数字孪生技术辅助山洪灾害预警与应急联动

山洪是指山区溪沟中发生的暴涨洪水，山洪是多由暴雨引起，通常指在山区沿河流及溪沟形成的暴涨暴落的洪水及伴随发生的滑坡、崩塌、泥石流，拦洪设施的溃决也可引发山洪。形成因素包括地质地貌因素、气象水文因素以及人类活动因素。

虚幻引擎洪水仿真效果

“十四五”期间水利系统高质量发展的主要目标是建设数字孪生流域，2022年，水利部已经发布《数字孪生流域建设技术大纲》、《数字孪生水利工程建设技术导则》和《水利业务“四预”功能基本技术要求》等文件，规范了数字孪生流域建设内容和技术标准。防洪“四预”应用即流域防洪领域预报、预警、预演、预案4个方面的应用，数字孪生技术是防洪“四预”应用区别于传统水利信息化应用的重要技术手段之一，也是近些年来各个领域研究的热门技术之一。

什么是数字孪生？

数字孪生技术由密歇根大学教授Grieves于2003年提出，即以数字化的方式描述物理实体，建立和真实世界1:1的动态虚拟模型，通过虚拟模型对数据的仿真、模拟、分析来监控、预测、控制实体的属性和行为等。

在数字孪生流域技术框架中，物理流域和数字流域构建成了一对“孪生体”，物理流域是现实中的流域，而数字流域则是利用地理信息系统（GIS）、BIM、物联网、虚拟现实（VR）、大数据、算法模型、人工智能等技术构建起来的虚拟流域。数字孪生技术在流域实时监测，洪水虚拟仿真方面有一定的应用，在调度控制、智能决策等方面需进一步研究和发展。

数字孪生流域架构图

金华市“小流域山洪灾害预警与应急联动”应用

近日，浙江省水利厅和大数据局联合发文在全省范围内推广小流域山洪灾害预警数字孪生应用建设，将该应用进一步打造为浙江省山洪灾害防御的数字化样板，为浙江经济高质量发展、打造共同富裕示范区保驾护航。金华市“小流域山洪灾害预警与应急联动”应用以问题为导向，需求作牵引，精心构筑4个典型防御多跨场景，以数字化手段实现全域感知、智能预警、仿真预演、多跨协同，重塑山洪灾害防御机制。

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风险识别，一图统揽防御关键信息

根据数据监测技术进行风险的识别，综合态势一图展示可能发生山洪灾害的高风险区、重要村落、地灾风险防范区，标记景点、学校、危房、农家乐、在建工程等重点防御对象；由“转移人员一张单”统计山洪影响人数、待转移人数、已安置人数。

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风险研判，全面提升预报预警精度

采用数字孪生、分布式水文模型、物联网技术，构建数字孪生模型，可以提前按照预报成果动态模拟山洪淹没过程，预先统计预警对象数据，按“提醒注意、准备转移、立即转移”等多级别预警，开展动态研判。

风险识别，一图统揽防御关键信息

采用点对点语音呼叫、视频监控、电子围栏、责任人短信通知等多种方式，解决及时预警问题。在平台监测到强降雨时，远程启动广播点对点语音提醒及预警，同时对危险区域内防御对象进行智能群呼，提醒迅速逃生；打通移动、联通、电信三大运营商，构建“三合一”电子围栏，向区域内全部人员发布预警信息，消除预警死角。

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风险管控，应急协同联动一盘棋

汇集水利、气象、应急、资规等部门数据，打通多个数据源系统，强化各防指成员单位预警发布后的横向联动，跟踪汇集管控措施落实情况，协同开展现场应急处置；纵向强化市县乡村联动，实时掌握基层人员到岗值班、险情巡查情况及危险区人员转移动态。

防汛“四预”应用

防洪“四预”应用一项重要的工作就是在数字孪生流域的基础上开展各类防洪业务应用。采用数字孪生技术是为了实现模拟、监控、诊断、预测、仿真和控制等方面。

流域洪水虚拟化监控

数字孪生技术通过VR技术模拟出整个流域的河流、地形、地貌和水利工程的数字化场景，并将物理流域监测的各类状态数据同步到数字流域，让管理者身临其境查看相关雨情、水情、工情的虚拟实况。降雨量同步为数字化场景中的降雨粒子效果；河道、水库水位同步为数字化场景中的虚拟水位，直观展示水面与防洪保护对象、堤防的关系；监控画面实时与三维虚拟场景融合，形成“虚实融合”的可视化场景。管理者在防洪调度指挥中心就可以直观、真实地查看物理流域的各类细节，达到汛情监视的直观、准确和高效掌握。

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水利工程虚拟化巡查

通过BIM模型和三维仿真技术，将水利工程及相关机电设施设备虚拟化到数字流域中。在数字流域的虚拟现实场景中可通过三维飞行技术支持对河道、湖泊等水利工程的巡查以及支持室内、室外的机电设施、设备状态的巡查。同步水利工程和机电设施、设备状态到数字流域中，在机电设施、设备巡检时，可以及时发现设施、设备存在的问题，提升流域防洪安全保障能力。

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水利工程远程调度与控制

数字孪生技术的“虚实映射”可以控制物理世界的对象。工作人员在数字化场景中进行操作，如机电设备的开关按钮，通过网络传输给远端控制设备，再由控制设备来操作具体的机电设备达到调度的目的。远端设备操作的结果再通过网络传送回至数字流域，在数字流域中映射对应设备的状态，通过数字化场景展示给工作人员，实现物理流域和数字流域的“双向映射”。实际运用中，操作人员甚至可以在数字流域中进行模拟调度与控制，数字流域模拟调度效果，让用户判别调度方案的合理性，选择合适的调度方法，大大减少传统方法调度与控制“试错”带来的成本。

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洪水模拟推演与智能化决策

数字孪生技术支持流域洪水的模拟推演和智能决策。数字流域根据当前的防洪形势，在数字流域中利用对抗神经网络、数字流域模拟系统分析不同的降雨条件下和不同调度控制条件下的洪水影响情况（如淹没面积、影响人口等），对比调度影响和效果，通过智能化决策选择最优的调度方案，实现流域洪水调度“虚拟模拟先行，决策调度在后”，大大提高决策的科学性。在数字流域中利用预测数据（如降雨数值预报）进行超前的洪水推演，工作人员对可能出现的洪涝灾害提前采取应对措施，从而最大限度地避免洪灾带来的损失。

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数字孪生价值

数字孪生流域实现物理流域的精准映射，实现数字流域和物理流域的虚实交互，通过智能干预实现流域防洪调度的智能化决策。随着人工智能技术的发展，数字流域在映射物理流域的各类状态信息的基础上，通过预报预测、模拟推演和智能决策，并自动执行最优化的水工程调度，未来有望在物理流域中实现部分或全部的自主管理。