基于数字孪生的城市防洪排涝智能决策平台设计

姚志武 管林杰

摘要：传统的城市防洪减灾手段已难以应对越来越复杂的气候变化和快速发展的城镇化，根据防洪减灾、水资源调度、水利工程监控特点，基于数字孪生，结合物联网、GIS技术、信息处理与多媒体技术等新一代信息技术，设计并开发了一套城市防洪排涝智能决策平台，大大地提高了预警抢险的机动性和时效性，可为水利主管部门分析决策、综合调度、科学指挥提供技术保障。

关键词：城市防洪排涝; 智能决策; 数字孪生; 物联网; GIS

中图法分类号：TU998.4文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.018

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0099 - 05

0 引 言

南昌市位于江西省的中北部，地处赣江下游、鄱阳湖湖滨地区，夏、秋季节出现的连续性大雨和暴雨是造成地区洪涝水患的主要原因[1]。目前，南昌市四大防洪排涝管理处（赣东大堤城区防洪排涝工程管理处、昌南城市防洪工程管理处、昌北防洪排涝工程管理处、南隔堤堤防工程管理处）已初步完成闸泵的现地操作，实现了闸泵运行信息的测量与监视。然而城市的湖泊、河道、大小排水渠道通过闸门、泵站的连接构成了一个复杂的水网，每个闸门启闭引起的水位、流量变化都会经过渠道洪水的传播影响到其他闸门的运行，因此任意闸门的运行调度都不是一个独立的计算决策过程，而是需要从水系整体出发，考虑不同闸门之间的相互联系、相互影响作用[2-3]。

針对四大防洪管理处信息分散、各自调度等特点，本文基于数字孪生，利用物联网、GIS技术、信息处理与多媒体技术等新一代信息技术，设计并开发了一套城市防洪排涝智能决策平台，通过对整个河网水系在洪水过程中的优化分配，充分发挥现有渠道的行洪能力、槽蓄作用，提高了水系的排涝水量和防洪能力，实现了系统的防洪作用和排涝效果整体最优[4]。

1 系统总体设计

1.1 总体架构设计

城市防洪排涝智能决策平台体系架构分5层，自下而上依次为基础设施层、数据资源层、平台服务层、业务应用层和用户层，如图1所示。

（1） 基础设施层。作为前端数据采集和平台运行的支撑，前者为各类数据监测与采集设备，包括水位计、流量计、闸泵信息、视频资源等;后者为服务器和存储资源池组成，包括计算与存储、网络及通信等。

（2） 数据资源层。作为平台运行的血液，为智能决策平台提供数据资源，主要包括基础信息数据库、实时监测数据库、水雨情数据库和视频监控数据库。

（3） 平台服务层。在数据库管理平台、数据共享交换平台、GIS平台和云计算平台支撑下，建立统一的服务平台，实现对防洪排涝多时序空间数据的管理、分析及可视化呈现，为应用层提供地理信息服务、实时数据服务、框架服务、前端组件服务及运行类服务等[5]。

（4） 业务应用层。作为智能决策平台建设的核心，是支撑防洪日常管理和排涝智能调度的数字化、一体化和可视化管理平台，具体涵盖水雨情监测、水库监测管理、气象信息管理、闸泵调度、视频管理、发文管理、值班管理和系统管理。

（5） 用户层。平台的主要用户包括管理处业务人员、上级管理部门、技术支撑单位和社会公众。其中，上级管理部门指水利局水旱灾害防御科业务人员，通过分析四大管理处回传的实时信息，对整体防洪排涝部署进行统筹管理、综合调度，同时指导并监督管理处工作人员日常工作。

1.2 网络结构设计

南昌市防洪排涝智能决策平台的网络结构包括两个层次：① 四大防汛管理处与水利局信息中心互联的骨干网络;② 各个管理处内部水位计、流量计、视频监控设备等物联设备与管理处信息中心构建的局域网络。骨干网络数据通信量大，对数据通信会产生全局性的影响，要求相对较高[6]。通信网络从功能上分为视频数据通信网和管控数据通信网，其中视频数据通信网用于传输视频监视系统的视频数据，管控数据通信网用于满足泵站监控及闸泵运行监视的需求[7]。

1.2.1 骨干网络

平台骨干网络将四大防洪排涝管理处的信息中心局域网统一连接到水利局信息中心。骨干网络采用星型结构，网络介质选用单模光纤，通过水利专网方式进行联通[8]。综合考虑业务需求和安全性问题，各个管理处闸泵远程控制权限不对水利局信息中心开放，仅提供各类物联信息的统一集成。

