基于數(shù)字孿生的城市防洪排澇智能決策平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚志武 管林杰

摘要：傳統(tǒng)的城市防洪減災(zāi)手段已難以應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的氣候變化和快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化，根據(jù)防洪減災(zāi)、水資源調(diào)度、水利工程監(jiān)控特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)、信息處理與多媒體技術(shù)等新一代信息技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套城市防洪排澇智能決策平臺(tái)，大大地提高了預(yù)警搶險(xiǎn)的機(jī)動(dòng)性和時(shí)效性，可為水利主管部門(mén)分析決策、綜合調(diào)度、科學(xué)指揮提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：城市防洪排澇; 智能決策; 數(shù)字孿生; 物聯(lián)網(wǎng); GIS

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU998.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.018

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）05 - 0099 - 05

0 引 言

南昌市位于江西省的中北部，地處贛江下游、鄱陽(yáng)湖湖濱地區(qū)，夏、秋季節(jié)出現(xiàn)的連續(xù)性大雨和暴雨是造成地區(qū)洪澇水患的主要原因[1]。目前，南昌市四大防洪排澇管理處（贛東大堤城區(qū)防洪排澇工程管理處、昌南城市防洪工程管理處、昌北防洪排澇工程管理處、南隔堤堤防工程管理處）已初步完成閘泵的現(xiàn)地操作，實(shí)現(xiàn)了閘泵運(yùn)行信息的測(cè)量與監(jiān)視。然而城市的湖泊、河道、大小排水渠道通過(guò)閘門(mén)、泵站的連接構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的水網(wǎng)，每個(gè)閘門(mén)啟閉引起的水位、流量變化都會(huì)經(jīng)過(guò)渠道洪水的傳播影響到其他閘門(mén)的運(yùn)行，因此任意閘門(mén)的運(yùn)行調(diào)度都不是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算決策過(guò)程，而是需要從水系整體出發(fā)，考慮不同閘門(mén)之間的相互聯(lián)系、相互影響作用[2-3]。

針對(duì)四大防洪管理處信息分散、各自調(diào)度等特點(diǎn)，本文基于數(shù)字孿生，利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)、信息處理與多媒體技術(shù)等新一代信息技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套城市防洪排澇智能決策平臺(tái)，通過(guò)對(duì)整個(gè)河網(wǎng)水系在洪水過(guò)程中的優(yōu)化分配，充分發(fā)揮現(xiàn)有渠道的行洪能力、槽蓄作用，提高了水系的排澇水量和防洪能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的防洪作用和排澇效果整體最優(yōu)[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

城市防洪排澇智能決策平臺(tái)體系架構(gòu)分5層，自下而上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺(tái)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶(hù)層，如圖1所示。

（1） 基礎(chǔ)設(shè)施層。作為前端數(shù)據(jù)采集和平臺(tái)運(yùn)行的支撐，前者為各類(lèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集設(shè)備，包括水位計(jì)、流量計(jì)、閘泵信息、視頻資源等;后者為服務(wù)器和存儲(chǔ)資源池組成，包括計(jì)算與存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及通信等。

（2） 數(shù)據(jù)資源層。作為平臺(tái)運(yùn)行的血液，為智能決策平臺(tái)提供數(shù)據(jù)資源，主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

（3） 平臺(tái)服務(wù)層。在數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)、GIS平臺(tái)和云計(jì)算平臺(tái)支撐下，建立統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)防洪排澇多時(shí)序空間數(shù)據(jù)的管理、分析及可視化呈現(xiàn)，為應(yīng)用層提供地理信息服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、框架服務(wù)、前端組件服務(wù)及運(yùn)行類(lèi)服務(wù)等[5]。

（4） 業(yè)務(wù)應(yīng)用層。作為智能決策平臺(tái)建設(shè)的核心，是支撐防洪日常管理和排澇智能調(diào)度的數(shù)字化、一體化和可視化管理平臺(tái)，具體涵蓋水雨情監(jiān)測(cè)、水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理、氣象信息管理、閘泵調(diào)度、視頻管理、發(fā)文管理、值班管理和系統(tǒng)管理。

