空天地一體化融合數字孿生賦能山東水利安瀾

文｜楊玉柱 趙冉 楊楠

一、需求分析

山東省數字水利建設在“十四五”規劃中提出了五大任務，一是鞏基礎，構建天空地一體化水利感知網，擴大實時在線監測范圍。同時，完善水利云網建設，形成“物理分散、邏輯統一”的水利云。升級改造網絡核心設備，全面支持 IPv6。二是理數據，構建數字水利數據資源體系。三是強支撐，匯集水利模型、算法模型、機器學習模型，探索構建水利模型庫、算法模型庫、機器學習庫、水利知識圖譜。四是智應用，采用空間遙感、傾斜攝影、BIM 等技術，加快推進全省大中型水庫、重點河湖流域工程數字化和相關標準化管理應用系統建設進程。五是健保障，健全數字水利保障體系。

二、方案設計

（一）總體功能和架構設計

為確保水庫安全運行，充分發揮水庫效益，以山東省智慧水利頂層設計為指導，立足于山東省水庫管理工作需求，考慮全省水庫信息化現狀及未來管理需求，在水利信息化資源梳理的基礎上，通過資源整合，統籌共建以及必要補充，著力優化資源配置，以小型水庫安全管理為突破口，逐步建立起“數據資源知識化、應用系統智能化、標準體系規范化、安全體系可靠化”的水庫信息化管理體系，全面提升水庫運行管理質量、防汛抗旱能力和強化水庫日常監管能力，提高防災減災能力，有效保障工程安全、飲水安全與公眾安全。

山東省水利廳水庫雨水工情自動測報和水庫安全運行及防洪調度項目，通過4G/5G網絡融合北斗、衛星遙感、雷達、無人機、無人船等能力，建設全省空天地一體化泛在感知網，實現雨水工情自動測報、水庫信息數字化管理、納雨能力分析和流域聯合調度預演等，為水庫的安全運行及防洪調度提供及時、準確的信息，輔助領導決策，做好水庫安全管理，保障水庫良性運行。

（二）主要應用技術

1. 5G+F5G構建全省水利泛在感知網

山東數字水利整體架構圖

通過5G+F5G構建全省水利泛在感知網，通過網絡切片技術隔離不同業務場景，保障重要水利設施數據傳輸的安全性及穩定性。同時滿足視頻類數據、移動辦公等應用場景。

本文針對全省水利系統網絡進行改造擴容升級，實現5G/F5G雙千兆到桌面網絡，在網絡安全方面滿足三級等保要求，以確保全水庫雨水工情監測信息的可靠穩定傳輸。

2. 5G+北斗+InSAR遙感衛星在項目中的應用

本文中使用的GNSS RTK接收機采用北斗衛星導航定位技術，兼容GPS、GLONASS系統，支持北斗衛星導航系統（BDS）B1/B2/B3、 GPS L1/L2/L5 和GLONASS L1/L2三系統多頻道聯合定位服務。采用5G+北斗授時技術，實現全省水庫授時精度達到10納秒的量級。

在水庫表面變形監測方面，綜合運用5G+北斗/全球導航衛星系統（以下簡稱北斗/GNSS）監測和合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等技術，具有實現水庫群高效精準監測的潛力。北斗/GNSS 表面變形監測技術具有全天候、實時、連續、自動化監測的能力，可在夜間、臺風暴雨期間正常觀測，能夠 24 h 連續不間斷地獲取大壩變形監測資料。

3. 5G+無人船、無人機實現空天地一體化應用

水上水下一體化，全稱船載水上水下一體化三維移動測量系統，水上水下一體采集技術是近兩年剛開始應用的新型技術，為航道、庫區數據帶來了效率最高、精度最高、覆蓋面最廣、可擴展性最強的解決方案。系統主要由三維激光掃描子系統、多波束測深系統、影像采集子系統、導航定位定姿定向子系統、集成控制與數據采集子系統、數據處理與應用子系統等組成。可以同時采集水底、水岸帶大地坐標的高密度點云數據、水底地形數據，以及沿岸地帶的全景影像。這些精準的數據可以用于防洪防澇、水庫DEM、庫區容量計算、淤積狀況評估、水岸侵蝕調查、水利設施監管、違章建筑監管等領域。

4.水庫安全監測實時拼接顯示技術應用

采用無人機及無人船測量數據的實時顯示可以有效指導作業人員隨時了解數據質量，在多源數據測量顯得尤其重要。為了對水上及水下的地形進行連續的測量以及進行三維場景的重建展示，數據采集與處理軟件實時接收三維激光掃描設備、多波束測深儀、定位定向分系統、慣性導航分系統等多源數據，實時進行點云歸位解算與坐標轉換，并將點云在三維空間中加以顯示，即涉及點云鑲嵌拼接技術。

采用5G+MEC+RTK技術確保了多波束測深儀和激光掃描設備能夠同時準確地進行匹配拼接。無人艇載水陸一體化測量系統的出現及推廣，是對傳統測量方式和船載水陸一體化測量系統的有效補充和智能升級，在地形復雜的水庫等人工難以施測的地方作用明顯，也可大大提高項目實施效率，節省工期。

5.水利模型平臺及流域仿真決策指揮平臺

結合5G+MEC邊緣計算技術，建設水文、水動力、水工程調度和相關高性能算法、智能算法，為防洪聯合調度決策提供“算力”。開發數字孿生模型平臺，實現對預報調度等水利專業模型、智能算法的統一管理；開發現有洪水預報產品的精細化洪水預報模型，建立人工智能算法的洪水預報模型，實現在16個斷面的實時洪水預報示范應用；建立人工智能算法的防洪調度模型，實現大型水庫的智能防洪調度。

三、價值分析

（一）經濟效益

在水庫治理方面，目前全國現有水庫9.8萬余座，小型水庫占95.3%——小型水庫數量眾多，而且50%以上無雨水情自動測報設施，90%以上無安全監測設施，隱患問題嚴重。在國家“十四五”規劃中，針對小型水庫建設指出，要做到應建盡建，實現小型水庫降水量、水庫水位、大壩滲流量、壓力、表面變形等數據、圖像或視頻的自動采集報送、分析研判、預警發布。實現“人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎設施不受沖擊”目標，滿足十四五期間對小水庫安全運行管理的需要。因此，每年建設任務巨大，總預算約120億（水利發展資金中安排中央補助資金），其中山東今年招標額度達28億元，其他省也將有大規模的建設需求，市場需求巨大。

（二）社會效益

該項目的實施有效地保障了全省的用水安全，優化了水資源，凈化了水環境，解決了原來病險水庫數量多，安全監測設施不全，局地極端暴雨預報準確率不高，山洪災害預警精度不夠、防洪調度預演能力不足、模擬驗算功能不強等問題，契合了總書記提出的“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，為助力打造幸福山東、美麗山東提供了堅實的支撐。