數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)總體技術(shù)指南

數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)總體技術(shù)指南1范圍本文件提供了數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)中信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺和共建共享等技術(shù)指南。本文件適用于數(shù)字孿生水利建設(shè)，支撐水利業(yè)務應用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T22239信息安全技術(shù)網(wǎng)絡安全等級保護基本要求GB/T22482水文情報預報規(guī)范GB/T30319基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫基本規(guī)定GB/T35637城市測繪基本技術(shù)要求GB/T36625.3智慧城市數(shù)據(jù)融合第3部分：數(shù)據(jù)采集規(guī)范GB/T51212建筑信息模型應用統(tǒng)一標準SL323實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符SL/T701水利信息分類與編碼總則SL/T797水利空間數(shù)據(jù)交換協(xié)議SL/T803水利網(wǎng)絡安全保護技術(shù)規(guī)范SL/T809水利對象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標識符DB32/T3841水利工程建筑信息模型設(shè)計規(guī)范3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1物理水網(wǎng)physicalwaternetwork自然水系及不同時期治水實踐過程中形成的水工程體系，以江河湖庫、堤防、水閘、泵站等為表現(xiàn)形式的物理實體。3.2數(shù)字孿生水網(wǎng)digitaltwinwaternetwork物理水網(wǎng)的時空映射、智能模擬、虛實交互、迭代優(yōu)化的數(shù)字系統(tǒng)。3.3數(shù)據(jù)底板database物理水網(wǎng)及所在區(qū)域自然地理、社會經(jīng)濟、水利管理活動的涉水信息全要素數(shù)字映射。3.4模型平臺modelplatform數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)中集成水利專業(yè)模型、智能模型、可視化模型等，統(tǒng)一提供定制組裝、定向開發(fā)、標準服務的核心組件。3.5知識平臺knowledgeplatform數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)中集成水利知識庫、知識模型和水利知識引擎等，統(tǒng)一提供各類知識服務的核心組件。3.6數(shù)字孿生水網(wǎng)平臺digitaltwinwaternetworkplatform實現(xiàn)水網(wǎng)數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺等數(shù)字資產(chǎn)的融合、治理、挖掘和服務的共建共享平臺。4縮略語下列縮略語適用于本文件。5G：第五代移動通信技術(shù)（5thGenerationMobileCommunicationTechnology）IPv6：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（InternetProtocolVersion6）SDN：軟件定義網(wǎng)絡（SoftwareDefinedNetwork）GIS：地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）5總體要求5.1數(shù)字孿生水網(wǎng)由信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺四部分構(gòu)成，支撐水旱災害防御、水資源管理與調(diào)配等業(yè)務應用?？傮w架構(gòu)見圖1。5.2數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)宜以數(shù)字孿生水網(wǎng)平臺為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，提供資源共享。5.3數(shù)字孿生水網(wǎng)建設(shè)宜優(yōu)先使用國產(chǎn)技術(shù)與軟硬件產(chǎn)品，與主流軟硬件適配，迭代優(yōu)化。