数字孪生智慧圩区管理平台
详细介绍
数字孪生智慧圩区管理平台
一、简介：
中云智建科技有限公司数字孪生智慧圩区管理平台综合运用3D GIS、三维建模、空间分析、BIM、数据库等技术，基于前期水利工程基础资料，以及已建设的水文水情监测系统和信息化数据库，依托于淮河关店圩区（以下简称“圩区”）管理业务的实际需求和规范，建立一套二、三维一体化的一张图、一张网、具备较高的“信息表达可视化、业务管理一体化、数据维护集中化、资料成果共享化”等特点的新型圩区水利工程监管平台，全面促进当前圩区水利工程管理业务的升级。
开发围绕圩区水利工程三维数字化管信息化理需求，提升圩区水文管理工作在数据采集、存储、处理、分析、应用等环节中的工作效率，实现圩区水资源和水利工程数据的三维监管、可视化空间分析，实现管理业务和监测数据可视化表达方法的三维化升级，最终实现圩区的动态和静态状况的高精度克隆。
项目通过叠加区域三维数字高程模型高精度正射遥感影像，深度应用GIS相关技术和方法，构建圩区全场景三维模型，形成一套多尺度、多专题、多细节展现层次的综合管理与可视化分析平台，以支撑圩区水利工程及监测数据的三维检索、度量、分析、评估、操作、以及空间分布特征的三维可视化表达。
二、平台特点
中云智建科技有限公司数字孪生智慧圩区管理平台所搭建的三维圩区数字孪生管理平台，相较于传统的水资源管理平台，具备如下几个典型特色：
（1）可视化。提供图形化、可视化的人机交互界面。包括GIS三维电子地图操作界面、三维虚拟仿真操作界面，及基于三维模型的操作交互界面。全面实现自然资源地理对象的可视化。
（2）仿真化。综合采用三维地理信息技术和三维建模技术，对圩区的地理场景及其内部部署的设备设施进行宏观尺度和精细尺度的三维建模与可视化表达，并将所有的管理要素置于此三维仿真场景模型中，同时兼顾周边地理要素的一体化建模，包括排涝站、提排站、河道工程、水文设备、堤坝、出水口、入水口等，在统一的空间坐标框架下，打造仿真直观、多层次多尺度的虚拟化的自然资源确权登记管理场景。
（3）智能化。平台实施过程中，注重多源异构数据的智能优化处理、分析与模拟，实现综合分析与评估。能够根据环境的变化做出合理化响应动作，对圩区监测要素给出明确的三维表达，从而准确、如实地反映设备分布和水文特征，助力圩区水利资源管理工作的精细化和智能化。
（4）标准化。本软件产品内嵌了水文监测标准化流程和前端传感器对接接口，提供设备故障处置标准化流程。平台提供完善的空间地理数据、非结构化数据与三维数据的存储、发布标准和数据传输方式，建立完备的多系统双向通信标准机制，具备良好的可替换性与可配置性。
三、总体架构
将来源于的不同类型信息入口的数据加以汇总及标准化处理，消除信息孤岛，之后通过GIS空间数据库引擎导入到空间数据库中、或直接导入实时数据库及历史属性数据库。数据入库前进行数据库结构、元数据以及数据字典的设计。初始数据入库需按要求经多次数据检查和处理，确保入库数据的质量。
圩区三维管理范围数据涵盖整个区域的水文监测数据，数据上下行交互流量较大，集中式关系新数据库无法满足长远的平台扩展要求，在处理大数据查询、检索时性能将受到限制。为此有必要引入更适合处理大数据的数据库平台。
可选用NoSQL数据库作为大数据存储的基础数据库，如Redis（适用于动态实时更新数据，如河流水位、水质传感器监测数据等）、MongoDB（适用于动态查询频繁业务，如：权属的查询、权属状态更新等）、Membase（适用于高并发访问支持，如评估结果发布服务等）等，弥补关系数据在大数据处理方面的不足。
以上各类型数据库之间通过同步更新与关联策略，共同组成圩区三维地理时空大数据底层数据库支撑架构，为存储地理时空大数据各种数据类型提供基础支撑。
根据圩区水利工程管理需要，对数据资源进行合理统计规划，主要需要的基础数据包括如下三种类型：
1、基础地理数据。包括三维地形DEM数据（10m 以上精度），高清正射影像数据（17级以上）、基础地理图层数据、专题地理图层数据、地理对象坐标数据、三维模型数据等、关键空间对象位置定位数据；
