2024优秀案例丨雨水情测报与大坝安全监测平台

水利工程是我国重要的民生性工程，与人们的日常生活息息相关，因此水利工程新技术应用会对日后的社会实践产生极大的影响。是新阶段水利高质量发展的标志，为此水利部相继出台一系列文件，指导智慧水利建设，我国现有水库 98566座，其中大型水库774座，中型水库4098座，小型水库93694座，水库数量庞大，智慧水库建设是智慧水利建设的重要部分。目前，我国大部分水利工程正从数字水利向智慧水利迈进。智慧水利近些年的广泛应用，标志着其是水利行业未来的重要发展方向。

智慧水利是水利信息化发展的高级阶段，是实现水利现代化的关键，贯穿于防洪减灾、水资源配置、水环境保护与水管理服务等体系，具体体现为“物联感知、互联互通、科学决策、智能管理”。即通过对水文信息、工情信息以及管理等信息的感知，借助互联网实现各类信息的全面共享与互联互通，利用数据挖掘、仿真模拟、决策分析、自动控制等技术实现防洪防潮治涝、水资源高效利用、水生态环境保护以及现代化水利行业管理服务等领域科学预测预警、评估决策，从而全面提高水利精细化管理能力和水平，提升对自然灾害、突发事件的应急决策能力，提升科学管理水平，带动水利现代化进程。随着IOT物联网、大数据、云计算、5G、GIS+BIM三维建模、可视化仿真、人工智能等一代新型技术的崛起，数字化已在各行各业得到了发展和应用。为加快推进水利行业数字化进程，水利部印发《十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，明确提出要按照统一的数字孪生工程建设要求和标准，结合各流域数字孪生流域建设内容，建设一批重大水利工程的数字孪生工程，众多专家学者已经对数字孪生水库建设和应用进行了研究，本项目以拟通过无人机倾斜摄影、GIS+BIM三维建模、IOT物联网、大数据等在电脑系统中构建“数字孪生水库”，根据IOT物联网技术采集的物理水库实时运行数据，验证水利计算模型、调整模型参数，根据虚拟仿真计算结果，调整物理水库监测仪器设备参数，不断迭代，达到数字孪生水库和物理水库的同步仿真、虚实交互、迭代优化，实现水库防洪管理“四预”功能，提升水库安全运行管理水平。我国水利技术的发展分为基础阶段、自动化、数字化、智慧化四个阶段：

基础阶段：此阶段我国大部分水利工程建设目的是为满足经济和社会发展需要。以水利工程建设为主，大规模开发利用水资源，大部分工艺控制依赖人工操作。随着工程建设项目的不断扩大，节水、生态保护、基础数据、防洪抗旱、调度、水资源管理等方面的需求日趋迫切，设计单位、管理部门等也认识到水利工程急需要应用自动化、数字化等技术；

自动化阶段：该阶段我国水利工程的建设主要体现在基本信息的自动采集上，水质、水压、流量等涉水数据测量水平得到很大提高，对阀门、泵站、生产工艺过程等的自动控制已逐步实施，很大程度上代替了人工操作。

数字化阶段：随着无线传感器网络、数据库技术和 3G 网络的应用，相关的水利工程及管理单位建立了自己的业务系统和数据库，大大提高了数据存储、检索和跟踪的效率，率先实现了行政管理和公司管理的信息化，此阶段我国水利工程才真正开展信息化系统建设。

智慧化阶段：中国经济新常态的发展背景下，自动化和信息技术的日益成熟推动智慧水利的建设和发展，智慧水利已初步形成了业务应用、水利信息资源、水利信息化基础设施、水利网络安全、水利信息化保障环境五大体系。通过智慧水利平台优化解决水利事业发展已是必然。

1、应用平台架构

水利工程是我国重要的民生性工程，与人们的日常生活息息相关，因此水利工程新技术应用会对日后的社会实践产生极大的影响。本项目以拟通过无人机倾斜摄影、GIS+BIM三维建模、IOT物联网、大数据等在电脑系统中构建“数字孪生水库”，根据IOT物联网技术采集的物理水库实时运行数据，验证水利计算模型、调整模型参数，根据虚拟仿真计算结果，调整物理水库监测仪器设备参数，不断迭代，达到数字孪生水库和物理水库的同步仿真、虚实交互、迭代优化，实现水库防洪管理“四预”功能，提升水库安全运行管理水平。系统包含四个部分：

① 感知层：所有信息的来源与基础，主要包含水雨情信息水质信息、工情信息、管理信息、遥感信息、视频信息等的采集。本层既能依托大量物联网传感器以及摄像头

等终端从现实中获取水情工情等数据，又能利用数据提取程序从合法接口接入其他已存在的数据库（如气象局气象数据库、遥感卫星影像数据库等）以获取对应信息，还可以基于 PC 与个人手机终端填报、采集相关管理信息。通过这 3 种途径完成感知层任务。

