王井騰，孫祥鵬，張文明，薛嬌，田茂春

（1.水利部珠江水利委員會珠江水利科學研究院，510611，廣州；2.水利部珠江水利委員會，510611，廣州；3.水利部珠江水利委員會水文局，510611，廣州；4.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，510611，廣州）

水利部珠江水利委員會大力推進數(shù)字孿生流域建設(shè)，把珠江防汛“四預(yù)”平臺（以下簡稱“四預(yù)”平臺）作為先行先試工作中防災(zāi)業(yè)務(wù)應(yīng)用的首個建設(shè)內(nèi)容，在珠江流域防汛工作中發(fā)揮了重要作用。

一、“四預(yù)”平臺簡介

“四預(yù)”平臺匯集流域“雨情、水情、工情、險情、災(zāi)情”等信息和流域預(yù)報模型、水庫群調(diào)度模型以及重點河段淹沒模型等，實現(xiàn)流域雨水汛情動態(tài)監(jiān)控和專業(yè)水利模型統(tǒng)一管理，并按照“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進”“流域—干流—支流—斷面”“總量—洪峰—過程—調(diào)度”“技術(shù)—料物—隊伍—組織”四個鏈條，結(jié)合“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四個環(huán)節(jié)，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、傾斜攝影建模等技術(shù)模擬分析重要河段大、中、微不同尺度洪水演進與淹沒實景，實現(xiàn)調(diào)度方案自動生成、人工調(diào)優(yōu)與聯(lián)動預(yù)演，優(yōu)選提出最佳調(diào)度方案，生成洪水防御預(yù)案。平臺技術(shù)路線見圖1。

圖1 珠江防汛“四預(yù)”平臺技術(shù)路線圖

二、主要功能及關(guān)鍵技術(shù)

1.“四情”智能監(jiān)控

（1）系統(tǒng)功能

“四預(yù)”平臺匯集流域“雨情、水情、險情、災(zāi)情”四情信息，多維度多時空展示流域“四情”動態(tài)，明晰流域雨水汛情。雨情方面，匯集過去—現(xiàn)在—未來流域降雨信息，動態(tài)顯示雨情變化趨勢，并疊加流域內(nèi)各降雨分區(qū)，自動推薦并高亮顯示暴雨中心區(qū)域，實時分析暴雨中心量級、位置變化，同時考慮降雨預(yù)報的不確定性，人工修正暴雨中心位置和暴雨量級，模擬預(yù)演極端降雨條件下防洪形勢。水情方面，實時監(jiān)控河道站、水庫站、閘壩等水工程監(jiān)測信息，結(jié)合警戒水位（流量）、汛限水位等特征指標，實現(xiàn)對流域—干流—支流—斷面多層次風險管控和監(jiān)管清單內(nèi)大中型水庫調(diào)度運用監(jiān)管。險情、災(zāi)情方面，動態(tài)建立流域險情、災(zāi)情管理臺賬，及時掌握流域內(nèi)險情、災(zāi)情信息，暢通一線信息直達決策中心通道。同時運用智能框選分析功能，實現(xiàn)對流域、行政區(qū)、自定義區(qū)域等類型的重點地區(qū)智能統(tǒng)計分析，基于水庫、堤防等水利工程現(xiàn)狀，突出分析重點區(qū)域和重點工程洪水風險，明晰關(guān)注區(qū)域洪水風險承載能力和洪水風險。

（2）關(guān)鍵技術(shù)1：“四情”信息智能查詢

基于水利知識圖譜技術(shù)，建立與業(yè)務(wù)職能、工作任務(wù)、主題場景強關(guān)聯(lián)的知識庫，為實現(xiàn)防洪領(lǐng)域知識的快速檢索、定位和可視化提供數(shù)據(jù)支撐。同時基于國產(chǎn)化地圖服務(wù)空間查詢、智能算法分析等技術(shù)，通過行政區(qū)劃、流域選擇，或自定義框選區(qū)域，結(jié)合數(shù)據(jù)底板中各類數(shù)據(jù)和暴雨中心風險區(qū)，自動識別最大風險區(qū)域并統(tǒng)計分析該范圍內(nèi)各類水利對象的預(yù)警信息、實時監(jiān)測信息，動態(tài)監(jiān)控流域“四情”。

