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1、数字孪生赋能智慧水利北京元以论策科技有限公司 张海彬国家政策数字孪生智慧水利孪生流域将数据、模型、知识等资源及管理、表达、驱动这些资源的引擎组成数字化服务平台,提供在网络空间虚拟再现真实水利工程能力,为工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度等业务应用提供支撑。国家“十四五”规划纲要明确提出“构建智慧水利智慧水利体系:以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”。国家“十四五”新型基础设施建设规划明确提出“要推动大江大河大湖数字孪生数字孪生、智慧化模拟和智能业务应用建设”。1.1.公司简介公司简介2.2.核心优势核心优势3.3.孪生平台孪生平台4.4.业务应用业务应用公司简介公司简介公司简介北京元以
2、论策科技有限公司专注于数字孪生解决方案,以GIS、BIM、大数据和三维仿真技术为依托核心,拥有SkyScenery自主知识产权的三维空间信息平台,提供全面的行业应用。公司秉承智慧城市应用为王的理念,立志成为智慧城市践行者。国家高新技术企业,优秀智慧城市解决方案提供商,拥有多项软件著作权及产品认定证书。具有创新的理念、完善的客户服务和个性化的解决方案,持续为客户创造长期价值,论策天下科技坚持走可持续发展的自主知识产权自主知识产权产业道路!公司发展SkyScenery基础平台产品发展历程基础平台产品发展历程地上地下一体化、室内室外一体化、二维三维一体化公司产品属于SkyScenery Builde
3、r体系,是三维地形发布工具,生产TDF数据发布数据服务。具有高并发、分布式、集群部署能力,支持客户端通过连接数据服务编辑、查询数据源主要用途是数据整合、编辑、管理软 件,生 产 地 理 特 征 数 据 库(3DM)全国产全国产自主研发空间信息平台 SkyScenery,真正实现数字孪生价值3DGIS+BIM+5G+IOT SkyScenery由一系列软件组成:数据可视化、空间分析。创建、编辑、注记二、三维对象,丰富三维场景。实现路径、剖切、量测、日照、视域等分析应用。二次开发包,具有完善的二次开发接口支持。实景三维p实景三维(3D Real Scene):对人类生产、生活和生态空间进行真实、立
4、体、时序化反映和表达的数字虚拟空间p新型基础测绘标准化产品,国家新型基础设施建设的重要组成部分,为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。p实景三维通过在三维地理场景上承载结构化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的地理实体进行构建。按照表达内容通常分为地形级、城市级和部件级。信息模型pp利利 用用 三三 维维 地地 理理 信信 息息 和和BIMBIM(建建筑筑信信息息模模型型)技技术术,实实现现地地上上地地下下一一体体、室室内内室室外外一一体体化化的的管理管理pp可可广广泛泛应应用用与与城城市市建建筑筑、轨轨道道交交通通、综综合合管管线线、综综合合管管廊廊、工工厂厂等等全全生生命周
5、期的建设和管理。命周期的建设和管理。精细模型变变配配电电系系统统管线管廊孪生云平台核心优势核心优势技术优势数据数据框架框架算法算法引擎引擎具有领先的海海量量、多多元元数据处理技术;支持三维数据分布存储,不同数据存放在不同服务器,提升性能,突破单一文件系统和数据库的容量限制;支持多种数据库,可对接水利物联网感知数据框架合理、灵活框架合理、灵活;以数据层为底层支持;服务层为应用层支持,同时可提供对第三方发布服务能力;应用层为对外可视化系统,前端管理系统等,可适应不同情景支持多多样样算算法法,同时提供算法插件及算法服务,可通过插件集成以及服务接口调用多种形式使用算法分析。将多种复杂水力模型通过合理算
