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智慧水网
Smart Water Network


围绕安全监管、智能调度、水质保护、智能运维等业务需求，建设数字孪生南水北调工程，以典型渠段和建筑物为重点，聚焦延长工程安全风险预见期、提高输水调度方案优化决策水平、提升安全应急事件处置能力、降低工程运行能耗成本等关键业务目标，从实用、好用、管用的角度，全面强化预报、预警、预演、预案功能，切实增强南水北调“三个安全”（工程安全、供水安全、水质安全）保障能力，着力打造引调水工程的数字孪生示范和样板。


智慧水网总体框架

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1.数据底板

基于水利部 L1 级数据底板，补充建设 L2 及 L3 级数据底板，建设工程建筑、渠道、机电金结设备BIM模型，集成了各类监测数据、基础数据及业务管理数据。 

2.模型算法

面向业务需求耦合构建总干渠河渠水动力学、河冰动力学、突发水污染扩散、流域洪水预报、洪水演进、水工结构有限元分析、工程安全监测数理统计分析、智能识别等多类模型，实现了关键业务场景的智慧化模拟。 

3.业务应用

基于事件驱动理念，以各类监测告警与预报预警信息驱动多工况下工程供水及水质安全等预演预案，构建涵盖安全监管、智能调度、水质保护、智能运维的“四预”功能体系，实现调度运行管理过程中各类常态应急事件的多部门、多业务、多场景协同决策会商。


智慧水网业务应用

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数字孪生水网是以物理水网为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水网全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水网的实时监控、联合调度、风险防范。通过数字孪生科技赋能水网工程，使其具备完善感知能力和自主学习能力，运行管理更加智能化。面对突如其来的自然灾害，能够迅速集成应用时空数据和高性能算力平台，实现在数字世界中感知、模拟和预测水网工程的运行状态，达到预报、预警、预演、预案等功能，确保输水调度更加科学精准和安全，全面提高水网工程应对自然灾害的防护能力。

通过物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术的应用，形成覆盖工程安全、供水安全、水质安全和企业经营管理各业务领域的信息化体系。按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总体要求，形成长距离引调水工程典型建筑物的工程安全结构分析、工程防洪、跨流域多水源多目标联合调度、长距离明渠输水工程水质保护、冬季输水安全保障等典型智慧应用场景，为工程运行打造了一个智慧管理的大脑，赋予水网工程更加强大的生命力。


1.安全监管

数字孪生水网安全监测业务应用集成了基于数据驱动的数理统计预警预测模型和基于机理驱动的结构仿真分析模型，借助水利专业模型，工作人员可以在千里之外可视化分析展现全线的重点建筑物安全风险变化过程，对异常安全监测点预测和预警提示，对关键监控指标进行模拟计算和结构安全性态评估，实现各类调度工况工程运行状态的安全复核等。数字孪生水网安全监测业务应用提升了工程安全分析预警水平，精准服务了安全运管的业务需求。充分应用三维可视化孪生引擎，可以更为直观地掌握建筑物的运行性态。依托工程安全模型，有效支撑输水调度、应急退水以及交叉建筑物洪水过流安全影响的动态复核计算分析和建筑物结构安全复核分析。

数字孪生水网工程防洪业务应用则提升了对洪水的预报预测能力，预报更加精准，为工程防洪决策提供重要支撑。通过接入降雨、水库调度、河道水势等水文数据，以产汇流模型和河道水动力学模型等专业模型为引擎，构建洪水预报模型、洪水演进模型，实现了“降雨-产流-汇流-演进”全链条应用，构建起防汛“四预”功能。利用数字孪生平台开展特大暴雨洪水灾害全过程模拟，计算洪水到达时的水情，给出预警提示，并推荐处置措施，为复盘总结防洪处置经验创造了条件。


2.智慧调度

集成水情数据智能清洗模型、自主学习训练模型、一维水动力快速精准仿真模型等，具备自主生成目标方案、输水状态的仿真预演和水力效果的调控模拟等能力，不仅能够根据实测数据进行自主水情数据的智能清洗、稳态识别，还可以对重要水力参数甚至模型结构进行自动反演。智能调度业务应用平台随时对水网工程渠道输水能力进行评估，只要输入预设的输水工况和计算区间，即可自动计算区间内各断面的流量和水位，根据水位对调度方案进行动态调整，科学指导日常调度方案。

提供数字孪生冰期输水业务应用模块。集成统计学模型、预报和精细模拟两套模型，在水温和冰情预测预报上互为参考，相互验证，不仅可以预测预报未来各渠段位置的水温、冰情，还可以在达到临界值时及时预警，模拟不同输水工况下的气温、水温和冰情，探索无冰输水的边界条件。首先，它能够根据水温预测情况，确定冰期输水的起止时间，优化调度方案，大幅提升水网程冬季输水能力；其次，它能够根据水温、冰情的预测预报，控制融冰、扰冰设备的启闭和应急队伍的进退场时间；最后，它提升了冰期防范应对工作的科学性和精准性。


3.水质保护

水质安全关乎人民群众的饮水质量。基于水质监测-预警-调控决策支持综合管理平台，动态掌握水质监测现状及未来发展趋势，实现污染物扩散模拟和应急调控举措在数字化场景中的仿真再现，集成了水质预测、污染物扩散模拟及退水模型。依据水质监测自动站、固定监测断面以及水质自动监测站的实时监测数据，预测全线水质指标未来7天的水质变化情况。水质监测数据和预测数据超过临界值，将自动预警。针对全线桥梁、渡槽、20类污染物进行预演，在线计算演进过程，自动生成处置预案，推荐应急响应预案。


4.智能运维

数字孪生水网智能运维业务应用实现了供电、机电金结等设备运行及风险状态趋势分析研判，能够从主动性、计划性和预防性的角度提出运行维护建议，降低设备运行风险。基于泵站设备综合风险分析及劣化分析模型，依托在泵站机组安装的振动传感器、温度传感器、水压传感器、流量计、转速传感器，可以实时评估、预测关键设备的运行状态，为维护人员提供动态维护建议。基于金属结构风险分析模型，能够实现在闸门动作过程中对闸门运行风险的实时监测和预测，集成视频智能识别模型，辅助日常水位监视，为惠南庄泵站园区安防管理提供有力支撑。基于泵站流量优化分配模型，可以对泵站运行方案进行不断优化。

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