1.2.2 管理处局域网

各个管理处信息中心采用TCP/IP以太网，是其所管理电排站、水闸、视频监控等设备信息的汇聚点。昌南管理处的网络分办公区和管理信息区，其中办公区通过核心交换机与各电排站的办公网络进行连接，各电排站闸泵自控信息和视频监控信息分别连到管理处的计算机监控服务器和视频监控服务器，并通过网闸进行隔离，从而使外部攻击者无法直接入侵、攻击或破坏闸泵远控系统。此外，日常办公网络与互联网和水利专网连接，在连接之前加设了防火墙。图2是昌南城市防洪工程管理处局域网架构图。

1.3 数据库设计

数据是实现城市防洪排涝智能决策的基础，通过透彻感知，全方位、全对象、全指标的监测手段，提供城市防洪排涝主要特征指标数据和相关的环境、水文、气象等多种类精细化的数据[9]。

该平台通过整合雨情、水情、工情等防汛排涝关键信息，融合南昌市气象局预报内容及水文系统等相关数据，通过地理信息系统“一张图”，以多种数据可视化方法汇集综合展示雨水情、气象、山洪灾害、防洪工程、防汛值班等相关信息，并对其进行全面分析处理，为防汛排涝风险研判及决策提供了直观高效的分析与管理平台，为日常防汛排涝管理工作提供相关便利。智能决策信息平台数据库组成如图3所示。

防洪排涝平台数据库的数据源分四大类：

（1） 基础信息数据库。包括基础空间数据（涉及水系、道路、高清影像、数字高程模型等）、水利工程信息、预报模型数据和调度方案数据等。

（2） 实时监测数据库。主要指各闸泵、水位计、流量计的实时监测信息，其中闸泵实时监测信息包括闸门开度情况、泵站开启状态等。

（3） 水雨情数据库。包括水情信息、雨情信息、气象信息等。水情信息包括水文站分布和各站点水位、流量过程等;雨情信息包括雨量站分布和各站点雨量监测信息;气象信息包括区域的雨量、气温、湿度、风速等。

（4） 视频监控数据库。涵盖各个水闸的闸前闸后视频信息、重要水域断面视频信息、城区易涝区域视频信息等。

2 系统功能设计

整个平台的开发充分结合地理信息技术和物联网技术，采用B/S架构，通过浏览器在网页上展示和访问平台。后端开发采用目前主流的SSM（Spring、SpringMVC、MyBatis）框架，前端开发采用vue.js（一套构建用户界面的渐进式框架），地图展示使用openlayer技术方案，数据管理与地图服务发布使用Oracle和ArcGIS Server平台[10]。平台设计并开发了水雨情监测、闸泵调度、视频监控、发文管理、值班管理等模块。

2.1 水雨情监测

本模块通过集成雨量站、水文站等设备采集的实时气象和水雨情数据，动态监测各测站是否超警戒、超历史、超保证、超设计等指标，实时监控各站点周边的汛情，并通过地图方式直观地展示预警站点。

同时，平台也融合了已有气象实时监测数据，导入天气预报、气温、降水量、风力风向、空气质量、相对湿度、卫星云圖等多个气象要素，融合多日气象预报信息，动态监测预警可能的暴雨和少雨警报，支持用户对实时信息进行搜索查询、分类统计、详情查看、地图操作、卫星云图滚动播放、气象预报报表生成与下载等。

2.2 闸泵调度

本模块通过集成南昌市水利局4个防洪排涝工程管理处构建的水文站、视频站、工情监测设备、工情自动化启闭设备等设备采集的实时工情、气象和水雨情数据，融合所在区域气象数据、河道数据等，运用系统分析理论，构建防汛排涝优化调度模型，将河道、湖泊、水闸、泵站进行有机结合，实现调度期内涝水的合理调配和调度，为南昌市城市防洪排涝调度方案的制定和防洪决策支持提供参考。

2.3 视频监控

本模块针对全市重点监控水库、重点堤防、城区易涝点、管理处闸泵、重要水域断面等区域，实现实时视频监控的布设与信息集成。平台通过地图展示的方式，将各类监控摄像头实际地理位置关联叠加在电子地图上。用户通过点击摄像头图标进行详情查看、视频监控查看和操作。

考虑到水库、堤防、重要水域断面等位置周边网络及信息化基础设施建设情况，部分摄像头采用WIFI/4G等无线网络数据传输方式。

2.4 发文管理

本模块通过融合电子政务公共管理平台，实现对县区水利部门、水旱灾害防御科室及局属各单位进行信息化统一发文管理，并对收发文执行情况进行记录和归档。

平台支持水利局工作人员将收到的防洪排涝公文通过统一的平台对指定单位或工作人员进行发送，并记录管理相应收件人当前收文状态。同时，作为接收各类防洪排涝文件的总入口，对已收和未收文件进行信息化管理，并对收文人员进行收文提醒。

