数字孪生水利工程建设方案

水利部将推进智慧水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六。是推进智慧水利建设的实施措施。水利部近两年先后从行政、规划、工作、技术四个层面制定印发了系列任单。完成了顶层设计。数字孪生水利建设是一项技术难度大、管理复杂的系统工程，存在技术和管理方面的难点，水利部通过开展技术攻关和先行先试，探索了解决难点的思路举措。数字李生水利建设的重点与难点数字孪生水利建设目标数字李生水利建设的重点与难点数字孪生水利建设目标数字孪生水利工程建设方案数字孪生水利工程建设方案是什么为什么建什么怎么建定义定位形势要求实施路径-定义定位一定位智慧水利——全局性大目标,智慧水利——全局性大目标,是水利高质量发展的显著标志，是大方向和趋势。推进智慧是推动新阶段水利高质量发展的。数字李生水利——实施措施,统筹建设数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程，构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系。预"功能的数字李生水利体系和"2+N"业务四预"定义定位一定义数字李生流域是以数字李生流域是以物理流域为流域全要素和水利治理管理活动全的。数字李生水利工程是以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理工程同实现对物理工程的实时监控、发现 的。流域、数字孪生水网、数字孪生水利工程等新型基础设施，实现流域防洪、水资源管理与调配等“2+N"业务应用 段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。数字孪生水网是以物理水网为水网全要素和水利治理管理活动全 的。定义定位一定义基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值基本内涵是制定水利灾害风险指标和阈值，拓宽预空间占用、水生态环境危害及相关次生灾害等预警信息直达水利工作一线和受影响区域的社会公众，及时采取应急处置措施，做好防灾避险准备。基本内涵是以流域为单元，遵循客观规律，在总结分析典型历史事件和及时掌握现状的基础上，根据业务需求，采用基于机理揭示和规律把握、数理统计和数据挖掘技术等数学模型方法，对水安全要素发展趋势做出提高预报精度、延长预见期。基本内涵是依据预演确定的方案，预案的基本内涵基本内涵是依据预演确定的方案，预案的基本内涵是依据预演确定的方案，制定执行预案，主要包括水利构、权限和责任，以及信息报送流程和方式等，并组织实施。基本内涵是在数字孪生流域中对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件，及时发现问题,提出防风险措施,迭代优化方案。形势要求一党中央国务院的决策部署经济发展的放大、叠加、倍增作用。(中共中央政治局第三十四次集中学习);加快建设网络强国、数字中国构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力推动大江大河大湖数字能业务应用建设构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系形势要求—内在需要首先,流域是降水自然形成的以分水岭为边界，以江河湖泊为纽带的空间单元。水的自然属性决定了由流域内上下游左右岸干支流，地上地下的自然联系，形成了天然的水系整体,流域内同体，所以强调要以流域为单元。其次,我国水管理体制是以流域为单元的，全国层面设置七大流域管理机构进行流域管理，地方也在辖区设置不同级别的管理机构管理重点河湖，所以强调要整个流域统筹考虑。再次,水利是一项涉及大尺度、多领域、全要素的工作，不可能在物理流域中试验不同方案，只能在数字空间进行反复预演，经过综合评估分析后选择最优方案，运用到实际工作中。