浪费、生态破坏、安全事故等问题也越来越明显。

传统水利建设施工过程中，很难发现工程中隐蔽的、错综复杂的难控制因素，这些问题的存在也使水利工程的有效利用率大幅降低。

这督促了经济社会对传统水利理论进行反思，并转向探索智慧水利建设的发展。水利部也提出了要达到预报、预警、预演、预案的“四预”要求来规避工程盲区的相关风险。

“推进智慧水利建设，是提高水利信息化水平、实现数字转型和智能升级的重要抓手，是推动新阶段水利高质量发展、全面提升水安全保障能力的重要路径，是衡量水利高质量发展的显著标志。”

现今，传统水利迎来大数据与智慧化，科学与工程并驾齐驱，开创了现代水利的新篇章。

二、智慧水利建设 需要数字孪生辅助高效运行

水利相关政策不断出台，而在日常生活中，水利与水务的区别却造成了很多人的困惑。

◆ 水利

对自然界的水和水域（包括地表水和地下水）进行控制和调配，以达到除害兴利、防治水旱灾害为目的而修建的工程。

◆ 水务

包括供水，原水收集与制造、存储、输送，水的生产和销售，水的供应网管、中水回用，污水排放，污水收集与处理、污泥处理等。

以上可知，水利相比水务多出了防灾分洪的部分。

水利是城市的基础建设，智慧水利也是智慧城市的重要组成。智慧城市的快速建设正带动智慧水利逐渐进入人们视野。

《“十四五”智慧水利建设规划》 提出，“十四五”期间智慧水利建设的重点任务是构建数字孪生流域，建设“2 N”水利智能业务应用体系，完善水利网络安全体系。

《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》 指出，推进智慧水利建设要以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以构建数字孪生流域为核心，加快构建具有预报、预警、预演、预案(“四预”)功能的智慧水利体系。

 

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，是实现数字流域、智慧流域的有效技术路线。

三、搭建数字孪生流域 赋能智慧水利

1、构建流域数字化场景

对水利的上下游、左右岸、干支流、工程体系、影响范围、经济社会要素等数字化后形成二维、三维点－线－面一体对象、图像或仿真模型等物理世界的映射。

与模拟调度结果实现动态交互、实时融合及高仿真模拟展示，实现涉水要素数字化、感知实时化、模拟可视化，支撑完善“四预”工作。 

2、建设流域防洪系统

在国家防汛抗旱指挥系统的基础上，扩展定制流域防洪数字化场景，升级完善流域防洪“四预”功能，搭建防汛抗旱“四预”业务平台。

◆ 预报

集成“降水—产流—汇流—演进”全过程模型，实现气象水文、水文水力学耦合预报以及预报调度一体化。

◆ 预警

扩展防洪风险影响和薄弱环节判别、主要江河风险防控目标识别等功能，提高洪水预警时效性、精细化和覆盖面。

◆ 预演

扩展模拟计算和动态仿真等功能，支撑防洪调度方案集合生成。

◆ 预案

集成各类防洪方案、调度规则和专家经验，扩展方案自动生成、多方案比选等功能，支撑形成防洪调度决策优化方案。

3、干流槽蓄能力分析

通过河道槽蓄量计算，得到河道冲淤量、河段平均冲淤厚度、槽蓄量高程曲线图、槽蓄量沿程分布图、冲淤量高程曲线图、冲淤量沿程分布图等。

利用高精度水下地形模型，结合上下游水位站实时预报水位高程，计算分析主要干流不同时段河道槽蓄量，为河道演变分析、流域开发、防洪调度及河道治理提供数据支撑。

4、洪水动态演进三维虚拟仿真

综合运用三维GIS技术和虚拟现实技术，在计算域及周边三维场景基础上，根据水深信息生成水面层，将水的材质、水流速度矢量信息等标量信息映射到水面层上，实现地形地物、景观、洪水演进的动态显示。 

以河道三维数字场景为基准，利用洪水预报模型和干流洪水演进模型，模拟洪水路线、洪峰到达时间，分析上下游关系，研判流域内小型水库风险、病险水库风险、堤防漫堤风险、洪水淹没风险等安全风险，为工程调度、应急抢险、人员转移提供决策支持。 

5、建设水资源管理与调配系统

在国家水资源监控能力建设项目、国家地下水监测工程的基础上，完善水资源管理与调配数字化场景，扩展升级水资源监管预警、调配管理决策、节约用水管理服务等功能，搭建水资源管理与调配综合平台。

四、漂视数字孪生 为智慧水利提供科学决策指导

「物联网」「大数据」「AI」「虚拟仿真」等词汇，在近年来与大热的「元宇宙」息息相关，并作为构成「元宇宙」的关键技术迅速进入各行视野。

数字孪生平台将这些技术应用到智慧水利工程，为构建智慧水利运管体系提供理论和技术上的支撑。

漂视自主研发产品PICIMOS，可通过构建虚拟工程，做到与物理流域的同步仿真、虚实交互、迭代优化，对水利治理管理活动全过程进行数字化映射、智慧化模拟。

1、绘制流域智慧虚拟画像

通过建设全流程数字孪生体，以设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化手段，针对具体应用场景，在不同时空分辨率、精细化粒度下，实现了对河网水系、小流域下垫面、水利工程的上下游、左右岸、干支流、工程体系、影响范围、经济社会要素等进行动态和实时数字化。

