一种基于数字孪生的城区防汛四预系统的制作方法

本发明涉及防洪防汛，尤其涉及一种基于数字孪生的城区防汛四预系统。

背景技术：

1、数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。在“数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法”发明中，构建了包括水利工程及监测系统物理实体、水利工程及监测系统虚拟实体、孪生数据平台、孪生服务以及孪生数据平台与水利工程及监测系统虚拟实体、水利工程及监测系统物理实体的连接，具实现水利工程的智能运行、精准管控和可靠运维的优点。在“一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统”发明中，通过自动化监测系统将数据从实体工程输送至数字孪生体赋予其“体征”，进而通过安全监测管理系统预测未来工程性态变化，同时通过可视化技术将预测数据反映在数字孪生体中，仿真工程未来变形、渗流、应力应变、环境量的性态特征变化过程，以此为基础完成预警和预案处置，能够直观表达工程状态，可视化程度高，能够直观展现工程整体安全性态。在“一种极端暴雨天气下洪涝灾害防御的数字孪生分析方法”发明中，以“数据底板搭建－降雨预报－洪水预报－评估预警－模拟预演－治理预案”的“四预”数字孪生分析实现数字化场景下的洪水模拟仿真和预演，有效支撑防汛会商决策，进一步优化传统防汛会商过程的薄弱环节，提升洪涝灾害防洪统一调度、统一管理的能力和水平。

2、但现有的城区防汛系统存在预报精度达不到要求，预警接收人不全面，应急演练不真实，预案上传下达不及时，以及成本高，效率低，耗时间等问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种一种基于数字孪生的城区防汛四预系统。

2、本发明提供了一种一种基于数字孪生的城区防汛四预系统，包括一体化监测感知网、水务数字孪生底座、四预功能场景模块，所述一体化监测感知网用于对城区的气象、降雨、水位、流量以及水深进行监测，获取城区防汛影响因子监测数据，所述水务数字孪生底座用于通过孪生底座的建设，实现可视的数字孪生能力支撑，所述四预功能场景模块负责基于城区防汛影响因子变化研究实现城区防汛危险区的预报分析，在预报成果基础上实现防汛危险区不确定人群的靶向预警，以及通过数字孪生技术实现实景与虚拟场景融合的防汛应急演练，从而建立城区防汛预案执行反馈机制。

3、作为本发明的进一步改进，所述水务数字孪生底座包括物联网平台、信息资源平台、cim基础平台和模型支撑平台，所述物联网平台用于实现感知设备与感知数据进行统一管理，所述信息资源平台用于完成水务各类数据的汇聚、治理、融合，所述cim基础平台用于对水务地理空间数据进行可视化数字孪生建模，共性支撑沉淀业务系统共性能力，所述模型支撑平台用于实现水务数据的模拟与仿真。

4、作为本发明的进一步改进，所述物联网平台包括协议管理模块、设备管理模块、数据解析模块、数据整编模块和数据清洗模块，所述协议管理模块负责支持多种协议的网关设备和子设备的快速接入，所述设备管理模块负责实现设备的连接、认证和控制，所述数据解析模块负责实现数据的解析和提取，并获取可读格式的数据，所述数据整编模块负责数据的整理和数据的加工，所述数据清洗模块负责数据的转换、脏数据的清理以及纠正错误数据。

5、作为本发明的进一步改进，所述信息资源平台包括数据汇聚模块、数据治理模块、数据挖掘模块和数据服务模块，所述数据汇聚模块负责实现业务数据资源的统一管控，所述数据治理模块负责对汇集后的多源数据进行统一清洗和管理，所述数据挖掘模块负责从数据资源中发现物理流域全要素之间存在的关系、水利治理管理活动全过程的规律，所述数据服务模块负责实现各类数据在各级水行政主管部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的数据共享。

6、作为本发明的进一步改进，所述cim基础平台包括bim服务引擎模块、空间服务引擎模块和三维云引擎渲染模块，所述bim服务引擎模块负责构建工程水工建筑物、机电设备的bim模型，所述空间服务引擎模块通过数字孪生流域实体场景建模，实现水利工程相关范围的数字化映射，所述三维云引擎渲染模块负责将三维渲染任务分布到云端服务器上进行处理，利用三维渲染内核进行仿真和预测。

