基于数字孪生的城市防洪排涝智能决策平台设计

来源：核心期刊咨询网时间：2022-05-21 11:2312

摘要：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

　　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

　　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。

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