空天地一體化融合數(shù)字孿生賦能山東水利安瀾

文｜楊玉柱 趙冉 楊楠

一、需求分析

山東省數(shù)字水利建設(shè)在“十四五”規(guī)劃中提出了五大任務(wù)，一是鞏基礎(chǔ)，構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)，擴(kuò)大實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)范圍。同時(shí)，完善水利云網(wǎng)建設(shè)，形成“物理分散、邏輯統(tǒng)一”的水利云。升級(jí)改造網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，全面支持 IPv6。二是理數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字水利數(shù)據(jù)資源體系。三是強(qiáng)支撐，匯集水利模型、算法模型、機(jī)器學(xué)習(xí)模型，探索構(gòu)建水利模型庫(kù)、算法模型庫(kù)、機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)、水利知識(shí)圖譜。四是智應(yīng)用，采用空間遙感、傾斜攝影、BIM 等技術(shù)，加快推進(jìn)全省大中型水庫(kù)、重點(diǎn)河湖流域工程數(shù)字化和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程。五是健保障，健全數(shù)字水利保障體系。

二、方案設(shè)計(jì)

（一）總體功能和架構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保水庫(kù)安全運(yùn)行，充分發(fā)揮水庫(kù)效益，以山東省智慧水利頂層設(shè)計(jì)為指導(dǎo)，立足于山東省水庫(kù)管理工作需求，考慮全省水庫(kù)信息化現(xiàn)狀及未來(lái)管理需求，在水利信息化資源梳理的基礎(chǔ)上，通過(guò)資源整合，統(tǒng)籌共建以及必要補(bǔ)充，著力優(yōu)化資源配置，以小型水庫(kù)安全管理為突破口，逐步建立起“數(shù)據(jù)資源知識(shí)化、應(yīng)用系統(tǒng)智能化、標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范化、安全體系可靠化”的水庫(kù)信息化管理體系，全面提升水庫(kù)運(yùn)行管理質(zhì)量、防汛抗旱能力和強(qiáng)化水庫(kù)日常監(jiān)管能力，提高防災(zāi)減災(zāi)能力，有效保障工程安全、飲水安全與公眾安全。

山東省水利廳水庫(kù)雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)和水庫(kù)安全運(yùn)行及防洪調(diào)度項(xiàng)目，通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)融合北斗、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等能力，建設(shè)全省空天地一體化泛在感知網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)、水庫(kù)信息數(shù)字化管理、納雨能力分析和流域聯(lián)合調(diào)度預(yù)演等，為水庫(kù)的安全運(yùn)行及防洪調(diào)度提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，輔助領(lǐng)導(dǎo)決策，做好水庫(kù)安全管理，保障水庫(kù)良性運(yùn)行。

（二）主要應(yīng)用技術(shù)

1. 5G+F5G構(gòu)建全省水利泛在感知網(wǎng)

山東數(shù)字水利整體架構(gòu)圖

通過(guò)5G+F5G構(gòu)建全省水利泛在感知網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)隔離不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，保障重要水利設(shè)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约胺€(wěn)定性。同時(shí)滿足視頻類數(shù)據(jù)、移動(dòng)辦公等應(yīng)用場(chǎng)景。

本文針對(duì)全省水利系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造擴(kuò)容升級(jí)，實(shí)現(xiàn)5G/F5G雙千兆到桌面網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)安全方面滿足三級(jí)等保要求，以確保全水庫(kù)雨水工情監(jiān)測(cè)信息的可靠穩(wěn)定傳輸。

2. 5G+北斗+InSAR遙感衛(wèi)星在項(xiàng)目中的應(yīng)用

本文中使用的GNSS RTK接收機(jī)采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，兼容GPS、GLONASS系統(tǒng)，支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）B1/B2/B3、 GPS L1/L2/L5 和GLONASS L1/L2三系統(tǒng)多頻道聯(lián)合定位服務(wù)。采用5G+北斗授時(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全省水庫(kù)授時(shí)精度達(dá)到10納秒的量級(jí)。

在水庫(kù)表面變形監(jiān)測(cè)方面，綜合運(yùn)用5G+北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗/GNSS）監(jiān)測(cè)和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）等技術(shù)，具有實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群高效精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的潛力。北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的能力，可在夜間、臺(tái)風(fēng)暴雨期間正常觀測(cè)，能夠 24 h 連續(xù)不間斷地獲取大壩變形監(jiān)測(cè)資料。

3. 5G+無(wú)人船、無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)空天地一體化應(yīng)用

