一种水利数字孪生信息化管理平台及管理方法与流程

本发明涉及防汛大坝数字孪生，具体为一种水利数字孪生信息化管理平台及管理方法。

背景技术：

1、传统的防汛大坝管理存在着很多问题，如信息化程度低、效率低、精度低、难以管理和维护等。近年来，随着信息技术的发展和应用，数字孪生技术被广泛应用于各个领域。数字孪生是一种将现实世界实体数字化并与虚拟空间相互对应的技术，通过数字模拟实现实体的全生命周期预测、运维和优化，最终达到提高工作效率和质量的目的。在防汛大坝建设和管理中，数字孪生技术也有着很好的应用前景。

2、在申请公布号为cn111325949a的中国发明申请中，公开了一种应用于汛情监测预警的水利信息化管理系统，包括水库监测装置、河道水文监测装置、闸门监测装置、水利信息中心管控平台、云端数据库；各监测装置将监测到的信息实时反馈至水利信息中心管控平台；所述水利信息中心管控平台将每个监测装置传输的数据信息进行存储，并对所有监测装置的数据进行实时监控，并制定标准阀值，并向各个显示终端传输数据信息。

3、在以上发明申请中，以通过各种检测装置对实时的防汛大坝工作数据进行采集，并上传至终端，数据异常则发出预警，但在降雨时，实时数据短时间内可能发生较大变化，仅仅对实时数据进行采集是不全面的，处理不及时会造成汛情处理延误，影响应急处理效率。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种水利数字孪生信息化管理平台及管理方法。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种水利数字孪生信息化管理方法，包括如下步骤：收集和整理防汛大坝的规格和构造数据，并将这些数据进行数字化处理，统一存储，在数字孪生技术支持下，建立防汛大坝的三维模型，并结合实测数据、遥感数据及多源数据，定期对模型进行更新和校验；

6、当防汛大坝处于正常工作状态时，在防汛大坝的工作区域随机选取多个检测点，依据检测点的覆盖范围确定采集区域并依次对水体相关参数进行采集，建立水体数据集，将水体数据集上传至数字孪生模型进行仿真分析，获得第一承载预测值，并判断第一承载预测值是否超出预设阈值；

7、在发生降雨时，根据天气预报及在采集点的检测装置采集降雨相关数据，建立降雨数据集，并经过分析后得到降雨系数jy，以降雨系数jy对降雨情况形成评价；

8、获取降雨系数jy和水体数据集，进行相关性分析后得到多个相关系数r1、r2及r3，结合防汛大坝的数字孪生模型，构建在降雨天气影响下的防汛大坝工作的预测模型，获得第二承载预测值；

9、依据获取的第二承载预测值与相应的第一预设阈值和第二预设阈值之间的关系，获取防汛大坝的安全风险后，构建应急方案库，并依据防汛大坝的数字孪生模型，验证应急方案是否可行，如果可行，则将最佳方案输出；如果不可行，则向外部发出预警。

10、进一步的，在第一采集点通过采集装置在水体中采集水体数据，获取的数据至少包括水体渗透压力st、水位sw及流速hz，汇总后构建水体数据集；其中水体渗透压力st通过渗压计进行周期性检测，水位sw通过水位传感器进行周期性检测，流速hz通过流速计进行周期性检测。

11、进一步的，获取第一承载预测值并判断其是否超过预设的第一阈值和第二阈值，依据与相应预设阈值的关系，为工作区域确定相应的风险等级，其中工作区域的风险等级从高到低为第一承载风险度、第二承载风险度及第三承载风险度，当第一预测承载值大于第一阈值时，则说明堤坝难以承载，向外部发出预警。

12、进一步的，当发生降雨时，此时防汛大坝的工作状态发生了变化，堤坝承载值需要重新预测，还需要获取相关降雨数据，进一步对堤坝承载情况进行验证，在防汛大坝工作区域内重新随机选取多个采集点，设置为第二采集点；

13、在第二采集点通过雨量收集筒获取实时降雨量lx，并通过天气预报获取预测降雨时长tc，建立降雨数据集。

14、进一步的，获取降雨数据集，对降雨量lx和降雨时长tc进行无量纲化处理后，获取降雨系数jy；其中，降雨系数jy的获取方式符合如下公式：

15、

16、其中，参数意义为：雨量因子ax，0.55≤ax≤0.81，降雨时长因子ac，0.69≤ac≤0.93，c为常数修正系数。

17、需要说明的是，由本领域技术人员采集多组样本数据并对每一组样本数据设定对应的预设比例系数；将设定的预设比例系数和采集的样本数据代入公式，任意两个公式构成二元一次方程组，将计算得到的系数进行筛选并取均值，得到ac及ax的取值；

