数字孪生灌区的立体感知体系
- 作者: 智慧水利与智慧水务
- 来源: 智慧水利与智慧水务
- 日期 : 2024-02-21
智慧水利与智慧水务 2024-01-31 08:15 山东
按照水利部《数字孪生灌区建设技术指南（试行）》及数字孪生灌区建设技术导则（征求意见稿）要求，数字孪生灌区建设应包括信息化基础设施、数字孪生平台、业务应用平台、网络安全体系、运行维护体系等。
数字孪生灌区总体架构如下图所示。
数字孪生灌区总体架构图
其中，信息化基础设施主要包括立体感知体系、自动控制系统、支撑保障体系，为灌区数据采集、传输存储、分析计算、应用支撑、运行管理等提供基础支撑和算力保障。
立体感知体系
一般要求
应基于地形条件和管理需求，利用3S、云计算、大数据、数字孪生、物联网、人工智能、5G等现代信息技术，汇集多种类型的传感终端，构建“天空地”一体化透彻感知体系，实现全时空的泛在感知。灌区数字孪生建设应充分共享数字孪生流域、数字孪生水利工程和数字孪生水网监测感知数据，以灌区灌排系统高保真模拟运行为目标，科学规划监测感知体系，合理确定监测项目、监测密度和监测频次，宜建设统一的监测汇集平台，集中接受和管理各类监测感知数据，保障数据安全，支持对运行渠道的远程运维管理。
应根据现场气候、地形地质条件、工程状况、精度要求、类似工程经验确定监测仪器设备选型，并采用专业传感器采集、视频监控等感知方式、以及卫星遥感、视频/图像识别、无人机、水下机器人等新型监测手段获取监测信息。应经过技术经济比较，选择有线、近距离无线（WiFi，Zigbee、蓝牙等）、移动空中网（4G、NB-LoTDd）等通信方式，保障监测信息的高效传输。监测信息宜采用自动采集传输方式与线下人工采集相结合方式获取。
水情监测
应根据灌区所在地域和规模、渠道特点以及水量调配、用水管理的要求，在主要取（引）水口、配水口、分水口、排（退）水口、用水管理分界点等用水计量断面设置量水监测站。根据灌区管理需要，可对灌区范围内的机井取水量、地下水水位、田间水层、塘堰水位进行监测。量水监测的基本要素为水位、流速和流量，监测站点布设应符合GB/T28714、GB/T21303的规定，且监测站数据能与其上下级站进行数据联动。量水仪器基本参数及通用技术应符合GB/T15966的有关规定。应综合考虑量测精度、水流条件、水头损失、抗干扰性、安装环境、经济性等因素，根据流量范围、运行要求、对现场条件的适应性等合理选用设备设施。根据灌区管理需求，可在取（引）水口、地下水取水口、排（退）水口、用水管理分界点等重要断面开展水质监测。其中，水位监测仪器包括：浮子水位计、压力水位计、雷达水位计；
流量监测包括：超声波时差法、ADCP、雷达波法、水工建筑物法。
工情监测
工情监测宜覆盖水源工程，取（引）水工程、泵站工程、输配水渠（管）道、田间灌溉渠系、排（退）水沟（渠）及其建筑物、机电设备、金属结构设备、管理设施等。可采用仪器设备监测、视频监视、无人机巡航、人工巡查等方式采集工情信息。具备条件的单位，宜构建基于星载平台（北斗、卫星InSAR等）、航空平台（无人机摄影测量等）、地面平台（高精度三维激光扫描仪等）的天空地一体化多源立体化监测系统，实现灌区全域的全方位监测和安全隐患识别。宜监测闸（阀）门开度、荷载、过闸流量、启闭时间，泵站运行工况，泵站流量、实时负荷、启停时间等工程运行信息。宜监测水库大坝、水闸、渡槽、渠道及渠系建筑物（重点监测高边坡、高填方段）、堤防工程等的变形、渗流、应力应变等工程安全信息。监测点位、布置、频次等应符合SL551、SL601、SL725、SL766、SL768等的规定。工情感知包括：垂直位移监测、水平位移监测、渗压监测。垂直位移监测，可采用：几何水准法、短视线三角高程法、液体静力水准法水平位移监测，可采用：视准线法、测小角法、位移计渗压监测，可采用：渗压管法、埋设渗压计法
农情监测
宜监测包括壤墒情或田间水层深度、种植结构、种植面积、作物需耗水、土、作物长势、生长阶段、病虫害及涝渍灾情等农情信息。在充分共享相关部门农情信息基础上，可根据需要补充布设农情信息监测点。土壤墒情监测站配置应符合SL364的规定，水稻田还应配备水位传感器监测水层深度，宜共享国家墒情站、地方墒情站的监测数据。可根据灌区实际需求采用卫星遥感、无人机监测等方式开展种植结构、种植面积、作物需耗水、作物长势、生长阶段、病虫害与产量预测以及墒情等信息监测。其中，稻田水位传感器可采用：浮子水位计、雷达波水位计、压力式水位计、超声波水位计、电子水尺
气象监测
宜根据管理需要共享流域管理机构、地方水行政主管部门、各级气象观测部门相关雨量站监测数据。可根据需要加密布设雨量站，灌域集雨面积每50平方千米宜设置不少于2处雨量站，水库灌区渠首应设置1处雨量站。宜共享相关部门尤其是气象部门的气象信息，可根据需求进行加密监测。气象站监测参数宜包括降雨量、温度、相对湿度、大气压强、风向风速和太阳辐射等，布设的位置、密度应符合SL566的规定。降雨量观测应符合SL21的规定，重点雨量监测站宜汛期每小时、降水时段内每5分钟自动采集一组降雨量数据，包括时段降雨量和当日累积降雨量。
