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大赢家官方网站建设智慧防汛工程 以科技赋能水

日期:2021-07-21 07:00

  我国是一个水灾害多发的国家,防汛是水利工作的第一要务,关系人民生命财产安全,关系粮食安全、经济安全、社会安全、国家安全,是一项保发展、保民生、保安全、守底线的极为重要的工作。防汛工作包括洪水预报、防洪调度、防洪工程运用、险情抢护、灾后救助等全过程多方面,涉及地学、气象学、水利学等多个学科领域,是自然与水利工程系统和人工干预相互作用的复杂巨系统,信息化技术对提升水灾害防御能力作用突出。

  防汛信息化始终是水利信息化的先行领域,近年来随着国家防汛抗旱指挥系统一期、二期等工程的建设完成,防汛抗旱信息化体系已经初步形成,在防汛管理中发挥了十分重要的作用。但与信息化技术的突破性发展和社会全领域应用水平相比,目前防汛信息化建设还存在信息采集不健全、数据共享不充分、智能智慧化程度不高、公共服务不到位、建设运营管理分散、顶层设计受同期技术进步制约等问题。随着物联网、大数据、移动互联、云计算和人工智能等技术的全面应用,通讯、存储运用技术的不断提升,防汛信息化迎来广阔的发展和应用前景,将为防汛减灾赋予更多现代化“智慧”,实现科学减灾。

  围绕智慧防汛、科学减灾的目标,防汛信息化建设应坚持以下原则:一是需求牵引、应用至上,以防汛职责业务需求为目标实施建设,建成管用、好用的应用系统,提供科学、精准的决策支持;二是创新赋能、技术先进,强化5G、云计算、区块链、人工智能、数字孪生等新一代信息技术在防汛信息化中的应用,创新赋能管理技术和方式,提升防汛智能化、智慧化水平;三是运行稳定、信息安全,数据采集、存取、运算等稳定可靠,网络传输安全高效;四是整系统设计、分系统建设,按照统一管理、统一标准、统一规范进行谋篇布局,大赢家官方网站做好顶层设计,针对不同业务领域分轻重缓急开展目标性强、精准性高、共享性好的专业应用分系统。

  防汛信息化要围绕“数字化场景,智慧化模拟,精准化决策”,建设泛在的天空地水一体化感知体系,便捷的防汛服务平台和数字孪生平台,科学的预报预警预演预案耦合系统,加强防汛智能化、智慧化研发应用。

  数据是智慧防汛系统的基础,全面、准确、及时感知云、雨、水、工、险、灾数据在防汛工作中尤为重要。监测技术与核心设备是构建全面感知的关键手段。经过多年的防汛信息化建设,目前国家层面的水雨情信息采集框架已比较完善,墒情采集也相继开展,但工情信息特别是险情信息采集还存在差距,大量的堤防、水闸、泵站、退水口等防洪设施运行状态缺乏监测手段;流域即时空间特性监测及应用能力较差,变化环境下的洪水预演、预报能力不足。在传统水文、工情信息基础上,强化空间监测,建设泛在的天空地水一体化感知体系是智慧防汛的重要抓手。

  天基监测主要采用卫星遥感作为监测手段,对河势、水体和下垫面情况进行长时序的监测。在流域范围尺度的空基监测上,黄河勘测规划设计研究院有限公司(以下简称“黄河设计院”)做了诸多探索,如黄河防洪防凌遥感监测系统,结合黄河洪水演进、凌汛期黄河凌情发生发展过程,开发了洪水水面遥感信息解译、洪水主溜线解译、洪水淹没分析等功能,实现凌汛灾害的动态监测评估,可以监测黄河干流河势演变,预测预估河势演变对治河工程和滩区防洪安全产生的影响。利用卫星遥感对下垫面的即时监测,动态调整流域产汇流参数,能够极大地提高洪水预报精度。