形势要求数字孪生水利数字孪生水利六条实施路径：一要完善流域防洪工程体系，二要实施国家水网重大工程，三要复苏河湖生态环境，四要推进智慧水利建设，五要建立健全节水制度政策，六要强化体制机制法治管理。智慧水利是水利高质量发展的显著标志。智慧水利建设是推进新阶段水利高质量发展的6条实施网、物理工程的实时监控、发现问题、优化调度，最终达到风险提前发现、预警提前发布、方案提前 数字李生水网、数字李生水利工程等新型功能的综合体系，为水利决策管理提供前新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。数字孪生水利体系主要由数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生水利工数字孪生水利体系结构二建设目标算法算据算法算据算力建成七大江河数字孪生流域；骨干水网中的数字孪生南水北调中线基本建成，省级数字孪生水网取得突破；大江大河重要控制性枢纽基本建成数字孪生工程；在重点防洪地区实现流域防洪“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，N项业务智能应用水平大幅提升；数据共享和网络安全防护能力明显增强；和强力驱动。为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。新建升级改造新建升级改造 按照按照“突出重点、急用先建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：长江、黄河、淮河、海河、珠江、松花江、辽主要支流及重点河流，20个重点湖泊。目标任务一任务骨干水网：基本建成数字孪生南水北调极推进第二批以及市、县级数字孪生水网建设。目标任务一任务新建”的原则进行建设，“十四五”期间主要建设：123个重点水库，98个行蓄滞洪区，140个重点水闸，48个大中型灌区工程，47个其他重点水利工程等。目标任务一任务重点是构建流域防洪、水资源管理与调配(2)的智能应用，实现“四预”水利工程建设与运行管理、河湖管实施路径技术攻关:通过科技研发计划、水利部重大科技项目开展感知、模型、仿真、安全等技术攻平台及流域防洪、水资源管理与调配等业务应用“四预”方面选择先试，以取得重点突破。技术指导人、业务指导人、责任专家持续指导把关，去年底，水利部已完成各单位先行先试工作方案、系统、案例等，为数字孪生水利全面建设打下坚实基础。数字孪生水利建设的重点与难点数字孪生水利建设目标数字孪生水利建设的重点与难点数字孪生水利建设目标数字孪生水利工程建设方案数字孪生水利工程建设方案算据算法业务应用网络安全标准工作协调资金投入人才培养攻克数字李生水利建设技术方面的难点通过数字孪生水利建设牵引、倒逼物理监测，主要是构建天空地一体传统监测不满足全要素传统监测不满足全要素、全过程数字化场景需要，无法支撑数字孪生流域与物理流域交互的精准别是应对山洪灾害防御。保持等监测站网基础上，检视并修订不符合数字孪生建设要求的标准规范；完善优化站网布局，增设监测要素、增加监测频次，升级改造传统监测系二是构建新型水利监测网。加强多普勒(相控阵)雷达、卫星遥感、监测手段应用，融合地面监测数据，支撑数字孪生流域与物理流域交互的攻克数字孪生水利建设技术方面的难点数据底板，尤其是地理空间数据差距大，数据底板，尤其是地理空间数据差距大，L2级数据底板的水文大断面和水下地形更新频率不足(目前普遍5年左右更新一次，重点河段需要每年汛前更新1次)，L2级数据底板的水面以上地形数据缺少，跨行业数据方面，防洪保护区、蓄滞洪区等区域村庄、经济社会、基础设施等数据不掌握。二是建设重点河段重点区域的二级数据底板。集成流域管理范围省区和工河道洪水演进、重点对象水土保持模型计算等需要。