5.4數(shù)據(jù)底板、專業(yè)模型、知識庫宜建立動態(tài)更新機制，保障物理水網(wǎng)與數(shù)字孿生水網(wǎng)的實時映射，宜具備數(shù)據(jù)回溯功能。5.5模型平臺模擬計算、渲染效率宜滿足實時輔助決策與流暢運行的需求。5.6針對《XX省骨干河道名錄》和《XX省湖泊保護名錄》中的河道、湖泊數(shù)據(jù)底板建設(shè)，其精度可參照水利部數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板地理空間數(shù)據(jù)規(guī)范，流域性骨干河道底板建設(shè)精度宜達到L3級；省管湖泊、區(qū)域骨干河道、跨縣重要河道、縣域重要河道宜達到L2級及以上；其它河道和湖泊宜達到L1級及以上。5.7水利工程建筑信息模型精度宜達到DB32/T3841中LOD200及以上。5.8空間基準采用2000國家大地坐標系（CGCS2000），在全省范圍內(nèi)采用地理坐標；高程基準采用1985國家高程基準，采用其它高程系應注明換算關(guān)系。圖1數(shù)字孿生水網(wǎng)總體架構(gòu)6信息化基礎(chǔ)設(shè)施6.1水利感知網(wǎng)6.1.1目標任務以支撐水利業(yè)務需求為目標，明確信息采集范圍與監(jiān)測對象，制定感知站網(wǎng)布設(shè)原則，確定氣象、水文、水質(zhì)、水生態(tài)、工程運行狀態(tài)與安全等監(jiān)測要素。6.1.2監(jiān)測手段完善傳統(tǒng)監(jiān)測手段，加強衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機（船）、機器人和視頻識別等“空-天-地”一體化監(jiān)測手段應用，滿足水利業(yè)務對數(shù)據(jù)和信息在空間尺度、時間頻次、精度等方面的需求；具備突發(fā)涉水事件應急處置的現(xiàn)場信息感知能力。6.2水利信息網(wǎng)水利信息網(wǎng)宜包括以下內(nèi)容和要求。a）水利工控網(wǎng)、水利業(yè)務網(wǎng)和電子政務網(wǎng)。b）支持5G及以上、IPv6、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡技術(shù)，支持基于SDN資源動態(tài)調(diào)配。c）水利工控網(wǎng)宜獨立組網(wǎng)、物理隔離、數(shù)據(jù)推送。6.3水利云資源水利云資源宜包括以下內(nèi)容和要求。a）存儲、計算、渲染、服務等功能。b）可采取集中式和分布式相結(jié)合的方式建設(shè)。c）宜充分考慮多用戶并發(fā)的高性能渲染資源配置需求。7數(shù)據(jù)底板7.1數(shù)據(jù)資源7.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息包括以下對象。a）江、河、湖等河網(wǎng)水系及水域空間。b）水庫、閘、泵、堰、涵洞、堤防、圩區(qū)、蓄滯洪區(qū)等水利工程。c）供水、排水等管網(wǎng)工程。d）雨情、水情、工情、水質(zhì)、水資源、水生態(tài)、視頻監(jiān)控等水利監(jiān)測站網(wǎng)。7.1.2監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括雨情、水情、工情、水質(zhì)、取用水、泥沙、地下水、墑情、河勢、積淹、災情、水利工程安全監(jiān)測、視頻、輿情等感知數(shù)據(jù)。7.1.3業(yè)務管理數(shù)據(jù)主要指“2+N”水利治理管理活動中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，其中“2”指水旱災害防御、水資源管理與調(diào)配業(yè)務，“N”指生態(tài)河湖監(jiān)管、水利工程建設(shè)與運行管理、水土保持、農(nóng)村水利水電、節(jié)水管理與服務、水行政執(zhí)法、水利監(jiān)督、水文管理、水利行政、水利公共服務等其他業(yè)務。7.1.4跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)主要包括公安、自然資源、生態(tài)環(huán)境、住建、交通、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、氣象、大數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計等部門的跨行業(yè)數(shù)據(jù)。7.1.5地理空間數(shù)據(jù)面向數(shù)字孿生水網(wǎng)業(yè)務的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖、數(shù)字表面模型、實景三維、地理實體、傾斜攝影、激光點云、水下地形、城市信息模型、水利構(gòu)筑物建筑信息模型等數(shù)據(jù)。