具体内容包括：

（1）小流域河网水系和下垫面特征的数字化，采用卫星

和无人机等遥感数据动态解译全流域下垫面及小流域基础属性数据；

（2）监测站网数字化，对水雨情监测站网进行数字化，建立监测站网与小流域、模型计算单元的融合与关联，实现模型边界条件和输入条件数字化。 

2、激活水利系统数据资源价值

水利系统数据资源包含资源、地域、监测、运维等方面数据，通过数字孪生体对这些海量数据进行分析和挖掘，盘活无序、无用数据，发掘有价值的信息和规律，为辅助决策应用提供基础支撑。

统一实景三维模型、水下地形模型、数值模型等不同模型数据格式，通过数据读写插件，将多源异构模型基于统一平台进行展示。

3、助力模拟仿真水利工程动态运行

实时掌握遥感数据，进行遥感影像逐月快速更新获取和涉水要素自动解译，实现对土地利用、种植作物、庄台、河湖水体等下垫面要素更新与变化检测，辅助在数字世界推演多种场景下水利工程全生命周期运行态势。

基于高精度河道地形及断面数据，应用高频高精度遥感数据获取河道、水库等水面信息，与现有水文，视频实时监测的水位、流速、流量等数据进行融合建模，实现河道物理流场水面－水位－流量－流速空天地一体化实时化感知孪生。 

4、实现流域及工程全生命周期可视化

通过实时渲染展现物理实体、业务流程，结合空间数据相关计算、分析，以及路径规划、漫游、可视域分析、场景标注等能力，展现流域全貌大场景直到工程细节，为预演提供形象直观效果。

（1）场景可视化。

针对多源、多维、多时空分辨率、不同坐标系数据，采用数据融合技术对流域大范围进行三维可视化渲染，实现在不同分辨率等级和视角下采用不同精细程度的细节来展示同一场景。 

（2）工程运行可视化。

采集水泵、水闸等水利机电设备的空间位置及运行状态等信息，采用组织水利机电设备的三维模型文件，支撑模型数据的流式传输和海量渲染，实时反映水利机电设备运行情况。 

5、实现水利系统可控和可预测

数字孪生体具备对水利设施和要素的在线模拟仿真和同步控制功能，对水库、水闸、堤防、水电站、泵站等进行仿真可视化，能够直观地掌握管网运维情况、设备机械控制、终端虚拟调水等信息。

展示水闸启闭及运行过程，模拟水位流量变化，实时反映水利工程现场调度情况。 基于高时空分辨率流域下垫面、蓄滞洪区与城区地形等遥感影像、三维模型，结合二维水动力模型，实现洪涝灾害在漫溢、决口等情景下对蓄滞洪区、城区淹没的立体动态展示。 

 

漂视数字孪生平台通过数据收集、数据分析、模拟评估、优化分析、预测预警，为智慧水利工程的未来态势响应和决策提供科学化和智慧化的应用指导。

五、PICIMOS  一站式数字孪生开发平台

漂视业务板块

上海漂视网络股份有限公司是专注于数字孪生技术领域的平台型企业，致力于通过领先的数字孪生技术为智慧城市领域高效赋能，促进各行业数字化转型、智能化升级，打造物联、数联、智联的数字孪生世界，通过数字孪生系统实现可视化、智能化、人性化的创新管理，加速数字新基建进程。

  PICIMOS搭建三峡大坝模型

漂视自主研发产品PICIMOS是一款集高配置3D场景资产、多风格UI视效、全样式交互设计等功能于 一体的实时3D可视化开发平台。

平台基于物联网、大数据、云计算等技术，打通多源异构数据间的壁垒，实现多维数据融合，形成基于地理测绘数据、建筑信息模型、物联感知数据相融合的时空数据基底。用户也可以基于picimos程序化建模技术去重构时空基底中的地形、河流、建筑、道路等空间要素，从而构建出不同使用场景下的时空基底。大幅降低内容和场景开发者的创作门槛，让更多用户能够成为元宇宙建设者。

PICIMOS的模拟仿真平台可以模拟流域内真实的自然环境、天气环境及物理环境，进行不同算法的模拟预测，构成不同参数条件下的平行世界。实时更新流域及水利设施基底信息，实现每一个空间元素的全生命周期的跟踪记录，满足空间基底对现实水域的动态仿真。

近年来，水利部高度重视智慧水利建设，正加快水利治理方式变革，促进水利向形态更高级、基础更牢固、保障更有利、功能更优化的阶段演进。

漂视以物联网监测、软件与系统集成、大数据分析与应用为平台核心应用，构建了具备全域感知、多源数据融合、高效建模、实时动态仿真、可视化等核心能力的智慧水利数字孪生平台。

通过多业务、多层级数据整合共享与全面展示，推动互联网、大数据云计算、卫星遥感、人工智能等高新技术与水利业务的深度融合，充分发挥数字孪生流域低成本试错、智能化决策以及高效率创新等关键价值。实现对水利管理工作的监督和决策，推动新一代水利业务应用向数字化、网络化、智能化发展。