长度约5万千米、面积约攻克数字李生水利建设技术方面的难点计算资源，计算资源，尤其是高性能计算资源严重缺乏，通信网络尚有差距。一是扩充计算资源,针对相控阵雷达、区域气候模式预报、分布式水文模型、格网化水力学模型等超大规模方程团迭代解算，以及精细化时空分析、海量数据挖掘分析、大场景渲染展示等情景所需的高性能海量计算用超算中心资源等方式，提升物理分布、逻辑集中、协同工作的高性能算二是升级通信网络,实现水利系统网络无盲区无死角互联，满足各类信息及时高效传输，并充分利用通信卫星、北斗、5G等新一代网络技术，保障监测站网在极端恶劣环境下的安全可靠传输。攻克数字李生水利建设技术方面的难点水利专业模型研发工作总体处于分散状态，水利专业模型研发工作总体处于分散状态，模型水平不高，或者主要依靠国外模型的情况。遥感智能识别模型业务化运模型水平不高，或者主要依靠国外模型的情况。遥感智能识别模型业务化运行存在差距。可视化模型处于空白状态。研发机理分析模型。努力打造通用的水利专业工程软件包，汇流、土壤侵蚀、水沙输移、水资源调配、工程调度等模型，研发新一攻克数字李生水利建设技术方面的难点知识平台尚处于起步阶段,无成功经验可以知识平台尚处于起步阶段,无成功经验可以一是建设水利业务知识库，建设涵盖业务规则、历史场景、专家经验、预报调度方案等内容的知识库，聚焦水利工程体系科学精细调度，集成应用各类知识，推进预报调度一体化智能化、实体工程与数字孪生工程同步交互调度。二是探索构建知识平台，利用知识图谱和机器学习等技术实现对水利对象关联关系和水利规律等知识的抽取、管理和组合应用，为数字孪生水利提供智能内核，支撑正向智能推理和反向溯因分析，主要包括水利知识和水利知识引攻克数字孪生水利建设技术方面的难点预报精度有待提高,预见期也有待延长。一是延长预见期：遵循“降雨—产流—汇流—演进”预报规律，实现气象水文预报耦合，完善以流域为单元的短中长期预测预报模式，实现由过去落地是提高洪水预报精度：建设降雨区域模式，提高预报精细化程度，充分融合水工程调度信息，建立预报模型参数在线率定业务机制。制定中小河流、中小水库洪水预警指标以及江河湖库干旱预警指标；加强北方地区以及局地暴雨区“以测补报”预警应用，推广雷达短临暴雨预警应用；推动通过三大“运营商”发布水情预警，实现预警信息(动态调整阈值)直达防御工作一线、 水工程防洪调度预演能力不足、水工程防洪调度预演能力不足、模拟反算功有宏观预案,但不落地,与实际工作需要有差距。在数字孪生水利建设中对典型历史事件、设计规划或未来预报场景下的水工程调度进行模拟仿真，开发单库水位控制、单库补偿调度、水库群联合补偿调度等多种调度模式的"反算"功能和算法，实现基于下游调度目标要求的上游水库群防洪优化调度方案 "反算"预演。结合水工程运行状况、经济社会发展现状，评估防洪预案，完善落实水工程运行调度方案、工程巡查防守、人员转移避险等应对措施，制定执行预案,与基层组织已有应用打通,建立预案执行情况实时反馈机制,实现预案的执行落地。攻克数字李生水利建设技术方面的难点数字孪生水利建设形成海量数据，安全应用面数字孪生水利建设形成海量数据，安全应用面临严峻挑战；数据底板的部分高精度地理空间数据成果涉及秘密，但防汛等业务需要在非涉密环境应保数字孪生水利运行安全。一是明确重要数据目录，针对数字孪生水利产生的重要数据，依据《水利数据分类分级指南》开展数据分类分级，认定重要数据并形成行业重要数据目录。二是采取国家认定的地理信息保密处理技术进行处理并履行相应审查程序，在使用过程中结合密码保护和网络安全防护等多种技术手段加强数据安全保护，对数字孪生水利空间数据安全应用处理方案还要征得主管部门认可，确保重要数据，尤其是地理空间数据安全合规应用。根据水利专业模型高程精度要求的实际需求,对于利用已有地形数据成果加工处理生成获取的河流断面数据,采用国家认定的地理信息保密处理技术进行处理,形成在非涉密环境下使用的数据成果。