2、专题数据。包括圩区水渠空间分布数据、水文站点属性数据、进出水口点位数据等。
3、动态数据。指会随着时间发生属性变化的各类数据。包括圩内水位、水质等。此类数据由传感器监测得到的是动态变化的数据，有必要记录其动态变化过程，并在平台三维场景中加以可视化表达，以充分反映水文要素随着时间的变化规律，更为精准地实现圩区水环境信息的表达。
4、平台从功能上划分为圩区三维场景沙盘、水文综合查询与统计分析、圩区洪水预报与报警、系统综合配置管理四大模块。
5、功能框架
根据以上功能需求分析，本平台产品总体上划分为四个功能模块，主要功能框架组成如下图所示。
6、性能需求
（1）存储容量
随着时间的推移，平台的动态数据将占用整个系统的绝大部分储存，平台的数据采集记录及动态监测数据将占用整个系统的绝大部分储存。同时，还一定包含虚拟巡视路线轨迹和一些文本数据。此外，持续的洪水预报和监测数据对于数据库的存储容量也有较高的要求。
在系统设计中，应充分注意系统的安全性和可靠性，采用多种安全防范技术和措施，保障系统的信息安全，保障系统长期稳定可靠运行，同时在系统设计要充分考虑系统运行性能，达到“简便、实用、快捷、安全、准确”的目的。
在进行系统总体规划时，应选择业界到目前为止先进和成熟的技术作为整个系统的技术架构，以保证系统有不断发展和扩充的余地。
系统总体设计的先进性原则主要体现在以下几方面：
1）系统结构选择当前先进的SSM架构进行逻辑和业务和展示分层的架构进行系统开发；
2） 软件的设计中利用先进的面向对象技术、设计模式、接口技术和组件技术来提高软件的通用性和复用性。
实用性是每个信息系统在建设过程中所必须考虑的，从实际应用的角度来看，这个性能更加重要。为了提高系统的实用性，本系统考虑如下几个方面：
◆ 设计上充分考虑当前各业务层次、各环节管理中数据处理的便利和可行，把满足用户业务管理作为第一要素进行考虑；
◆ 采取总体设计、分步实施的技术方案，在总体设计的前提下，系统实施时先进行业务处理层及低层管理，稳步向中高层管理及全面自动化过渡。这样做可以使系统始终与业务实际需求紧密连在一起，不但增加了系统的实用性，而且可使系统建设保持很好的连贯性；
◆ 全部人机操作设计均充分考虑不同使用者的实际需要；
◆ 用户接口及界面设计充分考虑人体结构特征及视觉特征进行优化设计，界面尽可能美观大方，操作简便实用。
对所有的数据采用合理的数据结构，把它们有效地组织好，进行统一维护管理，避免数据重复，减少冗余，提高准确性和可靠性，保证数据的统一性和完整性。
（6）对外服务需求
（1）面向外部用户的专题三维地图的制作与发布服务：面向公众发布专题非涉密的自然资源数据服务，将经过空间统计、分析、符号化渲染、地图整饰处理后的非涉密专题图，向公众发布。
（2）面向内部用户的专题数据访问服务：内部各部门根据各自的专题业务需求，查阅所需数据、并调取响应的空间数据工具对数据进行操作，在GIS中开放诸如查询、漫游、定位、个人兴趣点标注、附件管理等具有针对性的办公工具模块，提高办公效率。
（7）总体架构设计
平台的总体架构包括：数据存储与发布层、数据传输层、空间计算和服务层。
数据存储与发布层：实现空间和属性数据的一体化存储和对外发布，开放不同的数据接口以便于外部系统对数据的调取和访问。包括专题图层数据、遥感影像数据、三维地形数据、三维倾斜摄影测量数据等，提供不同的存储方式、发布方式与访问方式。
数据传输层：搭建自然资源确权登记专网，综合有线传输、运营商无线wifi网络，4G/5G、卫星通讯等技术，将个人移动终端设备、监控中心服务器、现场各类传感器设备之间进行连接交互和共享，实现“全面的互联互通”；
空间计算层：以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段，整合和分析海量的监测传感数据、不同类型格式的空间资源环境数据，实现海量存储、实时处理、空间分析和智能评价，实现“更深入的智能化”；