6、法整合到智慧水利平台,从而达到双向映射,实时计算,双向预演。Sky Scenery B端高效率引擎可以实现智慧水利从宏观到微观的精美建模精美建模和场景再现场景再现 专业优势经验丰富经验丰富:以智慧城市建设为出发点,参与多项智慧水务、智慧管网的数字孪生平台建设专业优势专专业业支支撑撑:专家团队为指挥大脑,打造包括水文与水资源调度管理平台、水利工程与水工结构全生命周期管理平台、数 字孪生流域多要素、全过程综合管理平台孪生平台孪生平台总体架构业务应用业务应用流域防洪流域防洪水资源管理与调配水资源管理与调配N项业务项业务网网络络安安全全体体系系数数字字孪孪生生流流域域数数字字孪孪生生平平台台模模型型平
7、平台台 水利水利专业模型专业模型智能智能模型模型可视化可视化 模型模型数字模拟仿真引擎数字模拟仿真引擎知知识识平平台台知识知识图谱图谱预报调预报调度方案度方案历史场历史场景模式景模式业务业务规则规则专家专家经验经验水利知识引擎水利知识引擎数数据据底底板板数据汇聚数据汇聚数据治理数据治理数据服务数据服务多维多时空尺度数据模型多维多时空尺度数据模型数据资源池数据资源池信息基础设施信息基础设施水利感知网水利感知网水利信息网水利信息网水利云水利云物理流域物理流域江河湖泊江河湖泊水利工程水利工程治理管理活动对象治理管理活动对象影响区域影响区域保保障障体体系系架构关系业务流程化业务流程化管理精细化管理精细
8、化数据标准化数据标准化“知识平台知识平台”为数字孪生为数字孪生流域提供智能内核流域提供智能内核“数据底板数据底板”实现多项基实现多项基础数据汇聚融合础数据汇聚融合“模型平台模型平台”实现实现智慧化模智慧化模拟拟与与模拟仿真模拟仿真全面提升全面提升智慧水利智慧水利综合管控能力综合管控能力数字孪生平台为数字孪生流域提供“算据算据”和“算法算法”支撑与服务,主要由数据底板数据底板、模型平台模型平台、知识平台知识平台等构成。数据底板建设社会经济土地利用生态环保气象数据跨行业数据.流域防洪应用数据水资源管理与调配应用数据水利工程建设数据河湖长制及河湖管理数据.跨行跨行业共享数据共享数据监测数据数据p建设
9、覆盖全国的一级数据底板,汇聚流域和水利建设成果,满足整体形势分析、大区域情况研判以及分布式坡面产流、河网区汇流模型等需 要,形成全国统一的时空基准。源基础数据基础数据地理空地理空间数据数据业务管理数据管理数据河流湖泊水库堤坝水文地质蓄滞洪区.水情、雨情、工情水质、泥沙、灾情地下水位、取用水墒情水利工程安全运行监测视频、网络舆情.地形地貌土地覆盖遥感影像水利专题.数据治理p对汇集后的多源数据进行统一、规范管理,提升数据的规范性、可用性,避免数据冗余、重复和不一致。建设水利数据标准,支撑水利数据建设和数据资产高效管理。通数据标准编制数据血缘关系建立数据质量评价体系构建数据开发管理数据安全管理模型平
10、台水文水文水文水文水水文文模模型型建建立立重重要要子子流流域域单单元元的的划划分分应应与与雨雨量量站站、水水位位流流量量监监测测站站建建立立关关系系,提提供供集集合合预预报报成成果果,共共享享预预报报成成果果水环境水环境水环境水环境水水力力学学模模型型比比照照原原型型设设计计制制造造实实物物模模型型,用用来来观观测测水水流流运运动动现现象象和和规规律律水力学水力学水力学水力学泥沙动力学泥沙动力学泥沙动力学泥沙动力学水土保持水土保持水土保持水土保持水资源水资源水资源水资源水利工程安全水利工程安全水利工程安全水利工程安全水环境模拟以完整的水环境模拟以完整的分布式计算、存储和分布式计算、存储和分析链
11、为技术支撑,分析链为技术支撑,以物理模型或代理模以物理模型或代理模型为核心,结合目标型为核心,结合目标优化算法,解决优化优化算法,解决优化调控类科学决策问题调控类科学决策问题水资源模型:建立水资源模型:建立数学模型,计算水数学模型,计算水存储、调动、污水存储、调动、污水处理和节水四种方处理和节水四种方式弥补供需水总缺式弥补供需水总缺口所需要的成本和口所需要的成本和其可能带来的效益其可能带来的效益。水土保持模型为收水土保持模型为收集和处理水土保持集和处理水土保持措施的评估数据提措施的评估数据提供了有效途径,为供了有效途径,为农业非点源侵蚀模农业非点源侵蚀模型数据自动生成方型数据自动生成方法。法。
12、泥泥沙沙动动力力学学模模型型:分分解解为为坡坡面面产产流流产产沙沙、沟沟坡坡区区重重力力侵侵蚀蚀等等不不同同子子过过程程,分分别别建建立立相相应应的的动动力力学学模模型型,并并以以数数字字流流域域为为平平台台进行集成。进行集成。水利工程安全模型:水利工程安全模型:对水利工程进行有对水利工程进行有效保护,合理配置效保护,合理配置资源起到促进作用,资源起到促进作用,最终将为社会经济最终将为社会经济和社会的可持续发和社会的可持续发展提供有力支持。展提供有力支持。p专业人士提供专业建议专业建议,将水利专业模型通过语音识别、视频识别、遥感识别在数字孪生平台建立智能化、可视化模型,从而实现物理实体-孪生模