（3）關(guān)鍵技術(shù)2：暴雨中心落區(qū)自定義修正

基于空間大數(shù)據(jù)并行計算方法對流域?qū)崪y和多源預(yù)報降雨數(shù)據(jù)融合，結(jié)合專家經(jīng)驗和預(yù)報需求對暴雨中心落區(qū)和量級進行時空上的人為干預(yù)和修正，減少降雨不確定性影響，提高洪水預(yù)報精度；利用空間轉(zhuǎn)置、平移、疊加等技術(shù)實現(xiàn)降雨過程空間平移分析，重新進行洪水預(yù)報、調(diào)度作業(yè)，為提早防范極端降雨事件和構(gòu)建超標洪水預(yù)演場景提供快速、靈活、精準的降雨修正方法。技術(shù)路線見圖2。

圖2 暴雨中心落區(qū)自定義修正技術(shù)路線圖

2.多源多模型交互預(yù)報

（1）系統(tǒng)功能

“四預(yù)”平臺在匯集歐洲中心、中央氣象臺等多模式降雨預(yù)報源基礎(chǔ)上結(jié)合專家經(jīng)驗優(yōu)選預(yù)報源，確保降雨預(yù)報精度；采用模型平臺和并行計算技術(shù)集成新安江模型、TOPMODEL模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷榷喾N預(yù)報模型，結(jié)合洪水預(yù)報方案多模型滾動計算流域產(chǎn)流、匯流過程，實時演進計算流域干支流、上下游重要斷面多套洪水預(yù)報結(jié)果，精準監(jiān)測預(yù)報“降雨—產(chǎn)流—匯流—演進”各環(huán)節(jié)，明晰流域降雨產(chǎn)流來源、洪水生成、演進各環(huán)節(jié)發(fā)展態(tài)勢，精細把握洪水發(fā)生、發(fā)展全過程。同時基于前期場次洪水中模型參數(shù)和暴雨中心、量級等邊界條件變化情況，人工修正預(yù)報模型參數(shù)和輸入邊界，結(jié)合專家經(jīng)驗人工交互滾動預(yù)報，優(yōu)選推薦預(yù)報結(jié)果，提高洪水預(yù)報精度和延長預(yù)見期，實現(xiàn)實時洪水滾動預(yù)報、交互式精細化預(yù)報和洪水預(yù)報結(jié)果優(yōu)選，為科學制定防御方案、超前做好應(yīng)對準備提供有力支撐。

（2）關(guān)鍵技術(shù)1：水利模型管理服務(wù)平臺

針對當前水利模型難以統(tǒng)一接入使用、與系統(tǒng)深度綁定共享應(yīng)用能力不足等問題，通過微服務(wù)技術(shù)開發(fā)、封裝模型，并采用標準化規(guī)范統(tǒng)一模型接口，研發(fā)水利模型管理服務(wù)平臺，實現(xiàn)對模型的集中統(tǒng)一管理、調(diào)用及提供相應(yīng)接口支撐服務(wù)，同時提供模型調(diào)用業(yè)務(wù)支撐，為多模型交互計算提供保障。

（3）關(guān)鍵技術(shù)2：多用戶多模型多方案并行優(yōu)化計算技術(shù)

多用戶多模型多方案并行計算基于多級分布式部署，采用中心節(jié)點組、模型計算節(jié)點組兩級部署，采用任務(wù)調(diào)度算法監(jiān)控各模型計算節(jié)點負載情況動態(tài)拓展計算資源，實現(xiàn)計算資源統(tǒng)一調(diào)配，提高模型效率。同時模型數(shù)據(jù)存取采用混合方案：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲，并基于分布式集群部署以實現(xiàn)自動故障切換；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用分布式文件數(shù)據(jù)庫進行存儲，保證模型計算的高并發(fā)、高可靠、高吞吐率運行。模型調(diào)用效率計算對比效果見表1。

表1 模型調(diào)用效率對比

3.分級分類預(yù)警

“四預(yù)”平臺整合水庫、河道、堤防及山洪災(zāi)害風險區(qū)等對象預(yù)警指標體系，結(jié)合雨水情監(jiān)測和預(yù)報結(jié)果，按照“流域—干流—支流—斷面”各環(huán)節(jié)和“面—線—點”各層級，提前進行分級分類預(yù)警。在流域?qū)用孀詣咏y(tǒng)計河道站超警、水庫站超汛限、山洪災(zāi)害風險區(qū)域等情況，明晰流域“面”風險；結(jié)合洪水發(fā)展規(guī)律，實時監(jiān)視干流、支流洪水變化和堤防安全，及時預(yù)警“線”風險；針對干支流關(guān)鍵控制性斷面，統(tǒng)籌考慮流量、水位等特征值閾值，提早預(yù)警“點”風險；基于GIS地圖、智能分析等技術(shù)，在一張圖上分級分類展示預(yù)警信息，并通過空間圍欄技術(shù)實現(xiàn)防洪對象的靶向精準預(yù)警，及時將預(yù)警信息定點、定位通知到預(yù)警對象，實現(xiàn)預(yù)警信息的精準覆蓋，為提早應(yīng)對風險隱患、及時采取有針對性的防御措施提供支撐。

