基于數字孿生的城市防洪排澇智能決策平臺設計

姚志武 管林杰

摘要：傳統的城市防洪減災手段已難以應對越來越復雜的氣候變化和快速發展的城鎮化，根據防洪減災、水資源調度、水利工程監控特點，基于數字孿生，結合物聯網、GIS技術、信息處理與多媒體技術等新一代信息技術，設計并開發了一套城市防洪排澇智能決策平臺，大大地提高了預警搶險的機動性和時效性，可為水利主管部門分析決策、綜合調度、科學指揮提供技術保障。

關鍵詞：城市防洪排澇; 智能決策; 數字孿生; 物聯網; GIS

中圖法分類號：TU998.4文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.018

文章編號：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、鄱陽湖湖濱地區，夏、秋季節出現的連續性大雨和暴雨是造成地區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地操作，實現了閘泵運行信息的測量與監視。然而城市的湖泊、河道、大小排水渠道通過閘門、泵站的連接構成了一個復雜的水網，每個閘門啟閉引起的水位、流量變化都會經過渠道洪水的傳播影響到其他閘門的運行，因此任意閘門的運行調度都不是一個獨立的計算決策過程，而是需要從水系整體出發，考慮不同閘門之間的相互聯系、相互影響作用[2-3]。

針對四大防洪管理處信息分散、各自調度等特點，本文基于數字孿生，利用物聯網、GIS技術、信息處理與多媒體技術等新一代信息技術，設計并開發了一套城市防洪排澇智能決策平臺，通過對整個河網水系在洪水過程中的優化分配，充分發揮現有渠道的行洪能力、槽蓄作用，提高了水系的排澇水量和防洪能力，實現了系統的防洪作用和排澇效果整體最優[4]。

1 系統總體設計

1.1 總體架構設計

城市防洪排澇智能決策平臺體系架構分5層，自下而上依次為基礎設施層、數據資源層、平臺服務層、業務應用層和用戶層，如圖1所示。

（1） 基礎設施層。作為前端數據采集和平臺運行的支撐，前者為各類數據監測與采集設備，包括水位計、流量計、閘泵信息、視頻資源等;后者為服務器和存儲資源池組成，包括計算與存儲、網絡及通信等。

（2） 數據資源層。作為平臺運行的血液，為智能決策平臺提供數據資源，主要包括基礎信息數據庫、實時監測數據庫、水雨情數據庫和視頻監控數據庫。

（3） 平臺服務層。在數據庫管理平臺、數據共享交換平臺、GIS平臺和云計算平臺支撐下，建立統一的服務平臺，實現對防洪排澇多時序空間數據的管理、分析及可視化呈現，為應用層提供地理信息服務、實時數據服務、框架服務、前端組件服務及運行類服務等[5]。

（4） 業務應用層。作為智能決策平臺建設的核心，是支撐防洪日常管理和排澇智能調度的數字化、一體化和可視化管理平臺，具體涵蓋水雨情監測、水庫監測管理、氣象信息管理、閘泵調度、視頻管理、發文管理、值班管理和系統管理。

（5） 用戶層。平臺的主要用戶包括管理處業務人員、上級管理部門、技術支撐單位和社會公眾。其中，上級管理部門指水利局水旱災害防御科業務人員，通過分析四大管理處回傳的實時信息，對整體防洪排澇部署進行統籌管理、綜合調度，同時指導并監督管理處工作人員日常工作。

1.2 網絡結構設計

南昌市防洪排澇智能決策平臺的網絡結構包括兩個層次：① 四大防汛管理處與水利局信息中心互聯的骨干網絡;② 各個管理處內部水位計、流量計、視頻監控設備等物聯設備與管理處信息中心構建的局域網絡。骨干網絡數據通信量大，對數據通信會產生全局性的影響，要求相對較高[6]。通信網絡從功能上分為視頻數據通信網和管控數據通信網，其中視頻數據通信網用于傳輸視頻監視系統的視頻數據，管控數據通信網用于滿足泵站監控及閘泵運行監視的需求[7]。

1.2.1 骨干網絡

平臺骨干網絡將四大防洪排澇管理處的信息中心局域網統一連接到水利局信息中心。骨干網絡采用星型結構，網絡介質選用單模光纖，通過水利專網方式進行聯通[8]。綜合考慮業務需求和安全性問題，各個管理處閘泵遠程控制權限不對水利局信息中心開放，僅提供各類物聯信息的統一集成。