攻克数字李生水利建设技术方面的难点涉及数字孪生水利传统标准不适应数字孪涉及数字孪生水利传统标准不适应数字孪》攻克数字李生水利建设技术方面的难点数字孪生水利建设靠一个单位无法完成，因此，要强化统筹规划，协同推进，数字孪生水利建设靠一个单位无法完成，因此，要强化统筹规划，协同推进，按照职责分工进行共建、按照业务履职需要开展共享，协同建设数字孪生水一是建立机制。出台数字孪生水利共建共享管理办法，明确了水利部、流域管理机构、地方水利部门、工程管理单位的一是建立机制。出台数字孪生水利共建共享管理办法，明确了水利部、流域管理机构、地方水利部门、工程管理单位的建设分工、共享任务等内容和汇交方二是构建平台。为实现各部门、各单位成果共享，构建数字孪生水利资源共三是将共建共享情况作为数字孪生水利建设评估的重点内容，纳入最严格水资源制度考核和河湖长制督查激励。攻克数字李生水利建设技术方面的难点数字李生水利建设,需要建设和运维资金投入。数字孪生水利需要必要的建设资金和运数字李生水利建设,需要建设和运维资金投入。数字孪生水利需要必要的建设资金和运仅靠国家投入显然无法设方案所列重点项目前期工作。二是坚持多轮驱动，充分发挥政府资金引导带动作用，在创新多元化投融资模式、更多运用市场手段和金融工具，扩大地方政府专项债券利用规模，更大力度利用中长期贷款和政策性开发性金融工具，深入推进水利基础设施政府与社会资本参与规范发展。水利部与政策性、商业性银行已出台金融支持政策。三是结合国家水网建设推进已建水利工程智能化改造和在建水利工程智能化建设，确保新建水利工程在项目预算中安排数字孪生水网建设资金投入。攻克数字李生水利建设技术方面的难点数字孪生水利建设目标数字孪生水利建设目标0202数字李生水利建设的重点与难点数字孪生水利工程建设方案数字孪生水利工程建设方案数字孪生水利工程解决方案总框架水利行业客户聚焦数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程及数字孪生灌区等建设项目，浪潮信息聚焦核心自主的多元算力中心（通用算力、AI算力、HPC算力）、云平台、物联感知网、基础网络等领域，深耕ICT技术使能水利行业数字化转型。物联感知网建设方向•当前水利工程智慧化建设面临信息采集能力弱的现状，存在测不到、测不准、测不全等问题，缺乏智能化采集手段。全国大量的水库、河流及灌区的水文、安全监测、取水量监测是空白。•物联感知网方案依据水利行业客户需求，聚焦水库监管、灌区管理、水文监测、引水工程等业务场景，实时感知水雨情、水质、水面漂浮物等各类指标，对涉水要素集中采集和校验，同时确保监测数据回传。n部门业务网络建设方向•安全可靠的信息高速公路是数字孪生建设的内在需求，考虑到水利网络多样性（如业务网、工控网和视频网等），对于新建网络资源，利用网络切片技术实现基于光纤多网融合传输，满足业务网和工控网物理隔离，构建智能化水利信息高速网络。n水利枢纽数据中心、数字孪生平台及“2+N”智慧应用建设方向•水利数字孪生不同场景对通用算力、AI算力和HPC算力有特定•基于算力中心（含通用算力、AI算力和HPC算力）及云平台支撑数字孪生平台及“2+N”智慧应用建设。数字孪生水利工程业务架构网络安全体系网络安全体系数据引擎知识引擎数字孪生平台数据引擎知识引擎数字孪生平台数字孪生水利工程典型应用典型应用… 模拟仿真引擎监测数据业务管理数据外部共享数据地理空间数据信息化基础设施监测感知通信网络工程自动化控制信息信息化基础设施保障体系保障体系河道工程河道工程实体工程枢纽工程引水工程…数字孪生水利工程数字孪生水利工程以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、中国著名水利枢纽工程1n挡水建筑物n泄水建筑物溢流坝（闸）、泄水隧洞、闸身泄水孔或坝下n取水建筑物n专门性建筑物2345678942黄河流域水利工程黄河流域水利工程n水库（3个）：陆浑水库（13亿）、故县水库（12亿）、西霞院反调节水库n水利