4.多尺度多要素預(yù)演

（1）系統(tǒng)功能

“四預(yù)”平臺整合流域高精度影像、三維傾斜攝影、BIM模型等數(shù)據(jù)，基于洪水預(yù)報調(diào)度成果，集成防洪調(diào)度模型、淹沒模型及三維可視化等技術(shù)，構(gòu)建潯江河段二三維可視化場景，分別從流域宏觀尺度、區(qū)域中觀尺度、城鎮(zhèn)/工程微觀尺度等不同空間尺度高保真預(yù)演展示。宏觀尺度方面，根據(jù)洪水來源、洪水組成、洪峰傳播及水庫攔洪錯峰等過程，研判分析可能出現(xiàn)超警的風險點、風險段和風險區(qū)；中觀尺度方面，結(jié)合水庫、堤防、閘門、泵站等工程運行狀況，動態(tài)提取分析超警河段、漫堤潰堤洪水淹沒范圍、淹沒歷時、淹沒影響、社會經(jīng)濟損失等要素指標；微尺度方面，結(jié)合高精度三維傾斜攝影模型，模擬城鎮(zhèn)在洪水淹沒過程中重點場所、重要設(shè)施、重要區(qū)域等淹沒風險。通過洪水全過程多尺度多要素動態(tài)預(yù)演，模擬“洪量—洪峰—過程—調(diào)度”全過程，直觀、動態(tài)地分層次展示流域內(nèi)洪水超警超汛、漫潰堤淹沒等過程。

（2）關(guān)鍵技術(shù)：流域仿真預(yù)演技術(shù)

隨著三維仿真可視化技術(shù)的快速發(fā)展，三維技術(shù)在水利業(yè)務(wù)上的應(yīng)用越來越廣泛?！八念A(yù)”平臺運用三維模型分級建模及緩存自適應(yīng)加載技術(shù)，建立二級緩存自適應(yīng)加載機制，實現(xiàn)不同需求下精細化、輕量化數(shù)據(jù)的自適應(yīng)快速加載，有效解決網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、三維場景數(shù)據(jù)量大、加載時間長等問題，提升仿真場景展示效果；采用洪水模擬逼真渲染技術(shù)，以流域一張圖為數(shù)據(jù)支撐，建立珠江全流域數(shù)字化場景，對傾斜攝影模型、BIM、CIM、三維點云等數(shù)據(jù)進行集成與可視化，通過引擎驅(qū)動，以GPU Shader技術(shù)作為三維特效渲染手段，實現(xiàn)對洪水演進、淹沒場景等的直觀逼真表達。

5.優(yōu)化推薦調(diào)度預(yù)案

（1）系統(tǒng)功能

“四預(yù)”平臺運用模型管理服務(wù)平臺，集成防洪調(diào)度模型、淹沒模型等專業(yè)水利模型，根據(jù)下游控制斷面洪水量級削減目標，結(jié)合上游水工程調(diào)蓄能力，實時計算不同調(diào)度方案下干支流重要控制斷面洪水總量和洪峰量級變化，逐時段、逐河段正向動態(tài)演進各斷面洪水過程和重點區(qū)域淹沒情況，對比不同調(diào)度方案下防洪目標的洪峰削減程度、淹沒影響、社會經(jīng)濟損失等情況，分析超警超汛、漫堤、淹沒等洪水風險隱患，滾動優(yōu)化調(diào)度方案，進行方案比選并推薦最優(yōu)調(diào)度方案。

同時基于推薦調(diào)度方案，運用知識平臺、大數(shù)據(jù)、人工智能算法等技術(shù)，結(jié)合防汛業(yè)務(wù)規(guī)則、調(diào)度方案、歷史情景、專家經(jīng)驗等，構(gòu)建洪水防御知識庫，自動推薦堤防、水庫等水工程巡查防守責任和物資、隊伍、組織動員等搶險措施，明確風險隱患，落實落細洪水防御對策，從技術(shù)、料物、隊伍、組織方面給予地方科學精準指導(dǎo)，有針對性地做好洪水防御支撐。