7、作为本发明的进一步改进，所述模型支撑平台包括机理分析模型模块、数理统计模型模块和智能识别模型模块，所述机理分析模型模块基于水循环自然规律，用数学语言和方法描述物理流域的要素变化、活动规律和相互关系，所述数理统计模型模块基于数理统计方法，从海量数据中发现物理流域要素之间的关系并进行分析预测，所述智能识别模型模块利用人工智能方法从遥感、视频、音频等数据中自动识别水利对象特征。

8、作为本发明的进一步改进，所述协议管理模块通过xcg核心网关软件架构技术，支持采用modbus-rtu、sdi-12、zigbee或wi-fi协议的网关设备和子设备快速接入，所述设备管理模块采用基于c语言和串口两种模式的编程接口技术，实现设备的连接、认证和控制，所述数据解析模块采用正则表达式、xpath、jsonpath技术，实现对文本数据、html/xml数据、json数据的解析和提取，并获取可读格式的数据，所述数据整编模块通过统一格式、缺测值处理、质量控制原则对数据进行整理，利用插补推算、统计分析、格式转换与输出原则对数据进行加工，所述数据清洗模块采用标准清洗、可视化清洗、业务流清洗规则，将数据进行过滤、去重、去空、标准化转换，清洗出脏数据，纠正错误数据。

9、作为本发明的进一步改进，所述数据汇聚模块负责构建涵盖业务数据汇集、视频级联集控、遥感接收处理数据管理的平台，实现业务数据资源的统一管控，所述数据治理模块通过主题域数据模型、逻辑数据模型、数据血缘关系的构建，对汇集后的多源数据进行统一清洗和管理，所述数据挖掘模块运用统计学方法、机器学习方法、模式识别方法从数据资源中发现物理流域全要素之间存在的关系、水利治理管理活动全过程的规律，所述数据服务模块通过api低代码开发，实现各类数据在各级水行政主管部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的数据共享。

10、作为本发明的进一步改进，所述bim服务引擎模块利用工程设计施工图纸，结合三维激光扫描技术构建工程水工建筑物、机电设备bim模型，所述空间服务引擎模块进行数字孪生流域重要实体场景建模，实现水利工程相关范围的高分辨率dom、高精度dem、倾斜摄影影像/激光点云空间数据多时态、高精度的数字化映射，所述三维云引擎渲染模块采用streaming架构将三维渲染任务分布到云端服务器上进行处理，利用三维渲染内核进行仿真和预测。

11、本发明的有益效果是：本发明的城区防汛四预系统实现了城区防汛的预报精准化、预警全面化、预演真实化、预案电子化。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的城区防汛四预系统，其特征在于：包括一体化监测感知网、水务数字孪生底座、四预功能场景模块，所述一体化监测感知网用于对城区的气象、降雨、水位、流量以及水深进行监测，获取城区防汛影响因子监测数据，所述水务数字孪生底座用于通过孪生底座的建设，实现可视的数字孪生能力支撑，所述四预功能场景模块负责基于城区防汛影响因子变化研究实现城区防汛危险区的预报分析，在预报成果基础上实现防汛危险区不确定人群的靶向预警，以及通过数字孪生技术实现实景与虚拟场景融合的防汛应急演练，从而建立城区防汛预案执行反馈机制。

2.根据权利要求1所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述水务数字孪生底座包括物联网平台、信息资源平台、cim基础平台和模型支撑平台，所述物联网平台用于实现感知设备与感知数据进行统一管理，所述信息资源平台用于完成水务各类数据的汇聚、治理、融合，所述cim基础平台用于对水务地理空间数据进行可视化数字孪生建模，共性支撑沉淀业务系统共性能力，所述模型支撑平台用于实现水务数据的模拟与仿真。

3.根据权利要求2所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述物联网平台包括协议管理模块、设备管理模块、数据解析模块、数据整编模块和数据清洗模块，所述协议管理模块负责支持多种协议的网关设备和子设备的快速接入，所述设备管理模块负责实现设备的连接、认证和控制，所述数据解析模块负责实现数据的解析和提取，并获取可读格式的数据，所述数据整编模块负责数据的整理和数据的加工，所述数据清洗模块负责数据的转换、脏数据的清理以及纠正错误数据。