（5） 用戶(hù)層。平臺(tái)的主要用戶(hù)包括管理處業(yè)務(wù)人員、上級(jí)管理部門(mén)、技術(shù)支撐單位和社會(huì)公眾。其中，上級(jí)管理部門(mén)指水利局水旱災(zāi)害防御科業(yè)務(wù)人員，通過(guò)分析四大管理處回傳的實(shí)時(shí)信息，對(duì)整體防洪排澇部署進(jìn)行統(tǒng)籌管理、綜合調(diào)度，同時(shí)指導(dǎo)并監(jiān)督管理處工作人員日常工作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南昌市防洪排澇智能決策平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)層次：① 四大防汛管理處與水利局信息中心互聯(lián)的骨干網(wǎng)絡(luò);② 各個(gè)管理處內(nèi)部水位計(jì)、流量計(jì)、視頻監(jiān)控設(shè)備等物聯(lián)設(shè)備與管理處信息中心構(gòu)建的局域網(wǎng)絡(luò)。骨干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量大，對(duì)數(shù)據(jù)通信會(huì)產(chǎn)生全局性的影響，要求相對(duì)較高[6]。通信網(wǎng)絡(luò)從功能上分為視頻數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和管控?cái)?shù)據(jù)通信網(wǎng)，其中視頻數(shù)據(jù)通信網(wǎng)用于傳輸視頻監(jiān)視系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)，管控?cái)?shù)據(jù)通信網(wǎng)用于滿(mǎn)足泵站監(jiān)控及閘泵運(yùn)行監(jiān)視的需求[7]。

1.2.1 骨干網(wǎng)絡(luò)

平臺(tái)骨干網(wǎng)絡(luò)將四大防洪排澇管理處的信息中心局域網(wǎng)統(tǒng)一連接到水利局信息中心。骨干網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)選用單模光纖，通過(guò)水利專(zhuān)網(wǎng)方式進(jìn)行聯(lián)通[8]。綜合考慮業(yè)務(wù)需求和安全性問(wèn)題，各個(gè)管理處閘泵遠(yuǎn)程控制權(quán)限不對(duì)水利局信息中心開(kāi)放，僅提供各類(lèi)物聯(lián)信息的統(tǒng)一集成。

1.2.2 管理處局域網(wǎng)

各個(gè)管理處信息中心采用TCP/IP以太網(wǎng)，是其所管理電排站、水閘、視頻監(jiān)控等設(shè)備信息的匯聚點(diǎn)。昌南管理處的網(wǎng)絡(luò)分辦公區(qū)和管理信息區(qū)，其中辦公區(qū)通過(guò)核心交換機(jī)與各電排站的辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，各電排站閘泵自控信息和視頻監(jiān)控信息分別連到管理處的計(jì)算機(jī)監(jiān)控服務(wù)器和視頻監(jiān)控服務(wù)器，并通過(guò)網(wǎng)閘進(jìn)行隔離，從而使外部攻擊者無(wú)法直接入侵、攻擊或破壞閘泵遠(yuǎn)控系統(tǒng)。此外，日常辦公網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)和水利專(zhuān)網(wǎng)連接，在連接之前加設(shè)了防火墻。圖2是昌南城市防洪工程管理處局域網(wǎng)架構(gòu)圖。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)城市防洪排澇智能決策的基礎(chǔ)，通過(guò)透徹感知，全方位、全對(duì)象、全指標(biāo)的監(jiān)測(cè)手段，提供城市防洪排澇主要特征指標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)的環(huán)境、水文、氣象等多種類(lèi)精細(xì)化的數(shù)據(jù)[9]。

該平臺(tái)通過(guò)整合雨情、水情、工情等防汛排澇關(guān)鍵信息，融合南昌市氣象局預(yù)報(bào)內(nèi)容及水文系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)地理信息系統(tǒng)“一張圖”，以多種數(shù)據(jù)可視化方法匯集綜合展示雨水情、氣象、山洪災(zāi)害、防洪工程、防汛值班等相關(guān)信息，并對(duì)其進(jìn)行全面分析處理，為防汛排澇風(fēng)險(xiǎn)研判及決策提供了直觀(guān)高效的分析與管理平臺(tái)，為日常防汛排澇管理工作提供相關(guān)便利。智能決策信息平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)組成如圖3所示。

防洪排澇平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源分四大類(lèi)：

（1） 基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)（涉及水系、道路、高清影像、數(shù)字高程模型等）、水利工程信息、預(yù)報(bào)模型數(shù)據(jù)和調(diào)度方案數(shù)據(jù)等。