  空基监测主要采用无人机、近距离遥感和雷达监测的方式,对中尺度范围对象进行快速施测。空基信息采集监测克服了遥感卫星监测要素精度低的缺点,弥补了遥感卫星在应急情况下无法进行实时多角度观测的不足。无人机因其机动性高的特点,在防汛局部区域突发事件应急监测上也有很好的应用。近年来广泛应用于调水调沙过程中的水库冲淤变化和下游河道洪水演进监测,为优化实时调度提供了重要支撑。

  水基监测包括水文要素监测,以及基于无人船、ROV或AUV等平台,通过搭载GNSS接收机组合、声纳、ADCP、水质分析仪、相机等水下传感器设备,实现自然水体的水下地形、水文、水质、水环境和水下工程设施的运行状况及形变数据等信息感知。黄河设计院在水下根石探测、水下建筑物、水体泥沙等方面进行了深度研究应用,不仅能够对水库大坝水下结构状况、建筑物水下轮廓、水下地形地貌、老旧工程进出口等部位进行水下监测,而且通过水面船只搭载低频声呐,结合小尺度的GPS-RTK实时定位技术和GGA通讯方式,获取水底基本高程,根石上部淤积泥沙厚度、根石坡度、根石在水下及泥沙之下的埋深等,基于水下根石探测技术,能够有效的对根石走失进行监控,掌握河势变化第一手资料。

  加强防汛数据资源的规划和数据治理,开展防汛业务通用需求的标准化建设,在此基础上,建设便捷的防汛服务平台和数字孪生平台。大赢家官方网站防汛服务平台将天空地一体化系统采集的数据和云端计算资源进行规范管理,满足各类应用的数据和计算需求。在此基础上,构建物理流域的数字化映射,即构建流域时空映像的数字孪生平台,精确模拟物理水利的外观形态及物理属性,并在此虚拟空间上科学模拟降雨产流、洪水演进、工程应用等过程。

  防汛服务平台是对数据资源和算法资源进行全面梳理整合,建成标准统一的资源服务体系,形成跨虚拟化技术的统一资源池,提供信息共享、互联互通、安全保密、实用便捷的计算资源、存储资源、网络资源等基础设施环境,对外提供统一的资源调度接口,按需和动态分配各类资源;并在云平台之上搭建时空大数据基础框架,对传统业务进行分布式、并行化改造升级,提供规范化的数据存取和计算接口,实现支持关系型数据库、非关系型数据库、文件数据库的混合存储框架能力以及支持高性能计算、并行计算和分布式计算的混合计算框架能力。

  数字孪生平台是利用BIM、倾斜摄影、激光点云、物联网、虚拟现实、人工智能等技术,构建的一个多时空、多尺度、多层次描述现实物理世界的虚拟地球仿真环境,具有全要素表达能力、时空多维度数据可视化能力、场景虚拟化能力、空间计算和叠加分析能力、仿真模拟能力、远程控制能力、虚实融合能力等,可实现对流域的数字化管理和智能决策,加速推动流域治理、防洪抗旱等水利行业创新发展。

  黄河设计院历时10余年,从底层自主研发了专注于水利行业应用的数字孪生平台——云河地球,并在基础数据、渲染效果、运行性能等方面进行了深度优化,可搭载国内2米影像与30米地形、黄河流域0.5米影像图与5米地形等,深度整合了多尺度、多种类、多空间、多时态时空数据,构建了GIS+BIM+VR+数学模型的数字孪生环境,可为防汛减灾、水资源调度、工程运行管理等提供全空间、全过程、全要素、智能化的决策支持环境。

  智慧水利应成为新发展阶段水利高质量发展的重要标志之一。2021年3月初,水利部部长李国英在水旱灾害防御工作视频会议和信息中心工作汇报会议上发表重要讲话,针对智慧防汛信息化建设提出了具体要求:水旱灾害防御工作要坚持“预”字当先、关口前移,在预报、预警、预演、预案“四预”上大做文章、做大文章,建设数字流域;水旱灾害防御方面要能做到“四预”,需要智慧化手段赋能,建立物理水利及其影响区域的数字化映射,在数字化映射中实现“四预”。

