2024优秀案例丨福州联排联调水系科学调度数字孪生平台

为了加强城区防涝与水系调研调度的管理，福州市于2017年3月首创治水机构：城区水系联排联调中心，彻底改变了原有的“九龙治水”工作模式，创新性的治水工作机制，充分发挥联排联调中心的防洪、排涝、调水、除黑臭功能。其汛期时主要是防治内涝，接受市防汛抗旱指挥部的统一调度，及时调控城区内河、水库水位，并对可能发现的内涝情况进行应急处置；非汛期时主要是保持水质水量，围绕“让水多起来、让水动起来、让水清起来”的目标开展各项工作。

2018年，摸索利用信息化手段来实现福州市城区水系的智能调度，基于多源排水防涝数据，采用窄带传感网、空间分析、三维仿真、移动互联、大数据、云计算等技术、空间分析等技术，搭建福州城区水系科学调度系统，覆盖福州中心四城区400平方公里的范围。85个雨量站、390个水质水位、750个路面积水、1604个管网水位监测点组成的水系监测体系就像“眼”；集成降雨预报、水动力、水质、大数据、联排联调等智能分析、预测与调度的模型集是“脑”；通过对5座水库、3个海绵公园、1个调蓄池、23个排涝站、114个水闸、78个泵站、22个截污泵井等全市水系工程要素进行自动化改造，从而实现的远程控制，就像“手”。“眼、脑、手”合力，实现城区排水防涝“雨前预排预泄、提前布防，雨中辅助决策、统一指挥，雨后消缺整改、优化系统”的科学指挥调度，实现了综合化城市内涝治理，降低了内涝灾害损失，全面提升了福州城区防涝、治涝水平。

水利部在《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》提出“以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径、以构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有‘预报、预警、预演、预案’功能的智慧水利体系”要求。同时，福州市“十四五”数字福州专项规划明确提出“以联排联调中心城区水系科学调度为起点，将智慧化治理能力从治水单一场景延伸拓展至城市治理的各方面，鼓励各部门围绕本职工作建设专业化分脑并接入”，构建福州城区水系治理的数字孪生场景，提供水系治理全息数据服务，进一步探索AI、大数据分析为水系科学调度提供决策支持的应用场景，提升水系科学调度“脑容量、脑逻辑、脑感知”，建设福州水系科学调度孪生平台，实现更精准预判，为领导提供辅助决策，进一步提升福州的防灾减灾能力。

1、 建设目标

本案例面向水系治理和内涝防治部门，建设地形级、城市级、部件级的水系三维模型，实现数据的全面感知、展示和分析，为决策者提供清晰、全面的视角。同时，整合监测预警、指挥调度等数据资源，形成福州水系数字孪生底座。融合大数据、数字孪生、AI分析等技术应用，将数据、技术、设备与防汛指挥需求有机结合，覆盖水安全、水环境、水文化等多个业务领域，以数字孪生的形式实现重点雨情、水情、工情等模拟推演和复现，通过“眼”、“脑”、“手”一体联动，全面支撑水系治理决策。

2、 建设内容

本案例主要包括数据资源建设、孪生支撑系统、水系科学调度孪生平台三方面内容。总体架构如图1所示。

图1 总体架构图

2.1、 数据资源

搭建城区水系专题三维场景模型，用于积水风险点灾害布控等水系管理工作。具体建设内容如下：

（1）地形级建模

搭建水系专题大场景环境，包括地形、建筑、水系，并以可视化的方式在三维场景中分析呈现。通过DEM（数字高程模型）叠加DOM(正射影像)制作三维地形模型，展现城市的地形的细节和特征，包括宏观地形的起伏、山脉、河流等；基于倾斜摄影单体化仿真三维建模技术制作建筑三维模型，高精度高质量还原建筑的真实轮廓及立面景观效果，辅助管理者更好地了解周边实地情况。利用水系面数据构建水系模型，赋予动态水效果，营造微波粼粼的效果。

（2）城市级三维建模

搭建城市级三维模型，包括河道、库湖、道路，并以可视化的方式在三维场景中分析呈现。基于倾斜摄影单体化仿真三维建模技术制作，展示闸站、河岸和河床的详细结构和形态，通过三维模型清晰展示河道的轮廓程度、河床的高低起伏以及闸站的位置和规模；采用无人机倾斜摄影技术捕捉数据，全方位、无死角地拍摄地面信息，真实再现道路网格的结构和布局，为城市管理者提供更准确地评估城市的排涝能力。

（3）部件级三维建模

采用倾斜摄影结合激光雷达扫描技术，进行排涝站室内外精细建模，等比例还原闸站的各类部件，提供更加精细和真实的视角。

2.2、 孪生支撑系统

孪生支撑系统包括动效增强服务、知识库服务、智能识图服务等内容。

（1）动效增强服务

利用现代计算机技术和三维图形学技术来提高三维模型的真实感、细节和交互性。带来更加逼真的视觉效果和更加自然的动作表现。包括着色、渲染、粒子系统、特效等的使用。

（2）知识库服务

通过知识库服务集成各种水系相关知识内容，实现分析水系数据和历史场景，辅助支持决策。

（3）智能识图服务

集成智能化视频监控，辅助日常业务工作的开展。主要包括智能识图能力的应用，利用AI，对视频监控画面图像进行特定方向的自动分析和处理，实现视频监控更加智能化、自动化。如在路面积水时，视频监控设备自动抓取积水照片，并可自动生成积水事件。