水上水下一體化，全稱船載水上水下一體化三維移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，水上水下一體采集技術(shù)是近兩年剛開(kāi)始應(yīng)用的新型技術(shù)，為航道、庫(kù)區(qū)數(shù)據(jù)帶來(lái)了效率最高、精度最高、覆蓋面最廣、可擴(kuò)展性最強(qiáng)的解決方案。系統(tǒng)主要由三維激光掃描子系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)、影像采集子系統(tǒng)、導(dǎo)航定位定姿定向子系統(tǒng)、集成控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用子系統(tǒng)等組成。可以同時(shí)采集水底、水岸帶大地坐標(biāo)的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、水底地形數(shù)據(jù)，以及沿岸地帶的全景影像。這些精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以用于防洪防澇、水庫(kù)DEM、庫(kù)區(qū)容量計(jì)算、淤積狀況評(píng)估、水岸侵蝕調(diào)查、水利設(shè)施監(jiān)管、違章建筑監(jiān)管等領(lǐng)域。

4.水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)拼接顯示技術(shù)應(yīng)用

采用無(wú)人機(jī)及無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示可以有效指導(dǎo)作業(yè)人員隨時(shí)了解數(shù)據(jù)質(zhì)量，在多源數(shù)據(jù)測(cè)量顯得尤其重要。為了對(duì)水上及水下的地形進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量以及進(jìn)行三維場(chǎng)景的重建展示，數(shù)據(jù)采集與處理軟件實(shí)時(shí)接收三維激光掃描設(shè)備、多波束測(cè)深儀、定位定向分系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航分系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行點(diǎn)云歸位解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并將點(diǎn)云在三維空間中加以顯示，即涉及點(diǎn)云鑲嵌拼接技術(shù)。

采用5G+MEC+RTK技術(shù)確保了多波束測(cè)深儀和激光掃描設(shè)備能夠同時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行匹配拼接。無(wú)人艇載水陸一體化測(cè)量系統(tǒng)的出現(xiàn)及推廣，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式和船載水陸一體化測(cè)量系統(tǒng)的有效補(bǔ)充和智能升級(jí)，在地形復(fù)雜的水庫(kù)等人工難以施測(cè)的地方作用明顯，也可大大提高項(xiàng)目實(shí)施效率，節(jié)省工期。

5.水利模型平臺(tái)及流域仿真決策指揮平臺(tái)

結(jié)合5G+MEC邊緣計(jì)算技術(shù)，建設(shè)水文、水動(dòng)力、水工程調(diào)度和相關(guān)高性能算法、智能算法，為防洪聯(lián)合調(diào)度決策提供“算力”。開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生模型平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)報(bào)調(diào)度等水利專業(yè)模型、智能算法的統(tǒng)一管理；開(kāi)發(fā)現(xiàn)有洪水預(yù)報(bào)產(chǎn)品的精細(xì)化洪水預(yù)報(bào)模型，建立人工智能算法的洪水預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)在16個(gè)斷面的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)示范應(yīng)用；建立人工智能算法的防洪調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)大型水庫(kù)的智能防洪調(diào)度。

三、價(jià)值分析

（一）經(jīng)濟(jì)效益

在水庫(kù)治理方面，目前全國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)9.8萬(wàn)余座，小型水庫(kù)占95.3%——小型水庫(kù)數(shù)量眾多，而且50%以上無(wú)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)施，90%以上無(wú)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，隱患問(wèn)題嚴(yán)重。在國(guó)家“十四五”規(guī)劃中，針對(duì)小型水庫(kù)建設(shè)指出，要做到應(yīng)建盡建，實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)降水量、水庫(kù)水位、大壩滲流量、壓力、表面變形等數(shù)據(jù)、圖像或視頻的自動(dòng)采集報(bào)送、分析研判、預(yù)警發(fā)布。實(shí)現(xiàn)“人員不傷亡、水庫(kù)不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎(chǔ)設(shè)施不受沖擊”目標(biāo)，滿足十四五期間對(duì)小水庫(kù)安全運(yùn)行管理的需要。因此，每年建設(shè)任務(wù)巨大，總預(yù)算約120億（水利發(fā)展資金中安排中央補(bǔ)助資金），其中山東今年招標(biāo)額度達(dá)28億元，其他省也將有大規(guī)模的建設(shè)需求，市場(chǎng)需求巨大。

（二）社會(huì)效益

該項(xiàng)目的實(shí)施有效地保障了全省的用水安全，優(yōu)化了水資源，凈化了水環(huán)境，解決了原來(lái)病險(xiǎn)水庫(kù)數(shù)量多，安全監(jiān)測(cè)設(shè)施不全，局地極端暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高，山洪災(zāi)害預(yù)警精度不夠、防洪調(diào)度預(yù)演能力不足、模擬驗(yàn)算功能不強(qiáng)等問(wèn)題，契合了總書(shū)記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，為助力打造幸福山東、美麗山東提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。