② 传输储存层：主要依靠无线网络、有线网络在程控交换系统、加密系统的辅助下，依托公网或者专网进行数据传递。同时存放所有数据，主要包括基础数据库（储存如三维地形数据、基本水系数据等地理信息基本数据）、水情数据库、工情数据库、水质数据库、管理数据库（存放如河湖长制管理的相关资料）、遥感数据库（存放用于遥感分析的影像）等。

③ 支撑层：为应用层提供技术支撑的部分，通过 BIM 平台（主要提供工程建筑物几何与属性信息）、GIS 平台（主要提供宏观地理信息）、数模分析组件（主要为基于云计算的水文水质计算模型以及未来依靠 AI 开发的决策辅助程序）、遥感分析组件（主要提供对遥感数据的反演计算功能）等提供应用层所需的各类信息。

④ 应用层：直接面对用户的部分。底层收集到的数据经

支撑层相关应用处理后，将数据与结论根据不同应用场景的需要提供给用户，完成信息服务。应用层提供综合信息、水情信息、工情信息、水质信息、应急指挥、日常管理等服务。

为适应未来智慧水利的发展需求，本项目拟对数字孪生水库三维应用平台关键技术进行应用研究。

① 是促进三维建模发展的需要

公司三维建模业务的发展需要有一个自主知识产权、与之相适应的数据应用和展示平台。平台的研发可带动对三维建模的技术攻关和人才培养，加速智能化三维建模的进程。

② 是数据展示和提升市场影响力的需要

公司长期从事海量数据生产，缺乏一个很好的数据分析和对外展示窗口，平台的建立有利于数据的深层挖掘，提升市场影响力。实现二三维数据联动和应用分析是当今行业研究的热点，以此为契机，逐步打造公司自己的平台。

③ 是集成已有研发成果，研建专业产品、拓宽业务市场的需要

公司在三维建模和矢量数据自动化处理方面作过大量的研究，成果比较分散，需要有一个平台来集成。平台的搭建和后期的不断集成，必将实现其商业价值，拓宽业务市场。

2、雨水晴测报与大坝安全监测平台大屏

首页分为菜单导航栏，水库基本属性展示栏，时间信息，水雨情信息，大坝形变动态图形展示。菜单栏可以设置大屏主界面的状态，以及可以进入后台业务系统页面；其他工具栏展示零河水库其他监测仪器信息状态等。

