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数字孪生 让黄河防汛更“聪明”——智慧水利建设提升防汛抗洪能力

来源：黄河设计院、中国地理信息产业协会

 归档时间：2023-08-10

文丨王静琳 齐欣然  高思达

“黄河宁，天下平”。黄河安澜、人民安居离不开科技力量。当前正值黄河主汛期，如何全面掌控汛情，科学精细调度，确保汛期安全，始终是黄河保护治理的第一要务。


轻轻点击大屏幕，小浪底水利枢纽的自然背景、流场动态、工程设施、机电设备四类物理可视化模型便一一呈现在眼前，这是数字孪生小浪底构建的数字化场景。6月20日，在黄委启动2023年汛前调水调沙前夕，水利部在小浪底召开数字孪生水利建设现场会，与会代表参观了数字孪生小浪底建设成果，见证了数字孪生技术在实现小浪底工程安全和防汛调度“四预”功能方面提供的强大支撑。
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数字技术孪生“云上”小浪底

2022年是数字孪生水利建设元年，水利部紧密部署了94项数字孪生流域(水利工程)先行先试建设任务，小浪底被列为数字孪生先行先试头号工程。
在水利部小浪底水利枢纽管理中心高位推动与有效组织下，自2022年3月以来，历经1年多的开发建设，数字孪生小浪底已具雏形。黄河设计院是数字孪生小浪底建设的技术牵头单位，项目技术负责人侯红雨说：“数字孪生小浪底工程凝聚了数据治理与数据底板构建技术、空间数据融合与可视化仿真技术、模型库与知识库技术等多项数字孪生关键技术，既有力保障了小浪底水利枢纽工程安全稳定运行，又探索实践了新阶段大型综合水利枢纽信息化、智慧化、现代化管理的模式和路径。”
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数字孪生小浪底 
在刚刚结束的2023年小浪底水利枢纽防汛应急抢险综合演练中，现场演习人员利用数字孪生小浪底，以2021年黄河秋汛洪水为背景，洪水量级放大10%，进行防洪形势分析、水库调度计算、库区淹没等预演工作，并开展库水位274米条件下的大坝安全综合研判，快速生成相关预案。
“小浪底水库历史最高水位273.5米，这次演练场景是以历史极值的情况加大再去推演，数字孪生技术能够真实呈现现实条件下根本无法实现的场景，并给出相关分析数据和应对方案，帮助防汛决策者更好研判水情灾情，以应对未来可能发生的险情。”侯红雨说，小浪底工程作为黄河防汛“重器”，有了数字孪生技术加持，将为应对今年黄河流域可能发生的大洪水增加胜券。
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数字孪生小浪底
据介绍，数字孪生小浪底的防汛调度“四预”功能在2022年汛期已得到初步应用。结合2022年黄河调水调沙和汛期洪水过程，科研人员适时开展了模型训练和实战检验，迭代优化了模型参数，有效提升了模型的精度和预见期，推动数字孪生小浪底“四预”功能从无到有，再到可用、好用的转变。
数字孪生水利工程建设国内外没有范例，这一工作颇具“拓荒”意义。“基于数字孪生小浪底技术方案，黄河设计院制定了行业首个数字孪生水利工程建设技术导则，构建了涵盖主数据、元数据、数据质量的数据标准体系，探索出国内大型水利工程数字孪生建设可行模式，在水利部数字孪生流域建设先行先试优秀应用案例中被评为优秀。”侯红雨说。
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把万家寨“装进”计算机

沿着大河西去，让我们把目光投向黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内的万家寨水利枢纽工程，可以看到，被水利部列为数字孪生水利工程建设先行先试重点工程之一的万家寨水利枢纽工程同样插上了数字孪生智慧水利的“翅膀”。
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数字孪生万家寨控制中心
黄河设计院持续深耕数字孪生水利建设领域，扛起了多项“硬核”担当。在没有经验可借鉴的情况下，建设团队大胆创新，解决了大量技术难题，这些成果和经验除了应用在数字孪生小浪底以外，还同样在数字孪生万家寨项目中得到应用。
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数字孪生万家寨
把万家寨“装进”计算机，黄河设计院数字孪生建设团队利用数字孪生技术对万家寨水利枢纽进行全要素全过程的数字映射和智能模拟，做到工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，以便实现对工程实时监控、发现问题、优化调度;面向决策需要，制订出最优化方案，以便最大程度提前规避风险、提高效益、减少损失。

在2022年9月的黄河联合排沙调度期间，数字孪生万家寨建设成果助力联合排沙工作圆满完成。可以想见，借助数字科技的力量，未来，万家寨将续写万家寨惠万家的辉煌篇章。

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打造拳头产品

迈向“智”水“智”高点


从治水到“智”水，近年来，依托国家、水利部与河南省重点实验室，黄河设计院还自主研发了“小禹智慧防汛机器人”，集成黄河辞典、防汛知识、水利知识等2000多个词条的百科知识，是我国水利行业首个投入应用的智能防汛系统。

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“小禹智慧防汛机器人”
该系统利用人工智能、大数据、物联网和云计算等信息技术，可以研判汛情态势，预测灾害发展趋势，科学制订调度方案，从而提高防汛指挥决策效率。
黄河设计院组建了重点产品研发团队，自主研发了云河数字孪生平台以及小禹智慧防汛、淤地坝安全管理、工程安全监测、堤坝渗漏监测、堤坝坍塌图像识别等30余项涉及智能采集、智慧工程、智慧水利的系列“拳头”产品，信息化核心技术能力逐步增强。
图片淤地坝信息管理系统
随着多项关键技术不断取得突破性进展，从底层自主研发的数字孪生三维仿真引擎——“云河地球”横空出世，成为首个基于水利特征的三维数字地球平台，解决了该领域核心技术对国外软件的依赖。
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云河地球
“‘云河地球’可以理解为现实场景在计算中的完全模拟，大到流域场景，小到水利工程设备零部件都可以精准再现，从历史回溯到未来预演;支持多种水利专业模型的高效便捷加载、模拟推演和实时渲染，为智慧化模拟、精准化决策提供通用可视化平台。”侯红雨介绍。
未来，随着云计算、大数据、物联网等新兴技术的发展，水利信息化建设面临着新的发展机遇，黄河设计院将持续聚焦数字孪生流域和数字孪生工程建设，充分发挥数字技术对治水工作的倍增、赋能作用，为推动黄河流域生态保护和高质量发展提供先进技术支撑，让黄河成为造福人民的幸福河。
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