枢纽（7个）：小浪底、三门峡、龙口、万家寨、三盛公、青铜峡）：天桥、乌金峡、大峡、小峡、八盘峡、盐锅峡、刘家峡峡、积石峡、黄丰、苏只水、公伯峡、康扬、直岗拉卡、李家峡、序号水利枢纽库容（亿m3）年发电（亿度）12634567古贤水利枢纽古贤水利枢纽•水库大坝安全检测•水雨旱工情自动测报•洪水预报与调度•实时监控•状态检修与设备维修•资产管理与生产管理n灌溉与供水•水库调度•闸门监控n生态与旅游向家坝水利枢纽设计图大坝安全监测自动化系统大坝浸润线观测示意图大坝浸润线观测示意图n监测仪器有差动电阻式、钢弦式、电容式、电感式、步进电机式、电磁差动式、差动变压式等10余种大坝安全监测仪器：垂线坐标仪、引张线仪；多点变位计；钻孔测斜仪；渗压计；液体静力水准遥测装置；真空激光准直系统；应变计和测缝计；位移计和测缝计等。应用光纤技术和CCD技术研制的新型传感器。n数据采集国内大坝安全监测数据自动采集系统按采集方式分为集中式、分布式和混合式三类。n数据处理分析、监控管理…传感器分布式采集系统示意图传感器分布式采集系统示意图水闸（闸群）自动监控系统水闸是低水头的水工建筑物，兼挡水、泄水的双重作用。它通过闸门的启、闭来调节闸前水位、控制下泄流量。n水闸按所承担的任务分类：拦河闸（或节制闸）、挡潮闸（或阻浪闸）、分洪闸、进水闸、排水闸、冲沙闸等；n闸门按结构形式：平面闸门（滑动、滚动）、弧形闸门、自动翻倒闸门；n启闭机按类型：卷扬式启闭机、螺杆式启闭机、液压式启闭机；按启闭方式：手动、电动、手电两用；闸门自动监控系统是实时数据采集与控制系统。实现由中心控制站对被控各子站闸门的运行管理。1.中央控制室组成结构中央控制室也称测控调度中心。一般为与行政管理机构相适应而设在管理局(处、站)内。2.监控终端站监控终端站其主要任务是根据中央控制室的遥测查询指令自动采集本站点的水情或工情数据，并发送给控制中心，或根据控制中心调度指令控制闸门运行。监控终端站一般由各类传感器、通信设备、RTU、中间继电器矩阵、电源等构成水闸的类型及位置示意图青峰岭水库卷扬式启闭机水情自动测报系统备、外围设备及电源等组成。丘陵或高山区，当遥测站到中心站的距离过远或由于高山、树木及高大建筑物的阻挡，通信线路损耗过大，不能满足通信最低要求时，就需要组建水情自动测报系统应严格按照水文自动测报系统规范(SL61-94)水情自动测报系统拓扑图洪水预报与调度（一）洪水预报模型洪水预报模型分为概念性模型、物理模型、系统模型三大类。从实现原理上讲分为水文模型、水动力模型和人工智能预测模型三种。•水文模型：半经验半物理过程的预测模型，也是目前最常用的一种模型。适用于大流域和中短期的水文预测，预测精度较高。•水动力模型：严格基于物理过程的水流预测模型，其预测精度是最高的。但水动力模型需要有非常详细的河道地形数据，对于资料不全的地区这种方法就不能发挥作用，此类模型一般适用于重要水库、湖泊和河流的重要河段等水体，不适用于流域尺度。•人工智能预测模型：是目前新兴的一个研究领域，主要用于长期和超长期的洪水预测。由于测量精度不足和误差累积效应，水文模型与水动力模型在中短期预报可以很精准，但是对于长期预报，则可能出现较大偏差。人工智能预测模型正好弥补这一点。洪水预报概念图地下水径流表层径流蒸散地表水径流地下水径流表层径流蒸散地表水径流电力行业安全十六字方针《电力监控系统网络安全防护导则》GB∕T_36572-2018n安全分区•生产控制大区的控制区是整个电1、安全分区生产控制大区管理信息大区生产控制大区3、横向隔离4、纵向认证3、横向隔离2、网络专用根据电力行业相关规定，电力专网实行十六字安全方针n网络专用•电力调度数据网是为生产大区服•电力调度数据网分为实时子网和n横向隔离•生产大区与管理信息大区之间进n纵向加密•纵向加密装置具备认证及加密的功能。