空天地一体化融合数字孪生赋能山东水利安澜

文｜杨玉柱 赵冉 杨楠

一、需求分析

山东省数字水利建设在“十四五”规划中提出了五大任务，一是巩基础，构建天空地一体化水利感知网，扩大实时在线监测范围。同时，完善水利云网建设，形成“物理分散、逻辑统一”的水利云。升级改造网络核心设备，全面支持 IPv6。二是理数据，构建数字水利数据资源体系。三是强支撑，汇集水利模型、算法模型、机器学习模型，探索构建水利模型库、算法模型库、机器学习库、水利知识图谱。四是智应用，采用空间遥感、倾斜摄影、BIM 等技术，加快推进全省大中型水库、重点河湖流域工程数字化和相关标准化管理应用系统建设进程。五是健保障，健全数字水利保障体系。

二、方案设计

（一）总体功能和架构设计

为确保水库安全运行，充分发挥水库效益，以山东省智慧水利顶层设计为指导，立足于山东省水库管理工作需求，考虑全省水库信息化现状及未来管理需求，在水利信息化资源梳理的基础上，通过资源整合，统筹共建以及必要补充，着力优化资源配置，以小型水库安全管理为突破口，逐步建立起“数据资源知识化、应用系统智能化、标准体系规范化、安全体系可靠化”的水库信息化管理体系，全面提升水库运行管理质量、防汛抗旱能力和强化水库日常监管能力，提高防灾减灾能力，有效保障工程安全、饮水安全与公众安全。

山东省水利厅水库雨水工情自动测报和水库安全运行及防洪调度项目，通过4G/5G网络融合北斗、卫星遥感、雷达、无人机、无人船等能力，建设全省空天地一体化泛在感知网，实现雨水工情自动测报、水库信息数字化管理、纳雨能力分析和流域联合调度预演等，为水库的安全运行及防洪调度提供及时、准确的信息，辅助领导决策，做好水库安全管理，保障水库良性运行。

（二）主要应用技术

1. 5G+F5G构建全省水利泛在感知网

山东数字水利整体架构图

通过5G+F5G构建全省水利泛在感知网，通过网络切片技术隔离不同业务场景，保障重要水利设施数据传输的安全性及稳定性。同时满足视频类数据、移动办公等应用场景。

本文针对全省水利系统网络进行改造扩容升级，实现5G/F5G双千兆到桌面网络，在网络安全方面满足三级等保要求，以确保全水库雨水工情监测信息的可靠稳定传输。

2. 5G+北斗+InSAR遥感卫星在项目中的应用

本文中使用的GNSS RTK接收机采用北斗卫星导航定位技术，兼容GPS、GLONASS系统，支持北斗卫星导航系统（BDS）B1/B2/B3、 GPS L1/L2/L5 和GLONASS L1/L2三系统多频道联合定位服务。采用5G+北斗授时技术，实现全省水库授时精度达到10纳秒的量级。

在水库表面变形监测方面，综合运用5G+北斗/全球导航卫星系统（以下简称北斗/GNSS）监测和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）等技术，具有实现水库群高效精准监测的潜力。北斗/GNSS 表面变形监测技术具有全天候、实时、连续、自动化监测的能力，可在夜间、台风暴雨期间正常观测，能够 24 h 连续不间断地获取大坝变形监测资料。

3. 5G+无人船、无人机实现空天地一体化应用

水上水下一体化，全称船载水上水下一体化三维移动测量系统，水上水下一体采集技术是近两年刚开始应用的新型技术，为航道、库区数据带来了效率最高、精度最高、覆盖面最广、可扩展性最强的解决方案。系统主要由三维激光扫描子系统、多波束测深系统、影像采集子系统、导航定位定姿定向子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统等组成。可以同时采集水底、水岸带大地坐标的高密度点云数据、水底地形数据，以及沿岸地带的全景影像。这些精准的数据可以用于防洪防涝、水库DEM、库区容量计算、淤积状况评估、水岸侵蚀调查、水利设施监管、违章建筑监管等领域。

4.水库安全监测实时拼接显示技术应用

采用无人机及无人船测量数据的实时显示可以有效指导作业人员随时了解数据质量，在多源数据测量显得尤其重要。为了对水上及水下的地形进行连续的测量以及进行三维场景的重建展示，数据采集与处理软件实时接收三维激光扫描设备、多波束测深仪、定位定向分系统、惯性导航分系统等多源数据，实时进行点云归位解算与坐标转换，并将点云在三维空间中加以显示，即涉及点云镶嵌拼接技术。

采用5G+MEC+RTK技术确保了多波束测深仪和激光扫描设备能够同时准确地进行匹配拼接。无人艇载水陆一体化测量系统的出现及推广，是对传统测量方式和船载水陆一体化测量系统的有效补充和智能升级，在地形复杂的水库等人工难以施测的地方作用明显，也可大大提高项目实施效率，节省工期。

5.水利模型平台及流域仿真决策指挥平台

结合5G+MEC边缘计算技术，建设水文、水动力、水工程调度和相关高性能算法、智能算法，为防洪联合调度决策提供“算力”。开发数字孪生模型平台，实现对预报调度等水利专业模型、智能算法的统一管理；开发现有洪水预报产品的精细化洪水预报模型，建立人工智能算法的洪水预报模型，实现在16个断面的实时洪水预报示范应用；建立人工智能算法的防洪调度模型，实现大型水库的智能防洪调度。

三、价值分析

（一）经济效益

在水库治理方面，目前全国现有水库9.8万余座，小型水库占95.3%——小型水库数量众多，而且50%以上无雨水情自动测报设施，90%以上无安全监测设施，隐患问题严重。在国家“十四五”规划中，针对小型水库建设指出，要做到应建尽建，实现小型水库降水量、水库水位、大坝渗流量、压力、表面变形等数据、图像或视频的自动采集报送、分析研判、预警发布。实现“人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击”目标，满足十四五期间对小水库安全运行管理的需要。因此，每年建设任务巨大，总预算约120亿（水利发展资金中安排中央补助资金），其中山东今年招标额度达28亿元，其他省也将有大规模的建设需求，市场需求巨大。

（二）社会效益

该项目的实施有效地保障了全省的用水安全，优化了水资源，净化了水环境，解决了原来病险水库数量多，安全监测设施不全，局地极端暴雨预报准确率不高，山洪灾害预警精度不够、防洪调度预演能力不足、模拟验算功能不强等问题，契合了总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，为助力打造幸福山东、美丽山东提供了坚实的支撑。