（2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要指各閘泵、水位計(jì)、流量計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，其中閘泵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息包括閘門(mén)開(kāi)度情況、泵站開(kāi)啟狀態(tài)等。

（3） 水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)。包括水情信息、雨情信息、氣象信息等。水情信息包括水文站分布和各站點(diǎn)水位、流量過(guò)程等;雨情信息包括雨量站分布和各站點(diǎn)雨量監(jiān)測(cè)信息;氣象信息包括區(qū)域的雨量、氣溫、濕度、風(fēng)速等。

（4） 視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。涵蓋各個(gè)水閘的閘前閘后視頻信息、重要水域斷面視頻信息、城區(qū)易澇區(qū)域視頻信息等。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)充分結(jié)合地理信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用B/S架構(gòu)，通過(guò)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)上展示和訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。后端開(kāi)發(fā)采用目前主流的SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架，前端開(kāi)發(fā)采用vue.js（一套構(gòu)建用戶(hù)界面的漸進(jìn)式框架），地圖展示使用openlayer技術(shù)方案，數(shù)據(jù)管理與地圖服務(wù)發(fā)布使用Oracle和ArcGIS Server平臺(tái)[10]。平臺(tái)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了水雨情監(jiān)測(cè)、閘泵調(diào)度、視頻監(jiān)控、發(fā)文管理、值班管理等模塊。

2.1 水雨情監(jiān)測(cè)

本模塊通過(guò)集成雨量站、水文站等設(shè)備采集的實(shí)時(shí)氣象和水雨情數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各測(cè)站是否超警戒、超歷史、超保證、超設(shè)計(jì)等指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各站點(diǎn)周邊的汛情，并通過(guò)地圖方式直觀(guān)地展示預(yù)警站點(diǎn)。

同時(shí)，平臺(tái)也融合了已有氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入天氣預(yù)報(bào)、氣溫、降水量、風(fēng)力風(fēng)向、空氣質(zhì)量、相對(duì)濕度、衛(wèi)星云圖等多個(gè)氣象要素，融合多日氣象預(yù)報(bào)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警可能的暴雨和少雨警報(bào)，支持用戶(hù)對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行搜索查詢(xún)、分類(lèi)統(tǒng)計(jì)、詳情查看、地圖操作、衛(wèi)星云圖滾動(dòng)播放、氣象預(yù)報(bào)報(bào)表生成與下載等。

2.2 閘泵調(diào)度

本模塊通過(guò)集成南昌市水利局4個(gè)防洪排澇工程管理處構(gòu)建的水文站、視頻站、工情監(jiān)測(cè)設(shè)備、工情自動(dòng)化啟閉設(shè)備等設(shè)備采集的實(shí)時(shí)工情、氣象和水雨情數(shù)據(jù)，融合所在區(qū)域氣象數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)等，運(yùn)用系統(tǒng)分析理論，構(gòu)建防汛排澇優(yōu)化調(diào)度模型，將河道、湖泊、水閘、泵站進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)調(diào)度期內(nèi)澇水的合理調(diào)配和調(diào)度，為南昌市城市防洪排澇調(diào)度方案的制定和防洪決策支持提供參考。

2.3 視頻監(jiān)控

本模塊針對(duì)全市重點(diǎn)監(jiān)控水庫(kù)、重點(diǎn)堤防、城區(qū)易澇點(diǎn)、管理處閘泵、重要水域斷面等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的布設(shè)與信息集成。平臺(tái)通過(guò)地圖展示的方式，將各類(lèi)監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)際地理位置關(guān)聯(lián)疊加在電子地圖上。用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊攝像頭圖標(biāo)進(jìn)行詳情查看、視頻監(jiān)控查看和操作。

考慮到水庫(kù)、堤防、重要水域斷面等位置周邊網(wǎng)絡(luò)及信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，部分?jǐn)z像頭采用WIFI/4G等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式。

2.4 發(fā)文管理

本模塊通過(guò)融合電子政務(wù)公共管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)縣區(qū)水利部門(mén)、水旱災(zāi)害防御科室及局屬各單位進(jìn)行信息化統(tǒng)一發(fā)文管理，并對(duì)收發(fā)文執(zhí)行情況進(jìn)行記錄和歸檔。

