数字孪生流域关键技术研发与实践应用.pptx

目录未来工作思考应用案例效果建设背景任务关键技术研发3124一、建设背景任务远 景 目 标 规 划 十 四 五 规 划 和 二 三 五 年p 国家信息化发展战略纲要强调：信息化进入全面渗透、跨界统合、加速创新、引领发展的新阶段一 建设背景任务1 国家信息化对智慧水利提出新要求加快数字化发展 建设数字中国李国英部长指出，十四五水利改革发展的主线是“新阶段水 利高质量发展”，并在“三对标、一规划”总结大会上强调提出 新阶段水利高质量发展的六条实施路径p 一是完善流域防洪工程体系p 二是实施国家水网重大工程p 三是复苏河海生态环境p 四是推进智慧水利建设p 五是建立健全节水制度政策p 六是强化体制机制法制管理精准化决策p 部长定调智慧水利建设2 水利高质量发展对智慧水利提出新需求一 建设背景任务数字地球 数字中国 数字流域 智慧水利智慧化模拟数字化场景p 新一代信息技术发展，推动经济社会各领域向数字化、网络化、智能化加速跃升，为提高水利治理能 力提供技术驱动一 建设背景任务3 新技术发展为智慧水利提供新机遇大数据 数据资源计算数字传输控制物联网存储计算采集学习反馈四预防洪试点2021年12月28日讲话中 下 旬 旬p 数字孪生流域提出2021李国英部长在 推进数字孪生 流域建设工作 会议上的讲话数字孪生流域 建设技术大纲 (征求意见稿)水利业务“四预”功能基本技术要求(征求意见稿)数字孪生水利工程建设技术导则(征求意见稿)关于大力推进智慧水利建设的指导意见十四五智慧水利建设规划智慧水利建设顶层设计一 建设背景任务十四五推进智慧水利建设实施方案技术大纲、导则等征求意见水利部发布流域四预防洪试点通知4 水利部要求上 中 下旬 旬 旬中 旬上 旬上 旬中旬下旬20222023实施方案中 旬中 旬中 旬上 旬上 旬上 旬上 旬下 旬下 旬下 旬下 旬10月12月8月7月6月3月5月1月2021年10月12日，李国英部长主持召开部务会议，会议强调：推进智慧水利建设是实现新阶段水利高质量的重要路径之一。

要按照需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系要坚持系统观念，做好顶层设计，从数字孪生流域、数字孪生工程、水利业务应用、网络安全体系等方面构建标准统一、模块连接、互为融通、共享共用的总体框架，全面覆盖各项水利业务应用，全面提升推动新阶段水利高质量发展的能力和水平 流域管理机构 省行政管理部门大江大河大湖 及主要支流重点流域重点区域水利感知网水利信息网水利云数字孪生平台信息基础建设数字孪生流域建设是构建智慧水利体系、实现四预核心和关键模型平台知识平台一 建设背景任务5 数字孪生流域建设内容与范围数据底板数字孪生流域建设范围数字孪生流域建设内容中国水科院重点任务：搭建水文、水力学通用模型(方法)库，接入调 用泥沙动力学模型，开发水资源、水环境模 型，研发水土保持、水利工程安全等模型加强组织领导；落实工作责任；完善标准规范；加大资金投入；加强人才保障 全系统全行业必须迅速行动 起来，有力有序有效推进建 设工作6 数字孪生流域建设任务数字孪生流域建设六大任务保障措施：李部长要求：开展数字孪生 工程示范建设统筹工程安全 和效益提升算力优化算法守住安全底线支撑业务应用一 建设背景任务增强关键信息基础设 施和重要数据能力强化应用思维构建国产化软硬件 环境实现“四预”覆盖聚焦重点领域完善水利网络安全 体系树立系统观念建设数字孪生 水利工程构建天空地一体 化水利感知网获取算据建设水利业务 智能仿真模型推进水利专业 模型技术攻关构建水利业务 知识库完善会商环境升级通信网络强化数据更新扩展计算资源衔接数字孪生 流域建设构建水利数据 底板一 建设背景任务7 数字孪生流域技术路线构建数字化场景、开展智能化模拟、支撑精准化决策李国英加快建设数字孪生流域，提升国家水安全保障能力强化”四预“措施，贯通”四情“防御，绷紧”四个链条“，构建纵向到底、横向到边的水旱灾害防御矩阵。