2.5 值班管理

本模块将现有值班管理进行电子化，值班管理人员可在电脑端或移动端对当前防汛值班进行编排，设置打卡时间、地点，指定打卡人员，对打卡地点及打卡区域大小进行配置，形成的值班表可根据参与人员进行发布、查看、修改、删除、报表生成与下载等功能。

3 系统关键技术

3.1 基于NB-IoT的信息集成

NB-IoT是一种基于蜂窝通信3G/4G演进的物联网通信技术，在城市防洪领域可以快速、安全、低成本地实现对遥测终端的信息采集、状态监测和控制指令下发等远程操作，以提高遥测终端的网络接入率，并实现更有针对性的动态管理[11]。

平台实时监测系统主要分为现场监测设备（水位计、流量计等）和监测中心接收处理设备两部分。现场监测设备主要包括传感器、RTU终端控制器、DTU通讯设备、协议转换模块等，其中RTU用于采集、存储和处理计量设备数据，DTU通讯设备用于将RTU采集的数据通过GPRS/NB-IoT无线传输网络发送至监测中心数据接收服务器[12]，如图4所示。

3.2数字孪生驱动的闸泵调度优化

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[13]。

防汛排涝业务中，管理处所管理的泵站、泄洪闸具有极其重要的作用。传统的闸泵调度方案一般是应对已经发生的问题，结合已有调度经验进行决策，这样不仅会降低决策方案的科学性，并且具有滞后性。通过监测各泄洪闸前水位实时变化数据，并充分参考学习以往泄洪调度经验，结合当前水位信息、降水等因素，预测下一阶段水位变化趋势，为快速制定防洪排涝调度方案提供技术支撑[14]。基于数字孪生的闸泵调度框架如图5所示。

4 结 语

针对传统方式城市防洪排涝方法的不足，南昌市基于数字孪生技术构建了城市防洪排涝智能决策平台，建立了基于数字孪生的智能预测方法和可视化管理方法。通过建立“感知-预测-行动”的方案体系，将传统“事情发生-解决问题”的思路转变为“预测事情发生-提供问题解决方案”，为南昌市水利局科学、合理进行防洪排涝调度提供了技术支撑，同时也为防汛排涝风险研判及决策提供了直观高效的分析与管理平台，为防汛排涝管理工作提供便利。

参考文献：

[1] 乔典福.海绵城市背景下南昌市防洪排涝规划对策研究[D].广州：广东工业大学，2016.

[2] 梁益闻.城市河湖闸泵群防洪排涝优化调度模型研究[D].武汉：华中科技大学，2018.

[3] 钟玉秀，王亦宁.加强城市防洪排涝工作的思考和建议[J].中国水利，2017（13）：4-6.

[4] 刘曙光，周正正，钟桂辉， 等.城市化进程中的防洪排涝体系建设[J].科学（上海），2020，72（5）：32-36.

[5] 姚志武，管林杰，李俊辉， 等.基于微服务的国土资源一张图平台关键技术研究[J].矿山测量，2020，48（6）：53-56.

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[13] 陈志鼎，梅李萍.基于数字孪生技术的水轮机虚实交互系统设计[J].水电能源科学，2020，38（9）：167-170.

[14] 邹明忠，缪岳军，张丽， 等.圩区防洪调度预警预报系统——以江阴市马甲圩为例[J].水利信息化，2020（4）：63-67.

（编辑：李 晗）

Design of intelligent decision platform for urban flood control and drainage based on digital twin

YAO Zhiwu1，2 ， GUAN Linjie1，2

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. ， Ltd. ， Wuhan 430010， China; 2.Changjiang Space Information

Technology Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract：Traditional urban flood prevention and disaster mitigation methods relying on man-power are difficult to cope with the increasingly complex climate change and the rapid development of urbanization. According to the characteristics of flood prevention and disaster reduction， water resources dispatching， water conservancy project monitoring， and based on the digital twin and combining the Internet of Things， GIS technology， information processing and multimedia technology and other new-generation information technologies， an Intelligent Decision Platform for Urban Flood Control and Drainage was designed and developed， which can greatly improve the mobility and timeliness of early warning and emergency rescue， and provide technical support for the analysis and decision-making， comprehensive dispatch and scientific command of the water conservancy authorities.

Key words： urban flood control and drainage; intelligent decision; digital twin; Internet of Things; GIS

收稿日期：2021-09-22

基金項目：湖北省技术创新专项基金重大项目（2019ACA159）

作者简介：姚志武，男，注册测绘师，硕士，主要从事GIS软件开发与水利信息化工作。E-mail：292836274@qq.com