图1 大屏主界面功能介绍

3、水库预警监测平台概况

水库概况界面为零河水库雨水情测报监测平台的第一个子系统，主要展示了水库管理权属信息及宏观地理位置，右侧表格显示相关安全责任人及水库建筑物概况。

图2 水库概况功能介绍

4、水库实景三维监测

此界面首页主要展示了无人及航拍制得的实景三维模型，直观展示了零河水库附近的地形地貌及地表附着物。

图3 水库实景三维

4.1水雨情监测

可对水库的实时水位、雨量、入库流量、出库流量等实时监测数据可视化分析与展示。点击右侧图标可定位至设备安装位置。

图4 监测仪器位置定位图

4.2大坝表面变形监测

可根据外业安装的GNSS设备，将在大坝上安装GNSS位置坐标在实景三维上进行展示，并读取实时变形数据，点击右上角图标可定位至布设位置。

图5 形变点位信息

4.3大坝渗流监测

可实现渗流监测点位的信息可视化及地理空间定位。

图6 渗流点位信息

4.4视频监控

可显示坝区安装的监控点位地址信息。

图7 视频监控点位信息

4.5空间分析

可实现贴地距离分析、贴地面积测算、贴地角度测量等10余种空间量算功能。

图8 空间距离分析

图9 通视分析界面

5、AI+视频监控分析

图10 视频设备接入统计

点击“视频监控”菜单，可以进入视频监控页面，此页面左边展示视频监控的树形目录，点击某个视频目录，可以在右边查看此视频，如下图：

图11 实时监控视频设置

点击上面的分屏设置按钮，可以设置单屏，四分屏，九分屏查看视频，如下图：

图12 实时监控视频四分屏

图13 分屏显示设置

图14 水塔实时视频

6、业务管理系统后天分析

业务管理系统针对业务主管部门的日常管理需求开发，可生成各种监测报表信息。

图15 业务管理系统首页

6.1基本信息

包含水库防洪指标、汛限水位、库容曲线、水库特征值等信息。

图16库容曲线

6.2人员入侵预警

当有人员非法闯入时，AI+视频分析实时告警上次告警人员信息。测站当前的数据上报状态，如下图：

图17 人员入侵预警

6.3实时监测

可显示大坝雨情、水情、形变及渗流监测成果图表，如下图：

图18  大坝形变监测表

6.4雨情信息

展示最新时段降雨、月逐日降雨量、年逐月降雨量、降雨极值等曲线，如下图：

图19 最新时段降雨量

6.5水位信息

主要用来生成水库水位监测相关文件，如下图：

图20 告警设置

6.6流量信息

此菜单下主要统计展示入库流量、输水洞下泄流量、溢洪道下泄流量等变化数据。

图21 流量信息统计

6.7大坝形变信息

此菜单下主要记录大坝变形监测信息，包括测点数据及形变对比。

图22 大坝形变信息

6.8渗流信息

渗流信息菜单可查询不同日期的浸润线数据和流量监测图表。

图23 浸润线监测图表

6.9警戒指标设置

可以设置各项监测警戒指标的阈值，当实际监测值超过此值，系统发出警报。

图24 形变阈值设置

6.10信息交换与发布

包含信息规则设置、组织机构管理、日常短信发送三个模块，可变更管理部门、预警信息发布内容等。

图25 短信发送设置界面

6.11安全监测报告

可下载零河水库综合安全监测报告供相关部门参考使用。

图26 安全监测报告生成

1、物联网实时传输与融合

物联网实时数据采集，系统内应用到了MQTT协议技术，该技术是一个极其轻量级的发布/订阅消息传输协议，对于需要较小代码占用空间或网络带宽非常宝贵的远程连接具有很强的实用性。系统中应用到了WebSocket技术，该技术是应用层的一种协议，是建立在TCP协议基础上的，主要特点是实现系统全双工通信，允许服务器主动发送信息给客户端。然后前端利用VUE-Cli脚手架是一个基于 Vue.js 进行快速开发的完整系统，提供：通过 @vue/cli 实现的交互式的项目脚手架。一个丰富的官方插件集合，集成了前端生态中最好的工具。一套完全图形化的创建和管理 Vue.js 项目的用户界面。

图1 实地监测仪器

2、实景三维数据支持

基于倾斜摄影大场景数据进行优化，包括顶级节点合并、模型压缩等，以是PIE-Earth可以快速加载大场景，提高加载效率。

图2 实景三维数据融合

3、AI+视频/图像分析

基于人工智能图像分析和音频、视频处理技术，实现对管理区域内设施设备运行状态、非法闯入、违法侵占等行为的在线监控、自动识别、跟踪预警、语音对讲等功能。

图3 AI+视频采集与监测设备

1、经济效益

(1)从技术层面上讲，”BIM+GIS”技术中涉及到的智能三维提取技术在测绘地理信息领域尚未成熟，处于探索阶段，本项目研究成果对三维矢量智能化提取、三维模型智能化提取具有重要意义，可对现有生产流程进行改进，从而提高三维矢量提取速度，加快三维单体化建模效率，从而带来良好的经济效益，自研的低成本物联感知终端，经测试合格后，可用于类似物联感知系统建设，市场前景较好，从而带来一定的经济效益。

(2)数字孪生水库三维应用平台的搭建

平台的搭建可以促进水库安全预警的监测效率，加速技术创新，节省人工，是保证项目利润增长的一个重要手段。平台的搭建可以集成已有研发成果，研建专业产品，必将实现其商业价值。

2.社会效益分析

(1)在规划方面，利用城市空间语义数据自带的几何属性信息，可进行自动的控高分析，有利于规划编制与管理、城市设计、风貌管控，进一步与多规合一查询统计组件进行整合，从而实现三维空间中的多规合一查询统计功能。

(2)在国土方面，使用BIM+GIS技术得到的空间数据，自带三维空间信息，可实现实时在线创建三维部件（门窗、部件），可实时编辑业务属性，可在原有二维不动产属性字段基础上，新增立体空间信息字段，如房底（顶、檐）绝对高度、屋顶类型，从而实现三维不动产登记管理。

(3)数字孪生水库三维应用平台的搭建，可以提高公司的科技影响力和市场竞争力，拓宽业务市场，为项目的顺利承揽打下坚实基础。

3 推广价值

我国现有水库 98566座，其中大型水库774座，中型水库4098座，小型水库93694座，水库数量庞大，智慧水库建设是智慧水利建设的重要部分。目前，我国大部分水利工程正从数字水利向智慧水利迈进，未来在智慧水务智慧水库方向将潜力巨大。智慧水利近些年的广泛应用，标志着其是水利行业未来的重要发展方向。

— 推荐关注 —