13、型的双向映射双向映射,实现流域的实时监测、及时管理数字仿真引擎模型管理模型管理对对水水利利模模型型库库系系统统功功能能模模块块和和数数据据文文件件进进行行管管理理。在在功功能能模模型型方方面面,除除了了模模型型的的查查询询、增增加加、删删除除和和修修改改,还还包包括括了了模模型型的的调调试试和和组组合合。在在数数据据文文件件方方面面,定定义义了了单单一一模模块块文文件件、组组合合模模块块文文件件、和用户分类信息文件。和用户分类信息文件。场景配置场景配置场场景景管管理理主主要要包包括括场场景景选选取取、场场景景切切换换、场场景景加加载载等等配配置置功功能能,可可根根据据不不同同大大小小范范围围的
14、的流流域域、城城市市、工工程程区区域域等等场场景景需需求求进进行行选选取取,支支持持多多个个场场景景切切换换,场场景景管管理理也也支支持持在在场场景景中中配配置置和和管管理理物物理模型。理模型。仿真设计仿真设计仿仿真真设设计计通通过过驱驱动动水水利利虚虚拟拟对对象象的的系系统统化化运运转转,结结合合静静态态数数据据和和动动态态数数据据,通通过过耦耦合合场场景景和和模模型型进进行行物物理理驱驱动动、实实时时渲渲染染、动动态态视视觉觉特特效效等等,进进而而精精准准、快快速速表表达达水水利利专专业业模模型型和和智智能能模模型型的的结结果。果。知识平台水利对象、关系及其属性;社会经济对象及其属性;不同
15、水利系统关系及属性知识图谱各级水文站降雨-洪水场景模式、重要江河及其支流降雨-洪水-调度方案场景模式,调沙调度方案场景模式,水资源需求调度方案场景模式,水环境/水生态需求调度方案场景模式历史场景模式水利部职责范围内洪水预报方案、调度方案;流域水文手册的结构化处理;流域水资源管理与调配规则库;降雨-洪水-影响人口-经济损失关系业务规则知识表示与融合模型;水利结构化数据的知识抽取模型;半结构化数据的知识抽取模型非结构化数据的知识的抽取模型;事理推演;智能推理算法;关联关系挖掘与分析算法水利知识引擎大江大河历史大洪水、旱灾、防洪专家经验;不同流域产汇流特性和洪水演进规律流域产汇流分区域特性和洪水演进
16、规律;辖区流域防洪及调度经验专家经验建设难点webweb引擎基于引擎基于cesiumcesium引擎优化改造,添加多种空间量测分析功能,从底层入手优化渲染效率,提高引擎优化改造,添加多种空间量测分析功能,从底层入手优化渲染效率,提高WebGLWebGL资源复用,支资源复用,支撑多维度模型渲染,保证帧率与质量。撑多维度模型渲染,保证帧率与质量。能够承载大范围内三维模型加载,添加多种特效模式,提高用户视觉效果与前端展示效果。能够承载大范围内三维模型加载,添加多种特效模式,提高用户视觉效果与前端展示效果。cesium API兼容兼容渲染优化渲染优化模型加载模型加载三维模型三维模型GIS空间分析空间分
17、析动画特效动画特效web二开引擎二开引擎业务应用业务应用流域防洪预报预警预演预案重要断面大型水库中小水库重要断面洪水预报洪水预报洪水预报洪水预报山区农村城市农村城镇洪水预报洪水预报农村气象预报气象预报洪水预报山洪预警中小水库预警不同来水条件和调度方案下的淹没范围更新完善预案库方案一方案一方案二方案二方案三方案三气象预报预演一预演二预演三筛选筛选比对比对 调整调整决策决策预演一预案一预演二预案二预演三预案三山洪预报多模式气象产品分析与评估多模式气象产品分析与评估为各模式分配权重系数,形成变为各模式分配权重系数,形成变权集成产品权集成产品根据雨型、落地雨推荐最优模式根据雨型、落地雨推荐最优模式气象
18、局定期推送电子文档气象局定期推送电子文档没有针对具体流域没有针对具体流域缺少精度与误差分析缺少精度与误差分析雷达测雨未很好率定且实雷达测雨未很好率定且实时性差,无法全覆盖时性差,无法全覆盖气象信息利用现状多模式气象产品评估与释用,建立流域多模式气象产品评估与释用,建立流域/水库定制化服务,推荐最后气象预报方案水库定制化服务,推荐最后气象预报方案实时、短临、短期、中期数值预报产品实时、短临、短期、中期数值预报产品推送水库预报降雨过程信息与洪水预报推送水库预报降雨过程信息与洪水预报模块进行耦合模块进行耦合结合流域历史资料,分析精度,给出推结合流域历史资料,分析精度,给出推荐方案荐方案n多源数据汇集