18、系数的大小是为了将各个参数进行量化得到的一个具体的数值，便于后续比较，关于系数的大小，取决于样本数据的多少及本领域技术人员对每一组样本数据初步设定对应的预设比例系数；只要不影响参数与量化后数值的比例关系即可。

19、进一步的，获取降雨系数jy和水体数据集，并进一步采用spss分析软件分别将降雨系数jy与渗透压力st、水位sw及流速hz进行相关性分析，得到pearson相关系数r1、r2及r3，其中渗透压力st、水位sw及流速hz作为自变量，降雨系数jy作为因变量。

20、进一步的，获取pearson相关系数r1、r2及r3、当前实时水体数据，选择其中部分的数据作为样本数据，基于监督学习算法构建在降雨天气影响下的防汛大坝工作的预测模型，在经过样本数据训练及测试后，将降雨工作预测模型输出，以降雨工作预测模型对堤坝承载的变化进行预测，获取堤坝在当前条件下的承载载荷，确定第二承载预测值。

21、进一步的，获取第二承载预测值并判断其是否超过预设的第一阈值和第二阈值，依据与相应预设阈值的关系，为工作区域确定相应的风险等级，其中工作区域的风险等级从高到低为第一承载风险度、第二承载风险度及第三承载风险度，当第二预测承载值大于第一阈值时，则说明堤坝难以承载。

22、进一步的，基于防汛大坝的数字孪生模型，依据风险等级的不同，从应急方案库中选择相应的应急方案并在防汛大坝数字孪生模型中对应急方案进行仿真分析，计算堤坝承载力特征值。

23、进一步的，获取堤坝承载力特征值并判断是否达到预期，如果堤坝承载力特征值达到预期，则将最佳方案输出，如果堤坝承载力特征值未达到预期，则重新在应急方案库选择应急方案再模拟防汛大坝工作情况，直至堤坝承载力特征值达到预期，若连续3次都无法达到预期，则向外部发出预警。

24、一种水利数字孪生信息化管理平台，其特征在于：包括：

25、模型构建单元，收集和整理防汛大坝的规格和构造数据，在数字孪生技术支持下，建立防汛大坝的三维模型，并结合实测数据、遥感数据及多源数据，定期对模型进行更新和校验；

26、常规预测单元，当防汛大坝处于正常工作状态时，在防汛大坝的工作区域随机选取多个检测点，依据检测点的覆盖范围确定采集区域并依次对水体相关参数进行采集，建立水体数据集，将水体数据集上传至数字孪生模型进行仿真分析，获得第一承载预测值，并判断第一承载预测值是否超出预设阈值；

27、降雨分析单元，在发生降雨时，根据天气预报及在采集点的检测装置采集降雨相关数据，建立降雨数据集，并经过分析后得到降雨系数jy，以降雨系数jy对降雨情况形成评价；

28、降雨仿真单元，获取降雨系数jy和水体数据集，进行相关性分析后得到多个相关系数r1、r2及r3，结合防汛大坝的数字孪生模型，构建在降雨天气影响下的防汛大坝工作的预测模型，获得第二承载预测值；

29、应急验证单元，依据获取的第二承载预测值与相应的预设阈值之间的关系，获取防汛大坝的安全风险后，构建应急方案库，并依据防汛大坝的数字孪生模型，确定应急方案是否可行，如果可行，则将最佳方案输出；如果不可行，则向外部发出预警。

30、(三)有益效果

31、本发明提供了一种水利数字孪生信息化管理平台及管理方法，具备以下有益效果：

32、1、通过随机地确定检测点并依据其分布确定检测顺序，能够增加检测的随机性，减少在对工作区域进行检测时的干扰，从而减少数据的误差带来的错误分析和判断，减少风险。

33、2、通过采集获取降雨量lx，并通过天气预报获取降雨时长tc，建立降雨数据集，并由降雨数据集分析得到降雨系数jy，依据降雨系数jy对降雨情况形成评价，依据评价结果，用户能够大致地判断出防汛大坝在进行工作时载荷的偏差，能够针对性的对水利工作方案进行修改，使工作安全性更加充足。

34、3、通过模拟应急，在配合了防汛大坝数字孪生模型的基础上，计算应急处理后堤坝的承载力特征值，并将其与相应阈值进行比较，判断应急方案是否可行，若可行则输出最佳方案，能够在节省人力物力，减少应急风险的基础上，得到最佳的应急方案，降低对防汛大坝应急处理的风险和成本。