1.2.2 管理處局域網

各個管理處信息中心采用TCP/IP以太網，是其所管理電排站、水閘、視頻監控等設備信息的匯聚點。昌南管理處的網絡分辦公區和管理信息區，其中辦公區通過核心交換機與各電排站的辦公網絡進行連接，各電排站閘泵自控信息和視頻監控信息分別連到管理處的計算機監控服務器和視頻監控服務器，并通過網閘進行隔離，從而使外部攻擊者無法直接入侵、攻擊或破壞閘泵遠控系統。此外，日常辦公網絡與互聯網和水利專網連接，在連接之前加設了防火墻。圖2是昌南城市防洪工程管理處局域網架構圖。

1.3 數據庫設計

數據是實現城市防洪排澇智能決策的基礎，通過透徹感知，全方位、全對象、全指標的監測手段，提供城市防洪排澇主要特征指標數據和相關的環境、水文、氣象等多種類精細化的數據[9]。

該平臺通過整合雨情、水情、工情等防汛排澇關鍵信息，融合南昌市氣象局預報內容及水文系統等相關數據，通過地理信息系統“一張圖”，以多種數據可視化方法匯集綜合展示雨水情、氣象、山洪災害、防洪工程、防汛值班等相關信息，并對其進行全面分析處理，為防汛排澇風險研判及決策提供了直觀高效的分析與管理平臺，為日常防汛排澇管理工作提供相關便利。智能決策信息平臺數據庫組成如圖3所示。

防洪排澇平臺數據庫的數據源分四大類：

（1） 基礎信息數據庫。包括基礎空間數據（涉及水系、道路、高清影像、數字高程模型等）、水利工程信息、預報模型數據和調度方案數據等。

（2） 實時監測數據庫。主要指各閘泵、水位計、流量計的實時監測信息，其中閘泵實時監測信息包括閘門開度情況、泵站開啟狀態等。

（3） 水雨情數據庫。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水位、流量過程等;雨情信息包括雨量站分布和各站點雨量監測信息;氣象信息包括區域的雨量、氣溫、濕度、風速等。

（4） 視頻監控數據庫。涵蓋各個水閘的閘前閘后視頻信息、重要水域斷面視頻信息、城區易澇區域視頻信息等。

2 系統功能設計

整個平臺的開發充分結合地理信息技術和物聯網技術，采用B/S架構，通過瀏覽器在網頁上展示和訪問平臺。后端開發采用目前主流的SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架，前端開發采用vue.js（一套構建用戶界面的漸進式框架），地圖展示使用openlayer技術方案，數據管理與地圖服務發布使用Oracle和ArcGIS Server平臺[10]。平臺設計并開發了水雨情監測、閘泵調度、視頻監控、發文管理、值班管理等模塊。

2.1 水雨情監測

本模塊通過集成雨量站、水文站等設備采集的實時氣象和水雨情數據，動態監測各測站是否超警戒、超歷史、超保證、超設計等指標，實時監控各站點周邊的汛情，并通過地圖方式直觀地展示預警站點。

同時，平臺也融合了已有氣象實時監測數據，導入天氣預報、氣溫、降水量、風力風向、空氣質量、相對濕度、衛星云圖等多個氣象要素，融合多日氣象預報信息，動態監測預警可能的暴雨和少雨警報，支持用戶對實時信息進行搜索查詢、分類統計、詳情查看、地圖操作、衛星云圖滾動播放、氣象預報報表生成與下載等。

2.2 閘泵調度

本模塊通過集成南昌市水利局4個防洪排澇工程管理處構建的水文站、視頻站、工情監測設備、工情自動化啟閉設備等設備采集的實時工情、氣象和水雨情數據，融合所在區域氣象數據、河道數據等，運用系統分析理論，構建防汛排澇優化調度模型，將河道、湖泊、水閘、泵站進行有機結合，實現調度期內澇水的合理調配和調度，為南昌市城市防洪排澇調度方案的制定和防洪決策支持提供參考。

2.3 視頻監控

本模塊針對全市重點監控水庫、重點堤防、城區易澇點、管理處閘泵、重要水域斷面等區域，實現實時視頻監控的布設與信息集成。平臺通過地圖展示的方式，將各類監控攝像頭實際地理位置關聯疊加在電子地圖上。用戶通過點擊攝像頭圖標進行詳情查看、視頻監控查看和操作。

考慮到水庫、堤防、重要水域斷面等位置周邊網絡及信息化基礎設施建設情況，部分攝像頭采用WIFI/4G等無線網絡數據傳輸方式。

2.4 發文管理

本模塊通過融合電子政務公共管理平臺，實現對縣區水利部門、水旱災害防御科室及局屬各單位進行信息化統一發文管理，并對收發文執行情況進行記錄和歸檔。

平臺支持水利局工作人員將收到的防洪排澇公文通過統一的平臺對指定單位或工作人員進行發送，并記錄管理相應收件人當前收文狀態。同時，作為接收各類防洪排澇文件的總入口，對已收和未收文件進行信息化管理，并對收文人員進行收文提醒。

