基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统及方法与流程

本发明水利工程，涉及水库回水区冰水动力学模拟技术，尤其涉及一种基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真技术。

背景技术：

1、冬季凌汛是北方河流常见且危害较大的自然灾害，具有孕灾环境复杂、突发链发性强和防控难度大等特点，难于预测、预报、预警、预防，抢险难度大，加之影响凌情变化的热力、动力及河道边界条件等因素复杂多变，已成为北方河流面临的最大威胁，也是目前流域水安全保障的薄弱环节。在全球气候变暖和极端冷事件频繁发生的大背景下，凌汛灾害的突发性和危害性将进一步增加，影响到人民生命安全与生产生活并可能造成重大损失。寒区河流上水库修建后，河道水动力、热力条件发生显著变化，对水库下游防凌具有积极作用，但在水库变动回水区，其汇集了上游河道进入的所有冰源物质，形成了体积庞大的堆积体，给水库冬季防凌安全和调度运行带来了新的重大挑战。

2、受限于水库回水区冰凌动力发展预测模拟是冰科学领域内的一大难题，传统上寒区水库建设和水库冬季运行，主要采用静态冰坝理论计算、基于历史资料与经验或现场研判监测水位壅高情况，预期的凌情发展态势可能与现场实际情况存在较大差异，已不能满足我国现阶段水利业务四预基本要求。由于缺乏精细数学模型提供系统、可靠、全面的凌情数据，无法实现物理流域与数字流域之间的动态实时信息交互和深度融合，不能在实际防凌工作中高效动态支持生成预报预警决策建议方案。得益于河冰动力学的发展，近两年水库回水区冰水动力学数学模型和模拟计算技术已有重大进展。水库回水区冰水动力学数学模型融合多学科知识，能预测预报上游来水来冰、下游水库运行调控等复杂变化条件下的回水区冰凌动力发展过程，为数字孪生场景上实现基于数据驱动的冰凌模拟仿真提供了科学和有效的技术手段。基于数据驱动的冰凌模拟仿真，使三维直观掌握凌情发展态势成为可能，这将有助于实现防凌调度管理自动化和全面提升寒区水库防凌决策业务能力和应急管理水平。

技术实现思路

1、本发明目的旨在针对现有水库冬季防凌调度工作主要依靠简单地经验模型或历史经验研判进行决策，无法满足动态支撑预警要求，提供一种基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统及方法，能够实现对水库回水区冰水动态三维模拟仿真，对水库防凌调度和管理制定有重要的指导作用和参考价值。

2、本发明提供的基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统，包括：

3、第一数据库，用于存储水库回水区空间全域的数字孪生本地场景数据；

4、流域构建模块，用于构建水库回水区空间全域的数字孪生流域；

5、操作界面，用于接收用户的操作请求；

6、仿真模型，用于基于水库回水区水-冰动力耦合模型，结合接收的用户操作请求，获取具有空间坐标和时序特征的水库回水区冰水仿真结果；

7、三维动态场景生成模型，用于将水库回水区冰水仿真结果按照时序映射到数字孪生流域，生成三维动态场景并展示；

8、第二数据库，用于存储仿真模型得到仿真结果及三维动态场景生成模型生成的三维动态场景数据。

9、上述第一数据库中所存储的数字孪生本地场景数据包括目标水库回水区dem（digital elevation model，数字高程模型）数据，dom（digital orthophoto map，数字正射）影像、bim（building information modeling，建筑信息模型）模型数据、倾斜摄影模型数据；还包括接收的气象数据、回水区上游流量与冰凌监测站点数据（包括流凌密度、冰厚等）、水库调度系统的水位数据，即监测及预报数据。

10、上述流域构建模块，基于水库回水区空间全域的数字孪生本地场景数据库中的目标水库回水区dem数据，dom影像、bim模型数据、倾斜摄影模型数据，构建覆盖目标水库回水区全域空间流域，也即对水库回水区的物理流域（即监测及预报数据）、社会要素（道路、建筑、设施等）、自然要素（包括山、水、林、草、沙、田）进行全要素的数字化映射进而构建数字化孪生流域系统。

11、上述操作界面，接收的用户的操作请求可以为对给定时间段内的水库回水区冰水情况反演、水库回水区冰水情况预报预警，或者给定时间段内水库回水区冰水情况预演。接收的用户的操作请求包括模拟时段、水库回水区边界条件设定、模型参数设置（包括颗粒冰堆积移动速度、冰粒子大小等）、模型初始化操作、模型正式计算操作等。

12、上述仿真模型所使用的水库回水区水-冰动力耦合模型具体参见cn202110831751.8；所述仿真模型利用水-冰动力耦合模型按照其公开的方法实现对水库回水区冰塞反演及预测；反演或预测结果包括水力分布和冰场分布。