7.2數(shù)據(jù)獲取宜從以下幾種方式中獲取數(shù)據(jù)。a）L1級數(shù)據(jù)底板共享XX省級基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，遵循SL/T797利用XX省水利地理信息服務平臺數(shù)據(jù)、洪水風險圖、自然災害綜合風險普查等數(shù)據(jù)資源進行定期更新，重點補充地理空間數(shù)據(jù)。b）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要依據(jù)水利普查、水旱災害風險普查成果或通過調(diào)查與測量方式獲取。c）監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過對接縱向水利部門水雨情（SL323）、水質(zhì)、工情、水資源等數(shù)據(jù)庫及視頻平臺獲取，共享橫向局委辦數(shù)據(jù)，并進行必要的補充建設(shè)。d）業(yè)務管理數(shù)據(jù)通過整理對接行業(yè)日常管理過程中和業(yè)務系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)獲取。e）跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)通過政務外網(wǎng)共享獲取。f）地理空間數(shù)據(jù)通過高分遙感影像解譯、無人機傾斜攝影、工程設(shè)計文件提取等方式獲取。7.3數(shù)據(jù)模型水利數(shù)據(jù)模型遵循SL/T701等水利信息分級分類規(guī)范，通過關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、回歸分析等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，構(gòu)建空間對象、屬性、關(guān)系特征和其它語義一體化組織的數(shù)據(jù)模型，形成描述水利信息全貌的模型體系。水利網(wǎng)格模型根據(jù)行政區(qū)劃、自然流域、排水分區(qū)、水資源分區(qū)、集水單元、圩區(qū)單元、河段和數(shù)值計算等需求構(gòu)建網(wǎng)格化管理模型，形成一套多元化、精細化、個性化的水利網(wǎng)格化體系。7.4數(shù)據(jù)引擎7.4.1數(shù)據(jù)融合按照GB/T36625.3的要求，對多源異構(gòu)涉水數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)清洗、格式與類型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)歸一化、數(shù)據(jù)簡化等規(guī)范化處理。7.4.2數(shù)據(jù)治理數(shù)據(jù)治理結(jié)合應用場景，綜合考慮模型與底板構(gòu)建和信息展示的數(shù)據(jù)需求，采用數(shù)據(jù)標準、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)標簽等方法，遵照GB/T30319、GB/T35637、GB/T51212、SL/T809等要求，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)進行比對、質(zhì)檢、關(guān)聯(lián)、標識等治理工作。7.4.3數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘運用統(tǒng)計分析、機器學習、模式識別等方法從數(shù)據(jù)資源中發(fā)現(xiàn)物理水網(wǎng)全要素之間存在的關(guān)系、水利治理管理活動全過程的規(guī)律，通過圖形、圖像、地圖、動畫等方式展現(xiàn)，包括描述性、診斷性、預測性和因果性分析等。7.4.4數(shù)據(jù)服務數(shù)據(jù)服務主要包含以下方面。a）水利數(shù)據(jù)查詢服務，提供水利知識庫全文檢索、全域檢索功能，查詢數(shù)據(jù)通過RestfulAPI標準接口進行獲取。b）水利專業(yè)服務，提供基礎(chǔ)屬性信息類、統(tǒng)計分析類、水文信息類、模型結(jié)果類、業(yè)務信息類等數(shù)據(jù)服務，定期更新發(fā)布數(shù)據(jù)目錄。8模型平臺8.1構(gòu)建原則模型平臺宜按照“組件化、標準化、通用化”思路和共享共用的原則構(gòu)建，并具備“模型構(gòu)建靈活化、模型業(yè)務應用標準化、模型服務定制化”特點。8.2專業(yè)模型構(gòu)建內(nèi)容水利專業(yè)模型主要包含以下方面。