4.根据权利要求2所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述信息资源平台包括数据汇聚模块、数据治理模块、数据挖掘模块和数据服务模块，所述数据汇聚模块负责实现业务数据资源的统一管控，所述数据治理模块负责对汇集后的多源数据进行统一清洗和管理，所述数据挖掘模块负责从数据资源中发现物理流域全要素之间存在的关系、水利治理管理活动全过程的规律，所述数据服务模块负责实现各类数据在各级水行政主管部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的数据共享。

5.根据权利要求2所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述cim基础平台包括bim服务引擎模块、空间服务引擎模块和三维云引擎渲染模块，所述bim服务引擎模块负责构建工程水工建筑物、机电设备的bim模型，所述空间服务引擎模块通过数字孪生流域实体场景建模，实现水利工程相关范围的数字化映射，所述三维云引擎渲染模块负责将三维渲染任务分布到云端服务器上进行处理，利用三维渲染内核进行仿真和预测。

6.根据权利要求2所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述模型支撑平台包括机理分析模型模块、数理统计模型模块和智能识别模型模块，所述机理分析模型模块基于水循环自然规律，用数学语言和方法描述物理流域的要素变化、活动规律和相互关系，所述数理统计模型模块基于数理统计方法，从海量数据中发现物理流域要素之间的关系并进行分析预测，所述智能识别模型模块利用人工智能方法从遥感、视频、音频等数据中自动识别水利对象特征。

7.根据权利要求3所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述协议管理模块通过xcg核心网关软件架构技术，支持采用modbus-rtu、sdi-12、zigbee或wi-fi协议的网关设备和子设备快速接入，所述设备管理模块采用基于c语言和串口两种模式的编程接口技术，实现设备的连接、认证和控制，所述数据解析模块采用正则表达式、xpath、jsonpath技术，实现对文本数据、html/xml数据、json数据的解析和提取，并获取可读格式的数据，所述数据整编模块通过统一格式、缺测值处理、质量控制原则对数据进行整理，利用插补推算、统计分析、格式转换与输出原则对数据进行加工，所述数据清洗模块采用标准清洗、可视化清洗、业务流清洗规则，将数据进行过滤、去重、去空、标准化转换，清洗出脏数据，纠正错误数据。

8.根据权利要求4所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述数据汇聚模块负责构建涵盖业务数据汇集、视频级联集控、遥感接收处理数据管理的平台，实现业务数据资源的统一管控，所述数据治理模块通过主题域数据模型、逻辑数据模型、数据血缘关系的构建，对汇集后的多源数据进行统一清洗和管理，所述数据挖掘模块运用统计学方法、机器学习方法、模式识别方法从数据资源中发现物理流域全要素之间存在的关系、水利治理管理活动全过程的规律，所述数据服务模块通过api低代码开发，实现各类数据在各级水行政主管部门之间的上报、下发与同步，以及与其他行业之间的数据共享。

9.根据权利要求5所述的城区防汛四预系统，其特征在于：所述bim服务引擎模块利用工程设计施工图纸，结合三维激光扫描技术构建工程水工建筑物、机电设备bim模型，所述三维云引擎渲染模块采用streaming架构将三维渲染任务分布到云端服务器上进行处理，利用三维渲染内核进行仿真和预测。

技术总结
本发明提供一种基于数字孪生的城区防汛四预系统，包括一体化监测感知网、水务数字孪生底座、四预功能场景模块，一体化监测感知网用于对城区的气象、降雨、水位、流量以及水深进行监测，获取城区防汛影响因子监测数据，水务数字孪生底座用于通过孪生底座的建设，实现可视的数字孪生能力支撑，四预功能场景模块负责基于城区防汛影响因子变化研究实现城区防汛危险区的预报分析，在预报成果基础上实现防汛危险区不确定人群的靶向预警，以及通过数字孪生技术实现实景与虚拟场景融合的防汛应急演练，从而建立城区防汛预案执行反馈机制。本发明的有益效果是：本发明的城区防汛四预系统实现了城区防汛的预报精准化、预警全面化、预演真实化、预案电子化。

技术研发人员：汪祖茂,赵兴圆,陈兴晖,潘晓雪,于文统
受保护的技术使用者：深圳航天智慧城市系统技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29