平臺(tái)支持水利局工作人員將收到的防洪排澇公文通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)對(duì)指定單位或工作人員進(jìn)行發(fā)送，并記錄管理相應(yīng)收件人當(dāng)前收文狀態(tài)。同時(shí)，作為接收各類(lèi)防洪排澇文件的總?cè)肟冢瑢?duì)已收和未收文件進(jìn)行信息化管理，并對(duì)收文人員進(jìn)行收文提醒。

2.5 值班管理

本模塊將現(xiàn)有值班管理進(jìn)行電子化，值班管理人員可在電腦端或移動(dòng)端對(duì)當(dāng)前防汛值班進(jìn)行編排，設(shè)置打卡時(shí)間、地點(diǎn)，指定打卡人員，對(duì)打卡地點(diǎn)及打卡區(qū)域大小進(jìn)行配置，形成的值班表可根據(jù)參與人員進(jìn)行發(fā)布、查看、修改、刪除、報(bào)表生成與下載等功能。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于NB-IoT的信息集成

NB-IoT是一種基于蜂窩通信3G/4G演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，在城市防洪領(lǐng)域可以快速、安全、低成本地實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)終端的信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)程操作，以提高遙測(cè)終端的網(wǎng)絡(luò)接入率，并實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)管理[11]。

平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（水位計(jì)、流量計(jì)等）和監(jiān)測(cè)中心接收處理設(shè)備兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括傳感器、RTU終端控制器、DTU通訊設(shè)備、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等，其中RTU用于采集、存儲(chǔ)和處理計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù)，DTU通訊設(shè)備用于將RTU采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/NB-IoT無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)接收服務(wù)器[12]，如圖4所示。

3.2數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的閘泵調(diào)度優(yōu)化

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程[13]。

防汛排澇業(yè)務(wù)中，管理處所管理的泵站、泄洪閘具有極其重要的作用。傳統(tǒng)的閘泵調(diào)度方案一般是應(yīng)對(duì)已經(jīng)發(fā)生的問(wèn)題，結(jié)合已有調(diào)度經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，這樣不僅會(huì)降低決策方案的科學(xué)性，并且具有滯后性。通過(guò)監(jiān)測(cè)各泄洪閘前水位實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，并充分參考學(xué)習(xí)以往泄洪調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)前水位信息、降水等因素，預(yù)測(cè)下一階段水位變化趨勢(shì)，為快速制定防洪排澇調(diào)度方案提供技術(shù)支撐[14]?；跀?shù)字孿生的閘泵調(diào)度框架如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方式城市防洪排澇方法的不足，南昌市基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了城市防洪排澇智能決策平臺(tái)，建立了基于數(shù)字孿生的智能預(yù)測(cè)方法和可視化管理方法。通過(guò)建立“感知-預(yù)測(cè)-行動(dòng)”的方案體系，將傳統(tǒng)“事情發(fā)生-解決問(wèn)題”的思路轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)測(cè)事情發(fā)生-提供問(wèn)題解決方案”，為南昌市水利局科學(xué)、合理進(jìn)行防洪排澇調(diào)度提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也為防汛排澇風(fēng)險(xiǎn)研判及決策提供了直觀(guān)高效的分析與管理平臺(tái)，為防汛排澇管理工作提供便利。

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（編輯：李 晗）

Design of intelligent decision platform for urban flood control and drainage based on digital twin

YAO Zhiwu1，2 ， GUAN Linjie1，2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. ， Ltd. ， Wuhan 430010， China; 2.Changjiang Space Information

Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract：Traditional urban flood prevention and disaster mitigation methods relying on man-power are difficult to cope with the increasingly complex climate change and the rapid development of urbanization. According to the characteristics of flood prevention and disaster reduction， water resources dispatching， water conservancy project monitoring， and based on the digital twin and combining the Internet of Things， GIS technology， information processing and multimedia technology and other new-generation information technologies， an Intelligent Decision Platform for Urban Flood Control and Drainage was designed and developed， which can greatly improve the mobility and timeliness of early warning and emergency rescue， and provide technical support for the analysis and decision-making， comprehensive dispatch and scientific command of the water conservancy authorities.

Key words： urban flood control and drainage; intelligent decision; digital twin; Internet of Things; GIS

收稿日期：2021-09-22

基金項(xiàng)目：湖北省技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)基金重大項(xiàng)目（2019ACA159）

作者簡(jiǎn)介：姚志武，男，注冊(cè)測(cè)繪師，碩士，主要從事GIS軟件開(kāi)發(fā)與水利信息化工作。E-mail：292836274@qq.com