部分发电厂与集控之间不是网•安全接入区的设立对数据通信有一定的影响，在集控对电厂“五遥”逻辑隔离控制区逻辑隔离逻辑隔离发电企业数据网或公共数据网逻辑隔离实时子网逻辑隔离发电企业数据网或公共数据网逻辑隔离实时子网非实时子网数据中心云平台运维运营管理服务目录第三方适配 VMVMVM第三方移VMVM网络融合VMVMVMVM计算存储融合融合安全融合VMVMVM网络融合计算融合VMVMVM第三方移VMVM网络融合VMVMVMVM计算存储融合融合安全融合VMVMVM网络融合计算融合安全融合存储融合VMVMVM虚拟化资源池VMVM裸机裸机GPUGPUGPU存储资源池安全安全资源池网络资源池浪潮云海云操作系统InCloudOS服务器设备网络/SDN分布式服务器设备网络/SDN分布式块存储分布式文件存储数据中心内网区组网拓扑外部外部网络出口路由器分线交换机安全管理区安全防火墙互联网出口区出口路由器分线交换机安全管理区安全防火墙链路负载均衡出口防火墙链路负载均衡链路负载均衡出口防火墙安全接入带外汇聚核心交换区业务隔离防火墙核心业务隔离防火墙 交换机安全接入带外汇聚核心交换区业务隔离防火墙核心业务隔离防火墙 交换机带内汇聚带内汇聚业务汇聚带内汇聚带内汇聚业务汇聚业务汇聚业务汇聚带内汇聚业务汇聚业务汇聚带内汇聚管理接入交换机管理接入交换机存储接入交换机业务接入交换机管理接入交换机存储接入交换机业务接入交换机管理接入交换机管理接入交换机业务接入交换机业务接入交换机监控节点CPU节点1GPU节点1分布式存储前后处理节点CPU监控节点CPU节点1GPU节点1分布式存储前后处理节点CPU节点3GPU节点3数据处理节点控制节点管理、登录节点CPU节点2CPU节点1网络节点GPU节点2CPU节点2管理、登录节点存储内部交换机IB交换机IB交换机/RoCE带外管理交换机带外管理交换机带外管理交换机云计算存储节点存储节点FC交换机es集中式存储存储内部交换机IB交换机IB交换机/RoCE带外管理交换机带外管理交换机带外管理交换机云计算存储节点存储节点FC交换机es集中式存储数字孪生平台及智慧应用建设方案定位数字孪生流域解决方案充分运用物联网、大数据、云计算、人工智能、仿真的数字孪生流域建设为核心，建设水利行业特色模型库和知识库，全面支撑流域防洪调度、水资源管理与调配等“2+N”水利智能业务应用。方案组成•数据底板：为智慧水利提供算据，基于水利一张图优化完善数据底板，完善数据类型、数据范围、数据质量，优化数据融合分析挖掘功能，构建基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化、跨层级、跨业务的智慧水利数据底板；主要包括数据资源、数据模型和数据引擎等内容。•模型平台：是智慧水利的算法，通过建成标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型平台，在数字空间对水利治理管理活动进行智慧化模拟，为数字孪生流域提供模拟仿真功能。模型平台主要包括水利专业模型、智能模型、可视化模型和仿真引擎。•知识平台：利用知识图谱和机器学习等技术实现对水利对象关联关系和水利规律等知识的抽取、管理和组合应用，为数字孪生流域提供智能内核，支撑正向智能推理和反向溯因，主要包括水利知识和水利知识引擎。程、水利治理管理对象、影响区域等物理流域进行数字映射，利用模型平台和知识平台实现智慧模拟、仿真推演。实现流域防洪和水资源调度管理的“四预”功能及其他N项业务场景。 方案价值 十四五期间，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模系，推进水利工程智能化改造，建成七大江河数字孪生流域，在重点防洪地区实现“四预”，在跨流域重大引调水工程、跨省重点河湖基本实现水资源管理与调配“四预”，提升N项业务应用水平，建成智慧水利体系1.0。数据中心建设多样化算力方案定位方案组成水利数字孪生的不同场景对通用算力、AI算力和HPC算力有特定的需求。数字孪生大量个性化、细分场景的应用，需要通用