a）水利機理模型主要涉及水文模型、水資源模型、水質(zhì)模型、水生態(tài)模型、泥沙動力學模型、水土保持模型、水利工程安全模型等，模型宜具有水旱災害預測預報、洪水演進、水資源優(yōu)化調(diào)度、水環(huán)境預測預報、水利工程調(diào)度等模擬功能等。b）水利大數(shù)據(jù)模型宜基于歷史同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用水利專業(yè)模型產(chǎn)生數(shù)據(jù)，補充相似或歷史數(shù)據(jù)不足，基于大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)，加強機理模型與人工智能模型的技術(shù)融合，對水文、水動力、水質(zhì)等過程進行模擬與預測。c）水利優(yōu)化決策模型采用智能算法搜索調(diào)度目標最優(yōu)解，實現(xiàn)水利工程多目標優(yōu)化調(diào)度與智能決策。8.2.2技術(shù)要求專業(yè)模型宜符合以下技術(shù)要求。a）專業(yè)模型的構(gòu)建宜充分整合利用已有模型相關(guān)研究成果。模型尺度宜根據(jù)業(yè)務需求確定，確保模型邊界封閉，宜從流域、區(qū)域、城市、圩區(qū)、湖泊、水庫等尺度構(gòu)建模型。b）機理和大數(shù)據(jù)模型模擬精度宜達到GB/T22482乙級及以上水平。c）水利專業(yè)模型可基于自研代碼或第三方的水利專業(yè)模型構(gòu)建，應滿足可封裝、可部署、可上架、可訂閱等技術(shù)要求。d）模型支持在線率定驗證，滿足實時滾動運行的需求；計算效率宜滿足實時輔助決策的需求；模型宜支持模擬計算結(jié)果與實況進行對比、分析與校正。8.3智能模型8.3.1構(gòu)建內(nèi)容采用人工智能理念和云邊協(xié)同模式，通過機器學習框架從遙感、視頻、語音等數(shù)據(jù)中提取水利對象特征、模擬關(guān)鍵行為和狀態(tài)，輔助精準研判與決策。智能模型主要包含以下方面。a）遙感解譯采用機器學習算法訓練圖像語義分割與提取模型，實現(xiàn)遙感圖像中地表水體、岸線、土地利用等特征的提取和自動識別。b）視頻識別基于深度學習等技術(shù)構(gòu)建對象識別、行為識別、狀態(tài)識別等模型，實現(xiàn)岸線突變、水尺讀數(shù)、閘門啟閉狀態(tài)、周界入侵、漂浮物、垃圾堆放、水體顏色等結(jié)構(gòu)化信息提取和自動識別。c）語音交互基于自然語言理解等技術(shù)，實現(xiàn)信息查詢、情景分析、決策建議等多種應用場景中人機智能交互功能。8.3.2技術(shù)要求智能模型可基于通用框架的微服務架構(gòu)搭建，采用主流編程語言開發(fā)，基于標準接口對外提供智能模型服務，能夠與其他平臺或業(yè)務系統(tǒng)相互耦合銜接，完成秒級數(shù)據(jù)交互。8.4可視化模型8.4.1構(gòu)建內(nèi)容宜包括以下方面。a）自然背景，包括水域、耕地、植被、構(gòu)筑物、道路等地理實體，以及天氣和光照系統(tǒng)。b）流場動態(tài)，包括水流、污染物運移、水生生物生長變化、潮汐、風場、泥沙運動等。c）水利工程，包括水庫、堤防、水閘、泵站、涵洞、圩區(qū)、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)、水電站等。d）機電設(shè)備，包括水泵、電機、啟閉機、閘門等主設(shè)備、輔助設(shè)備及二次系統(tǒng)設(shè)備。8.4.2技術(shù)要求可視化模型技術(shù)要求包含以下方面。a）數(shù)據(jù)格式要求包括但不限于以下方面。1）地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)方面宜支持DEM、TIF等格式高程數(shù)據(jù)，JPEG、TIF格式影像數(shù)據(jù)，SHP格式矢量數(shù)據(jù)。2）人工建模數(shù)據(jù)方面宜支持FBX、OBJ等格式三維模型數(shù)據(jù)。3）建筑物信息模型數(shù)據(jù)方面宜支持DWG、DXF、DWF、DGN、PLN、RVT、STEP等格式數(shù)據(jù)。4）傾斜攝影數(shù)據(jù)方面宜支持OSGB、FBX、STL、3DS等格式數(shù)據(jù)。5）激光點云數(shù)據(jù)方面宜支持PCD、PLY、TXT、LAS、STL等格式數(shù)據(jù)。b）渲染性能技術(shù)要求包括但不限于以下方面。1）可視化模型?？蛇\用GIS和游戲引擎渲染展示，且渲染效率流暢不卡頓。2）自然背景。全場景初始渲染、單個或多個對象場景切換、場景縮放過程宜達到秒級響應。3）流場動態(tài)。一維流場渲染宜實現(xiàn)秒級加載，二維流場、三維流場百萬級網(wǎng)格單一時刻場景渲染不超過30s。4）水利工程。單一場景渲染宜實現(xiàn)秒級加載，監(jiān)測運管類感知數(shù)據(jù)驅(qū)動信息場景渲染宜實時響應。5）機電設(shè)備。