2.5 值班管理

本模塊將現有值班管理進行電子化，值班管理人員可在電腦端或移動端對當前防汛值班進行編排，設置打卡時間、地點，指定打卡人員，對打卡地點及打卡區域大小進行配置，形成的值班表可根據參與人員進行發布、查看、修改、刪除、報表生成與下載等功能。

3 系統關鍵技術

3.1 基于NB-IoT的信息集成

NB-IoT是一種基于蜂窩通信3G/4G演進的物聯網通信技術，在城市防洪領域可以快速、安全、低成本地實現對遙測終端的信息采集、狀態監測和控制指令下發等遠程操作，以提高遙測終端的網絡接入率，并實現更有針對性的動態管理[11]。

平臺實時監測系統主要分為現場監測設備（水位計、流量計等）和監測中心接收處理設備兩部分。現場監測設備主要包括傳感器、RTU終端控制器、DTU通訊設備、協議轉換模塊等，其中RTU用于采集、存儲和處理計量設備數據，DTU通訊設備用于將RTU采集的數據通過GPRS/NB-IoT無線傳輸網絡發送至監測中心數據接收服務器[12]，如圖4所示。

3.2數字孿生驅動的閘泵調度優化

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[13]。

防汛排澇業務中，管理處所管理的泵站、泄洪閘具有極其重要的作用。傳統的閘泵調度方案一般是應對已經發生的問題，結合已有調度經驗進行決策，這樣不僅會降低決策方案的科學性，并且具有滯后性。通過監測各泄洪閘前水位實時變化數據，并充分參考學習以往泄洪調度經驗，結合當前水位信息、降水等因素，預測下一階段水位變化趨勢，為快速制定防洪排澇調度方案提供技術支撐[14]。基于數字孿生的閘泵調度框架如圖5所示。

4 結 語

針對傳統方式城市防洪排澇方法的不足，南昌市基于數字孿生技術構建了城市防洪排澇智能決策平臺，建立了基于數字孿生的智能預測方法和可視化管理方法。通過建立“感知-預測-行動”的方案體系，將傳統“事情發生-解決問題”的思路轉變為“預測事情發生-提供問題解決方案”，為南昌市水利局科學、合理進行防洪排澇調度提供了技術支撐，同時也為防汛排澇風險研判及決策提供了直觀高效的分析與管理平臺，為防汛排澇管理工作提供便利。

參考文獻：

[1] 喬典福.海綿城市背景下南昌市防洪排澇規劃對策研究[D].廣州：廣東工業大學，2016.

[2] 梁益聞.城市河湖閘泵群防洪排澇優化調度模型研究[D].武漢：華中科技大學，2018.

[3] 鐘玉秀，王亦寧.加強城市防洪排澇工作的思考和建議[J].中國水利，2017（13）：4-6.

[4] 劉曙光，周正正，鐘桂輝， 等.城市化進程中的防洪排澇體系建設[J].科學（上海），2020，72（5）：32-36.

[5] 姚志武，管林杰，李俊輝， 等.基于微服務的國土資源一張圖平臺關鍵技術研究[J].礦山測量，2020，48（6）：53-56.

[6] 陶佳亮，胡波.南昌市昌南片區城市排澇信息化系統建設初探[J].江西水利科技，2014（2）：92-96.

[7] 陳瑜彬，鄒冰玉，牛文靜， 等.流域防洪預報調度一體化系統若干關鍵技術研究[J].人民長江，2019，50（7）：223-227.

[8] 陳煜，劉東民，王冠華， 等.黑龍江省防汛指揮決策支持系統集成技術研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2005，3（4）：312-318.

[9] 周荻莎.基于ArcGIS的防洪管理系統的應用開發[J].中國農村水利水電，2007（12）：105-107.

[10] 王鵬生，鄒崢嶸，翁玉坤， 等.基于WebGIS長江流域防洪調度系統的研究與實現[J].測繪與空間地理信息，2009，32（5）：118-120.

[11] 杜壯壯，高勇，萬建忠， 等.基于數字孿生技術的河道工程智能管理方法[J].中國水利，2020（12）：60-62.

[12] 陳永輝，楊習偉.高精度水位測量儀設計與實現[J].自動化與儀表，2007，22（5）：24-26，33.

[13] 陳志鼎，梅李萍.基于數字孿生技術的水輪機虛實交互系統設計[J].水電能源科學，2020，38（9）：167-170.

[14] 鄒明忠，繆岳軍，張麗， 等.圩區防洪調度預警預報系統——以江陰市馬甲圩為例[J].水利信息化，2020（4）：63-67.

（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

基金項目：湖北省技術創新專項基金重大項目（2019ACA159）

作者簡介：姚志武，男，注冊測繪師，碩士，主要從事GIS軟件開發與水利信息化工作。E-mail：292836274@qq.com