  建设科学的预报预警预演预案耦合系统,一是要汇集整合天空地多源多维多尺度时空数据,基于数字孪生流域,采用GIS+BIM技术,以图表、视频、动画等形式实时动态展示天气形势,河道、水库水情,堤防、险工工情险情等多要素,为判别当前水旱灾害防御形势提供直观有效的技术支撑。二是要建立综合考虑地形、土壤、植被等多因素的分布式洪水预报模型,同时结合GPU-CPU异构并行计算加速技术,实现对流域洪水的精细化模拟和快速实时预报;洪水预报模型与水工程的联合调度模型要相互耦合,以水文站、水库等水文节点的空间拓扑关系为依据,通过水系、节点编码的方式生成动态的水系、节点拓扑关系,引导洪水预报模型与水工程的联合调度模型根据上下游、干支流的拓扑关系形成计算顺序,依序进行计算,洪水预报模型与水工程的联合调度通过建立统一、规范的接口进行数据交互和模型互馈,形成预报调度一体化系统;三是要通过多种形式实现对雨情、水情、工情、险情的分级分类快速及时预警,系统通过预警符号闪烁、语音报警等多种形式提示不同情况的预警信息,同时向与水旱灾害防御密切关联的相关单位、可能受灾的群众以手机短信、APP提示信息等多种形式分级分类快速及时预警;四是要在三维场景中实现对不同水工程调度方案洪水演进、洪水淹没情况的预演,以直观的形式展现洪水的水流特性、淹没水深、淹没历时、影响人口以及可能造成的经济损失时空分布情况;五是要根据预演的结果,自动生成可编辑的预案文稿,提高预案应对洪水的针对性和有效性,同时建立不同预案间的关联关系,智能推送关联预案。

  “智能”,即:具有一定的“自我”判断能力,能够根据多种不同的情况做出许多不同的反应。“智能化”是指事务在计算机网络、大数据、物联网和人工智能等技术支持下,所具有的能满足人的各种需求的属性。从感觉到记忆再到思维这一过程称为“智慧”,“智慧化”是指具有高级创造思维和解决复杂问题的能力,是升级版的“智能化”。

  近年来,黄河设计院积极探索人工智能、大数据等技术在防汛工作中的应用,并开展以防汛智能机器人为核心,基于人工智能和大数据分析的水利防汛大脑建设,通过多源数据资源深度融合,结合实时监测、预警预报,深入挖掘水、雨、工情历史数据,研判汛情态势、隐患风险,预测灾害发展趋势,科学制定调度方案,开创基于情景分析、态势判别的智能决策支持系统,旨在解决防汛工作强度大、防汛知识范围广、防汛指挥决策难等多方面问题,为防汛调度指挥提供决策服务。

  相关团队经过近两年的探索研发,初步搭建了包含水情、雨情、工情以及知识文档的防汛大数据服务平台和防汛语音服务平台,研发了面向手机、平板、智能机器人等多终端的小禹智慧防汛系统和雨洪沙相似性分析系统,并已在2020年汛初黄河防御大洪水实战演练、汛期防汛管理等工作中投入应用,防汛智能化应用取得了初步成效。

  雨洪沙相似性分析系统根据实时或预报结果,通过空间分析、指标筛选、情景匹配、机器学习等方法,从庞大的历史过程中查找到最符合当前情况的降雨和洪水过程实例,并将信息推荐给决策者,让决策者在极短的时间内提出科学有效的应对方案。

  防汛信息化向智能化、智慧化的转变与提升,还有很长一段路要走。黄河设计院将始终贴近防汛业务需求,勇于技术创新,加强跨界合作,善于博采众长,积极参与和助力国家智慧防汛工程建设,以科技赋能水灾害防御能力提升。

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