四 个 链 条 流域-干流-支流-断面 总量-洪峰-过程-调度 技术-物料-队伍-组织 一 建设背景任务降雨-产流-汇流-演进 水 旱 灾 害 防 御 矩 阵8 水旱灾害防御新需求四 情雨情预案预报预演预警 四 个 链 条四 预水情灾情险情全要素可表达全属性可分析全拓扑可追溯全系列可演化利用数字技术构建一个“多尺度-分布式-多层次”全面多维精细刻画及动态模拟流域全景过程的模型系统，实现对流域的数字化管理与智能决策全编码可查询一 建设背景任务9 数字孪生流域概念数字地球：认识21世纪的地球提出了数 字地球的概念国际数字地球学会 (ISDE)在北京正 式成立工信部颁发信息化发展规划，提出 加快水利智能应用体系发改委国家空间信息基础设施发展战略研讨会，勾勒“数字中国”的蓝图国家发改委、水利部等25个相关部门成立和智 慧城市建设部际协调工作组十九大报告强调加强水利、水运、信 息、物流等基础设施网络建设全国水利工作会议上提出在水利信息 化建设上提档升级中央一号文件明确要实施智慧农业林业水利工程水利部智慧水利总体方案和水利网信提升三 年行动方案发布十四五年规划和2035年远景目标纲 要提出构建智慧水利体系，以流域 为单元提升水情测报和智能调度能力李国英部长在 “三对标、一规划”总结大会上强调，加快推进智慧水利建设，全力支撑水安 全全要素“四预”的模拟分析水利部网信办按照全国水利工作会议决策部署，印发水利部关于开展数字孪生流域建设先行 先试工作的通知，推进先行先试组织实施数字孪生流域是以物理流域为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动、对物理流域全要素和水利治理管理活动全过程的数字化映射、智慧化模拟，实现与物理流域同步仿真、虚实交一 建设背景任务互、迭代优化。

9 数字孪生流域数 字 孪 生 流 域智 慧 水 利数 字 流 域数 字 地 球数 字 中 国2015年2022年2006年2013年2017年2018年2020年2019年2021年2021年2009年1998年数字孪生流域总体框架一 建设背景任务数字孪生流域建设成熟度等级物理流域 数字流域10二、关键技术研发水利遗产牧区预警1.多时段-多尺度-多对象-多阶段的梯次预警模型2.水旱灾害风险预警技术预演1.数字化场景2.数字流场3.全流程一体化预演技术2+预案1.预案体系2.标准化模块化预演3.决策方案预报1.全流域分布式水文模型2.预报调度一体化技术算据 为基础三算四预建设水利业务智能仿真模型构建水利业务知识库“四预”业务系统建设推进水利专业模型升级构建天空地一体化水利感知网构建水利数据孪生底板超大规模并行计算技术业务方向算力 靠借力算法 是核心二 关键技术研发水旱灾害防御 水资源配置1 三算四预关键技术水环境泥沙灌区N现有模式-作坊式半自动1 数据处理4 图斑解译半自动3 方案上图5 违规判定2 底图制作对地观测进入遥感大数据高性能处理时代，自动化和智能化数据分析成为水利遥感应用核心创新模式-工业化自动化1 海量数据在平台 4 核查检查在现场3 业务服务在云端5 各级应用在身边2 智能解译在后台二 关键技术研发6 核查检查2 遥感监测关键技术实时化信息化信息化人工化人工化信息化一体化智能化构建防洪调度空间数据支撑和解译平台。