（4）气象预测服务

集成第三方平台气象预测产品或者服务，以提高气象预测的准确性和可靠性。主要包括精确更加准确的降雨及气象雷达图等。

2.3、水系科学调度孪生平台

（1）监测体系

系统耦合集成了雨量、河道液位、管网监控、路面积水、河道视频监控等总计3126个点位数据，共享接入“平安福州”近8万路路面视频监控，，形成了“天-地”一体化的监测体系，并基于数据清洗、数据挖掘等大数据技术对监测数据进行全方位治理，实现了对城区水系内涝、水环境问题的智能预警与情势分析。监测体系图如图2所示。

图2 监测体系图

（2）预警预报体系

构建了基于动力学的物理模型和基于大数据的人工智能模型的城市河道洪水模拟、内涝模拟和水质模拟模型，结合精细到1km网格的数值天气预报模型成果，可实现未来2小时的城市内涝、未来24小时河道洪水以及未来3天河道水质的精准预测；基于大数据和人工智能技术对历史调度样本进行系统分析，创建了适用于福州汛期防洪排涝和非汛期生态保护等不同场景的调度方案库，可根据调度实况实时推送调度建议方案，为城市水系联排联调打造了一套精准可靠的“大脑”。内涝模拟如图3所示。

图3 内涝模拟图

（3）科学调度体系

构建了集成监测信息、科学调度决策信息、人车物实时状态信息等指挥决策全要素的“一张图”，并结合大数据、物联网、移动互联网以及云计算等技术，建设了联排联调移动指挥平台，可实现人员、车辆、物资的实时联动指挥，为应急布防、应急处置提供强有力的支撑；同时，对全市水系各工厂要素进行自动化改造，构建了自动化控制系统，综合调度城区的库、湖、池、河、闸、站，实现城区水系闸泵群的实时联动控制。自动化控制系统如图4所示。

图4 自动化控制系统图

（4）水安全

打造城区水安全沙盘，实现城区水系全要素全景和特定条件下二三维综合展示，快速、直观发现、分析和解决问题。应急管理机制结合数字孪生技术的展示应用，提供沉浸式的用户体验，辅助决策，采取及时有效的调度措施，减少洪涝灾害带来的影响。主要建设内容包括水安全综合展示、水安全统计数据看板、调度协调、态势感知、模拟反演。水安全沙盘如图5所示。

图5 水安全沙盘界面

（5）水环境

通过打造城区水环境沙盘，通过对内河水质的监测、数据分析等方面进行系统化管理，实现内河水质的持续改善。主要建设内容包括水环境综合展示、水环境统计数据看板、水系巡查统计、环境专题展示、纳潮引水等。

（6）水文化

打造城区水文化沙盘，旨在以图片、文字、视频等多媒体方式全面展示福州市在智水领域的发展历程、重要事件以及水文化的丰富内涵。

1、全息融合，数字孪生治水

通过建设地形级、城市级、部件级的水系三维建模，实现福州城区水系、河道、湖体、道路、下穿通道、排涝站等要素的三维模型建设，以逼真的方式呈现水体、地形、建筑等要素，同时整合已有的排涝站点三维模型，大量水系治理业务数据，进行数据治理和全面融合关联，建立水环境、水安全、水文化的数据图谱，形成了福州水系数字孪生全息数据底座，为决策者提供丰富而准确的数据支持，提升了城市水系治理的科学性和效率。

2、IOT+AI分析，精准决策防汛抗灾

结合降雨、水文水动力分析模型，以数字孪生可视化方式实现重点雨情、水情、工情等模拟推演和复现，实现水流演进、IoT+水流分析、水体监测和事件反演过程。通过场景模拟，不仅提供更好的视觉效果，还能更快了解水系情况，从而更全面地分析总结历史问题。有助于决策者更直观地观察水流动态、设施状态等关键信息，更迅速地捕捉到可能存在的问题和风险，为防汛抗灾的及时应急提供了更为可靠的决策依据，提高城区水系联排联调中心的科学决策水平。

3、协调调度，全面支撑水系治理决策

智水沙盘不仅注重水系孪生场景的建设，更强调协调调度的全面支撑。通过集成水系相关知识内容，实现对台风、雷达、雨量、河道、库湖、河道闸泵、雨污泵站、积水、管网、排口、视频信息、值守点、布防图、人员、车辆、重要事件、排涝站点监测分析和预警告警，为综合决策提供更为丰富的信息。同时基于科学调度方案，智能化地落实相关事项，确保“事前、事中、事后”等环节各单位和人员工作职责配合执行到位。人员、车辆到岗到位和工程调控调度指令自动提醒和状态实时更新，使得调度过程更加协同高效。

近年来，各地频现洪涝灾害造成的巨大的生命财产损失，给城市的可持续发展带了重大影响，同时随着新时代新时期中国社会主义的建设发展，人民群众对生态环境要求和幸福感、获得感要求更高，需要综合提升城市安全韧性水平和宜居幸福指数。而本项目案例通过实施水系智慧管理与数字应用深度融合，让水系联排联调机制成为全国城市水系管理的行业标杆，实现由“人防”治水向“数字”管水转型。2020年国家发改委印发《国家生态文明试验区改革举措和经验做法推广清单》，对“福州城市水系综合治理创新机制”改革举措和经验做法进行全国推广。2021年4月，国务院办公厅出台《加强城市内涝治理的实施意见》，明确提出要建立健全城区水系“联排联调”运行管理模式。因此案例可以为全国城市治水借鉴，用科技赋能，通过水系“智治”保障城市水安全、水环境，构成城市特色水文化，用智慧化助力城市可持续建设发展，具有广泛的推广应用价值。

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