19、、处理多源数据汇集、处理n多模式降雨产品评估多模式降雨产品评估n流域流域/水库定制化服务水库定制化服务GFSGFS(美国)(美国)ECMWFECMWF(欧洲)(欧洲)GSMGSM(日本)(日本)GRAPESGRAPES(中国)(中国)山洪预警20202020年年8 8月月1313日日5 5个雨量站个雨量站3H3H累计雨量累计雨量雨量站雨量站降雨降雨传统预警状传统预警状态态一次校一次校正正二次校二次校正正预警状态预警状态高峰堡高峰堡8080立即转移立即转移6464无无准备转移准备转移白台子白台子59.559.5准备转移准备转移47.647.651.9851.98安全安全凌海凌海63.163.1准
20、备转移准备转移50.4850.4853.5553.55安全安全石山石山5454安全安全43.243.247.1747.17安全安全谢屯谢屯48.548.5安全安全38.838.841.1441.14安全安全有效减少空报有效减少空报2121次,预警空报率降低次,预警空报率降低42%42%一次校正一次校正二次校正二次校正土壤含水量蓄满状态土壤含水量蓄满状态保守,易进入预警状态未考虑上游影响未考虑上游影响分析上下游、左右岸的灾害传递关系及累积效应,实现多信息联合预警分析上下游、左右岸的灾害传递关系及累积效应,实现多信息联合预警根据前期雨量调整根据前期雨量调整实用技术:山洪动态临界实用技术:山洪动态临
21、界雨量雨量预警方法预警方法静态静态上游降水可能增加下游预警等级考虑上下游拓扑关系考虑上下游拓扑关系符合客观现实忽视潜在风险n辽宁省凌海市防洪预报预警实例辽宁省凌海市防洪预报预警实例动态动态山洪预演缺乏动态淹没分析,洪水风险无法准确把握缺乏动态淹没分析,洪水风险无法准确把握预演特点预演特点淹没水淹没水深深到达时到达时间间淹没历淹没历时时演进模拟演进模拟以预报信息、实时水情作为洪水量级、控制以预报信息、实时水情作为洪水量级、控制泄量的判别标准,利用预报降雨和洪水信息泄量的判别标准,利用预报降雨和洪水信息制定预蓄预泄调度方案合集制定预蓄预泄调度方案合集预报调度预报调度数字孪生数字孪生“多尺度多尺度-
22、分布式分布式-多层次多层次”全面多维精全面多维精细刻画及动态模拟流域全景过程的模型细刻画及动态模拟流域全景过程的模型系统,对流域数字化管理系统,对流域数字化管理不同来水条件不同来水条件多种调度方案多种调度方案预演模拟的载体预演模拟的载体淹没过程动态展示淹没过程动态展示提升风险评估可靠性提升风险评估可靠性预演模拟的输入预演模拟的输入预报调度预报调度数字孪生数字孪生洪水淹没洪水淹没模拟预演模拟预演应急预案总体总体预案预案库库实时实时预演预演修正、更新修正、更新动态动态预案预案集集实时预案一实时预案一实时预案二实时预案二实时预案三实时预案三实时预案四实时预案四筛选、比对筛选、比对调整、生成调整、生成
23、江河洪水江河洪水城市内涝城市内涝山区洪水山区洪水水库堤防水库堤防洪水防御预案洪水防御预案城市防涝预案城市防涝预案山洪灾害防御预案山洪灾害防御预案水库防洪应急预案水库防洪应急预案河道防洪抢险预案河道防洪抢险预案预演结果一预演结果一预演结果二预演结果二人工指定结果人工指定结果实时洪水风险图实时洪水风险图洪水风险损失评估洪水风险损失评估水工程优化调度水工程优化调度水资源管理一张图展现全市河流治理情况一张图展现全市河流治理情况河流水质类别地图标注全市河流水质排名巡河完成率考核巡河事件类型比例事件处理完成率月份事件处理统计水资源调配3D3D呈现呈现微信手机端微信手机端水资源调度是在饮用水源地、取用水户、供排水管网、地下水超采区等监控取水排口水质、水位、流量、闸坝坝前坝后的水位、流量、水质、视频等等监测数据,实现水源、取水、供水、用水、排水全过程管理,调度管理机构的相互协商。并可通过三维建模实现对闸坝控制的虚拟现实交互虚拟现实交互,模拟取水、排水实时过程排水实时过程。未来展望一屏掌控提升管理运作效率降低运营管理成本横向跨设备汇聚纵向跨系统融合数据模型核心数据孪生底座大数据分析水利知识驱动物联感知监测数字数字赋能赋能自主可控的一站式数字孪生平台服务商