基于高性能计算集群，通过横向并行、纵向串行 智能算法双线部署方案；实现分要素分产品智能化自动解译，为水利遥感业务化应用提供多元 专业信息产品模拟-规划-采集-查询-下载-处理-发布全过程 7 24小时不间断 连续运行 日处理数据50TB 存储150PB 2100万亿次/秒的 计算能力智能算法分类部署横向：分布式并行处理算法纵向：混合串行智能算法高性能计算部署智能解译平台u分要素分布式计算部署u分产品分布式计算部署二 关键技术研发3 遥感监测关键技术按照动静结合，高效流动的思路，建立：1 汇聚的“河”：实现数据的持续“流动”更新；1 可控的“闸”：实现各类数据的融合与治理；1 可用的“泵”：多样化的数据服务；1 一体化管理的“湖”：数据资源统一存储与管理二 关键技术研发-算据4 数据底板技术思路对于同一水利对象，基于统一对象 编码实现其基础信息、空间信息、业务信息、监测信息以及多媒体文 件的关联构建L1-L3级空间数据底板，并在此基础上实现基础数据、业务数据、空间数据、监测数据与多媒体数据的关联与融合识别同一水利对象在不同尺 度下的不同形态，实现地形、倾斜、精模、BIM模型的数 据关联基于统一对象编码构建数据画像，实现各类数据的“全连接”二 关键技术研发-算据实现“一码多态”的空间数据组织与表达空间数据升维，构建多尺度空间数据底板L1 流域层面L2 重点区域层面 L3 具体工程层面4 数据底板技术思路山丘区洪水 中国山洪模拟 模型CNFF流域洪水 时空变源分布式 洪水模拟模型 SVSMR PHY模 型 UFSMIFMS-Urban溃坝漫堤洪水参数自动快速率定实时矫正中国水科院减灾中心自主研发洪水预报调度模型集二 关键技术研发-算法降雨预报 短临降雨同化预测模型5 模型算法、软件平台方面IFMSFASFlood城市洪涝21二 关键技术研发-算据5 模型算法、软件平台方面wavelet bootstrap ANN(WBANN)Tiwari 等支持向量基(SVM)Jajarmizadeh等自适应神经模糊推 理系统 (ANFIS)Lohani 等Valipour等(BPNN)反向传播ANNAdamowsk等(ANN)Deo等极限机器学习(ELM)Dawson等人工神经网络(ANN)LSTM+KNNLiu等LSTMKratzert等人工智能在水文模型中的应用探索CNN+LSTMGhimire等CNNKasuni等LSTMDing等多层感知器(MLP)Ahmad 等二 关键技术研发-算据Kerh等 (ANN)LSTMDazzi,等深度 学习机器 学习LSTMKao等2015年2016年5 模型算法、软件平台方面2013年2010年2010年2012年 改进2021年2020年2021年2020年2018年2020年2005年2021年2006年1998年数据源:首先基于小流域多源时空数据划分地貌水文响应单元，构建不 同响应单元的对应产流机制；方法源:建立对应不同产流机制的超 渗/蓄满混合产流模型;分水源:采用组合概念水库的方法模 拟包气带与饱和带的土壤水量交换；时空变源：在外因 (降雨入渗和蒸发)和内因 (重力和基质吸力)共同作用下的产流过程时空变化。

混合产流：在外因和内因时空变化下的流域产流呈现超渗/蓄满产流机制时空动态组合提出了时空变源混合产流模型，适用于湿润、半湿润、半干旱和干旱地区模型算法、软件平台方面二 关键技术研发-算法5 数据源：基于小流域下垫面时空数 据划分地貌水文响应单元 方法源：不同响应单元采用不同产 流机制的超渗/蓄满混合产流模型 分水源：采用组合概念水库方法来 模拟包气带与饱和带土壤水量交换 首次应用：非饱和GARTO下渗模 拟方法应用于水文模型 误差较小：相比Richards方程模 拟结果误差小于4%效率提升：计算效率由小时级提 升至秒级GARTO下 渗模型首次变化 应用时空变源产流模拟理论分布式水文并 行计算架构 并行框架：研制面向水文过程三 层拓扑关系分布式并行计算架构 连续计算：采用分布式并行计算 技术，对模拟计算单元组开展动 态连续洪水分析计算 时空并行：实现从空间、时间和 子过程的并行模拟，解决了洪水 实时模拟预报计算效率低难题 机制时变：动态调整最适宜的产流 模拟模式 (蓄满、超渗或者混合产 流)类型普适：适用于湿润、半湿润地 区、半干旱和干旱地区 精度提升：与国内外10个代表性模 型相比，精度提高20%以上模型算法、软件平台方面二 关键技术研发-算法时空变源 模拟方法产流模式 时空动态5时空变源提高。