（2）關(guān)鍵技術(shù)1：復(fù)雜水情與工情下的多模型時空耦合計算技術(shù)

珠江流域水系復(fù)雜，水利工程眾多，且不同水利工程對洪水調(diào)蓄能力與響應(yīng)存在較大差別。因此，珠江流域洪水調(diào)度模型集成了滿足不同水利工程計算需要的數(shù)理統(tǒng)計分析數(shù)學模型與機理模型。由于不同計算方法對時空尺度要求不同，這些方法在時間與空間上耦合是決定模型計算精度的關(guān)鍵因素。為此，采用了控制體積法和拓撲學兩種技術(shù)手段，將不同方法物理方程在時間和空間進行離散，建立實體的空間聯(lián)系與物理流網(wǎng)絡(luò)圖，研發(fā)了復(fù)雜水情與工情下的多模型時空耦合計算技術(shù)，解決了不同計算方法對時空尺度要求差異的問題，提高了防洪調(diào)度模型的計算精度。多模型時空耦合計算技術(shù)流程見圖3。

圖3 多模型時空耦合計算技術(shù)流程圖

（3）關(guān)鍵技術(shù)2：水利知識圖譜技術(shù)

結(jié)合超標準洪水防御預(yù)案、水工程運用方案、調(diào)度業(yè)務(wù)規(guī)則、歷史情景等相關(guān)預(yù)案數(shù)據(jù)資料，針對結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等類型數(shù)據(jù)，分別采用D2R技術(shù)和文本主謂賓三元組方法進行知識抽取。同時基于多特征的實體消歧、詞典的屬性對齊和貝葉斯分析的屬性真值發(fā)現(xiàn)等技術(shù)，消除預(yù)案中各實體、關(guān)系、屬性及其對象之間的歧義，并采用圖數(shù)據(jù)庫對預(yù)案知識進行存儲，構(gòu)建預(yù)案基礎(chǔ)知識庫。在預(yù)案基礎(chǔ)知識庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)案知識庫中各水利要素間的知識關(guān)系，采用知識關(guān)聯(lián)深度檢索及推理技術(shù)，明晰調(diào)度預(yù)演環(huán)節(jié)下對應(yīng)工程調(diào)度方案以及不同河段、不同節(jié)點的洪水量級和風險隱患，對洪水防御預(yù)案中的對策措施、工程調(diào)度、堤防加固或棄守、人員轉(zhuǎn)移等方案進行優(yōu)化推薦。

圖4 知識圖譜構(gòu)建技術(shù)流程

三、應(yīng)用成效

2022年5月下 旬 至7月上 旬，珠江流域西江、北江接連發(fā)生7次編號洪水，北江第2號洪水發(fā)展成超100年一遇特大洪水。珠江委運用“四預(yù)”平臺，實時監(jiān)控流域雨水汛情，滾動開展洪水作業(yè)預(yù)報1.1萬條，發(fā)布預(yù)警信息10.7萬余條，通過精細調(diào)度流域干支流40余座水工程，科學攔洪、分洪、滯洪，有效減輕了西江、北江下游防洪壓力，將西江、北江洪水量級均控制在西江、北江及珠江三角洲的主要堤防防洪標準以內(nèi)，確保了廣州、佛山、肇慶、江門、中山、珠海等粵港澳大灣區(qū)城市群防洪安全。

2022年入汛以來，珠江委提早部署“四預(yù)”平臺24小時在線運行，共發(fā)布洪水作業(yè)預(yù)報1 322站次、洪水預(yù)警63次，發(fā)送預(yù)警信息25萬余條，統(tǒng)籌上下游、左右岸、干支流調(diào)度大中型水庫1 838座次，攔蓄洪量333.91億m3，減淹城鎮(zhèn)589座次、耕地604.13萬畝（1畝=1/15 hm2），避免人員轉(zhuǎn)移352萬人次。通過“四預(yù)”平臺實時監(jiān)控、滾動預(yù)測預(yù)報、精細模擬預(yù)演和優(yōu)化調(diào)度預(yù)案，進一步提升防汛會商決策能力，提升流域防洪統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理能力和水平，有效保障珠江流域防洪安全，為新階段珠江水利高質(zhì)量發(fā)展提供了可靠技術(shù)保障。