單一場景渲染宜實現(xiàn)秒級加載，監(jiān)測運管類感知數(shù)據(jù)驅(qū)動信息場景渲染宜實時響應。c）業(yè)務交互技術(shù)要求包括但不限于以下方面。1）具備標繪業(yè)務數(shù)據(jù)，觸發(fā)水體運動等特征、工程運行等場景交互與控制等功能。2）渲染引擎接口宜支持在瀏覽器或者桌面應用中加載顯示，支持流渲染及端渲染模式。9知識平臺9.1知識庫9.1.1水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系以知識圖譜形式描述江河湖泊、水利工程和水利對象治理管理活動等實體、概念及其關(guān)系。水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系圖譜包括以下方面。a）水利物理對象關(guān)系圖譜，以水利一張圖、水利普查和自然災害風險普查等數(shù)據(jù)庫存儲的河湖水系、水利工程設(shè)施等物理對象及空間關(guān)系，水利業(yè)務應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的組織機構(gòu)、人員等涉水社會對象與關(guān)系，以及河湖水系、水利工程設(shè)施、組織結(jié)構(gòu)與人員之間的非空間關(guān)系等信息為主要數(shù)據(jù)來源，在建立物理對象-關(guān)聯(lián)知識模型的基礎(chǔ)上，進行抽取轉(zhuǎn)換、對齊融合等處理后形成圖譜。b）水利學科知識圖譜，宜以《漢語主題詞表》水利卷、水利百科類圖書、水利各專業(yè)領(lǐng)域術(shù)語規(guī)范、業(yè)務規(guī)程等書籍和文件為主要數(shù)據(jù)來源，在建立水利學科概念-關(guān)系知識模型的基礎(chǔ)上，進行抽取轉(zhuǎn)換、對齊融合等處理后形成圖譜。9.1.2方案預案庫以各類預報方案、工程調(diào)度方案、生態(tài)流量保障方案、應急預案以及專家經(jīng)驗等為主要數(shù)據(jù)源，構(gòu)建方案預案圖譜，支撐水旱災害防御、水資源調(diào)配與管理、河湖管理、工程建設(shè)管理等業(yè)務工作。9.1.3歷史場景庫以歷史洪澇、干旱、突發(fā)水事件等為主要數(shù)據(jù)源，在挖掘典型時空屬性及特征指標的基礎(chǔ)上，構(gòu)建歷史場景圖譜，支撐洪澇、干旱、突發(fā)水事件等場景的應對。9.1.4業(yè)務規(guī)則庫以相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)章制度、技術(shù)標準、管理辦法、規(guī)范規(guī)程等為主要數(shù)據(jù)源，構(gòu)建業(yè)務規(guī)則圖譜，支撐業(yè)務場景的規(guī)則適配，規(guī)范和約束水利業(yè)務管理行為。9.2知識模型面向水旱災害防御和水資源管理與調(diào)配等業(yè)務主題，確定水利對象集，通過業(yè)務屬性挖掘出對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建實體關(guān)系、水利概念、專家經(jīng)驗、規(guī)則預案、歷史場景、模型方案等知識模型。9.3知識引擎9.3.1知識抽取通過主題挖掘、遠程監(jiān)督、事理因果關(guān)系提取等多種手段，從海量異構(gòu)數(shù)據(jù)資源中抽取出實體及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，將知識模型進行實例化。9.3.2知識融合消除已抽取知識的歧義和重復實體，解決知識重復、語義指向不明等問題，包括本體匹配與實體匹配。本體匹配主要采用本體映射、本體集成等方法，實體匹配主要采用相似度計算、基于規(guī)則和基于學習的實體匹配等方法。9.3.3知識推理通過基于演繹的推理法、基于歸納的推理法和基于圖挖掘的算法等，對圖譜已有的知識進行推理以獲得新的知識，對知識圖譜進行補全和質(zhì)量檢測等。9.3.4知識更新在水利實體關(guān)系、屬性、活動和規(guī)律等發(fā)生變化時，對知識進行擴充或刪改等操作。9.3.5知識應用宜提供主流開發(fā)語言Java、Python的圖引擎，支撐業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)對接集成。10業(yè)務應用場景業(yè)務應用場景包括但不限于以下方面。a）水旱災害防御，包括防汛指揮決策、水工程預報預警調(diào)度、特大暴雨城市防洪避險、水庫塘壩防洪預警、長江崩岸監(jiān)測預警等。b）水資源調(diào)配，包括江水北調(diào)、江水東引、引江濟太、河湖互濟、水源地應急調(diào)度等。c）河湖管理，包括水域及其岸線保護管理、XX治理、河湖健康評價、水生態(tài)修復、河長巡河等。d）農(nóng)村水利與水土保持，包括灌區(qū)建管、河道疏浚、水土保持等。e）水利工程建設(shè)，包括規(guī)劃設(shè)