13、上述三维动态场景生成模型，首先对水库回水区冰水仿真结果进行数据解析，然后将水库回水区冰水仿真结果从二维空间特征转换为三维空间特征；再通过虚幻引擎操作，依据三维空间特征，实现冰凌的可视化逼真场景表达；然后按照时序，将冰凌的可视化逼真场景表达添加到水库回水区空间全域的数字孪生流域，即得到数字孪生的冰凌三维动态场景。这里的冰凌包括表面冰或/和颗粒冰；所述颗粒冰包括水内悬浮颗粒冰、颗粒冰堆积层。

14、上述第二数据库还存储有若干冰凌预置工况；所述冰凌预置工况是指仿真模型根据设定工况，基于水库回水区水-冰动力耦合模型获取具有空间坐标和时序特征的水库回水区冰水仿真结果；并通过三维动态场景生成模型得到数字孪生的冰凌三维动态场景；且仿真模型得到的水库回水区冰水仿真结果和三维动态场景生成模型得到的数字孪生的冰凌三维动态场景均存储至第二数据库。

15、上述基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统，包括以下工作模式：历史反演、预报预警和防凌预演；针对不同的工作模式，本发明还提供了基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真方法：

16、对于历史反演工作模式，可以直接依据操作界面接收包含反演时段的用户操作请求，从第二数据库中调取满足用户请求的三维动态场景进行展示；或者利用模拟仿真系统按照以下步骤进行操作：

17、s1 基于第一数据库，通过流域构建模块构建水库回水区空间全域的数字孪生本地场景数据；

18、s2 通过操作界面接收包含反演时段（即当前时刻之前的一段历史时段）的用户的操作请求；

19、s3 基于操作请求，通过仿真模型获得满足操作请求的水库回水区冰水仿真结果；

20、s4 通过三维动态场景生成模型，将水库回水区冰水仿真结果按照时序映射到数字孪生流域，生成三维动态场景并展示；

21、当权利要求1至6任一项所述的基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统处于预报预警工作模式，利用模拟仿真系统按照以下步骤进行操作：

22、s1′ 通过操作界面接收包含预报时段（自当前时刻之后的一段时间段）的用户操作请求；

23、s2′ 基于操作请求，通过仿真模型获得满足操作请求的水库回水区冰水仿真结果；

24、s3′ 将水库回水区冰水仿真结果与设定阈值比较，当超出设定阈值时，向管理者发出预警信息；

25、对于防凌预演工作模式，可以直接依据操作界面接收包含预演时段的用户操作请求，从第二数据库中直接调取满足用户请求的三维动态场景进行展示；或者利用模拟仿真系统按照以下步骤进行操作：

26、s1′′ 基于第一数据库，通过流域构建模块构建水库回水区空间全域的数字孪生本地场景数据；

27、s2′′ 通过操作界面接收包含预演时段（自当前时刻之后的一段时间段或未来给定时间段）的用户的操作请求；

28、s3′′ 基于操作请求，结合冰凌预置工况，通过仿真模型获得满足操作请求（例如未来给定时段）的水库回水区冰水仿真结果；

29、s4′′ 通过三维动态场景生成模型，将水库回水区冰水仿真结果按照时序映射到数字孪生流域，生成三维动态场景并展示。

30、对于预报预警模式，依据目标水库回水区不同点位、不同区段水位预警阈值，将水库回水区冰水仿真结果与设定阈值比较，当超出设定阈值时，向管理者发出预警信息，实现预报预警。还可以结合防凌预演模式，基于冰水数据库或实时模拟预测得到的冰水情成果不同维度动画输出及场景表达，滚动生成冰灾预警信息，可视化预警展示水位壅高后的冰灾位置、冰灾范围，智慧辨识和动态评估目标水库回水区范围内冰灾风险等级，配套启动相关预案。此外，对于预报预警模式，基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真方法还包括步骤s4′将水库回水区冰水仿真结果进行冰水纵向一维或冰水平面二维展示。

31、与现有技术相比，本发明提供的基于数字孪生的水库回水区冰水动力学模拟仿真系统及方法具有以下优异效果：

32、（1）本发明建立了冰水二维模拟数据到数字孪生三维场景的数字映射和动态情景推演的自动化流程，克服了凌汛过程难以三维自动仿真动态表达的问题，完成二维冰水动力学模型与三维河道模型的对接；

33、（2）本发明通过历史凌情推演，可分析多环境因素耦合作用下冰凌动力学和水位的发展规律和演变特征，识别水库回水区冰凌发展演进过程的主要驱动力，对水库防凌调度和管理制定有重要的指导作用和参考价值；根据冬季水库调度计划和气象、水情预报，可进行一定预见期的凌情预测预报，预知水库回水区凌情的发展态势和水位壅高情况，可动态评估和诊断凌汛风险并启动相关预案或采取相关措施。