服务层：利用云服务模式，建立面向对象的业务应用系统和信息服务门户，为圩区管理各项工作提供“更智能的支持和辅助”。
（8）关键技术选型
3D GIS平台：基于cesiumJS二次封装的自主知识产权WebGIS平台引擎，支持灵活定制和扩展；
数据库系统：MySQL；
三维建模平台：3ds max；
BIM平台：AutoDesk Revit 平台；
GIS服务器：GeoServer或超图/ESRI；
GIS工具平台：ArcGIS Desktop组件；
虚拟现实平台：Unity 3D + PanVR + Flash；
影像处理工具：ENVI/IDL；
无人机平台：大疆；
四、 平台模块
1、圩区场景沙盘
该模块将构建的圩区三维仿真模型载入浏览器中供用户查看。将圩区及水文相关的建筑、设备设施、建筑工程等按照实际情况和位置进行三维 建模（包括倾斜摄影测量模型和三维仿真BIM模型）。为用户提供一个1：1的虚拟自然资源虚拟环境三维场景，并支持在场景中拾取查询相关的地物和设备设施对象。用户可以非常直观地了解各个圩区的环境状况、设备安装与布置情况等信息。
2、 三维场景模型
系统的三维场景模型的构建需要高程数据、正射影像数据、地名数据、城市建筑地基线数据。高程数据（DEM）是在某一投影平面上规则格网点的平面坐标及高程的数据集，DEM的格网间隔与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系统。
3、 多尺度、多专题、多时态三维数据统一加载与分层显示
平台支持多尺度、多专题、多时态三维数据的一体化加载和分图层叠加显示。其中：多尺度，是指在宏观层级下观察地物时需要采用的数据表达方式。在大于1：5000或观察距离超过2公里时，采用宏观尺度级别数据。在该数据层级下，将所有的地物采用点、线、面符号的方式进行表达；在精细（微观）尺度下时，采用三维模型结合图层的方式对所有地物信息进行可视化表达。同一空间对象对应的模型和符号，其所关联的操作的信息是相同的。
4、基本空间操作
该部分功能旨在为用户提供一整套针对三维GIS场景和地理数据进行操作与分析的工。
支持用户通过鼠标在三维场景中绘制一条折现或一个多边形，并测量该线条或多边形的长度或者距离。距离测量支持用户测量水平距离、地表距离、垂直距离、角度、水平面积、地表面积6种空间测量模式。
5、 在线监测与分析
通过与圩区现场水位、水质在线监测设备进行对接，实现水文水质在线监测数据的有效性分析和数据统计，确保水站监测数据的准确、真实、可靠，实现系统运行维护的全程跟踪，确保水文监测系统稳定运行。
该模块可统计、处理监测数据；打印输出日、周、月、季、年平均数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及图表（棒状图、曲线图多轨迹图、对比图等），并可输入中心数据库或发布至外网。收集并可长期存储指定的监测数据及各种运行资料、环境资料以备检索。
该模块将全面实现水文监测自动化，实现监测数据的实时连续监测和远程监控，并接入到三维场景中，达到及时掌握水体状况、预警预报重大水质污染事故、重大洪涝灾害预警、监督污染物排放达标情况等目的。
6、 在线监测曲线自动生成
该模块对通过有效性判别后的监测水文数据，根据监管部门的要求发布在相对应的水文自动监测数据统计查询与发布系统中，同时，根据圩区管理部门日常需要设计、定制开发多参数实时在线统计分析查询业务功能。模块充分考虑不同环境要素的具体情况，依据审核后的监测数据形成原始数据查询、历史数据日查询、时段数据查询、实时数据、站点曲线等。
7、 在线监测数据异常报警
该模块允许用户设置各个水质参数的合理阈值。当监测到某项参数实时数据超出限制后，将给出异常报警，并将其推送至3D GIS场景中进行高亮显示，平台中可以显示每个报警信息的详细信息。相关人员移动端也可收到 该报警相关信息。
8、监测点位地图显示
系统在3D GIS地图中展示所有水质监测点位的位置和对应的监测数据信息，允许用户通过点击选中相应设备，查看对应的实时监测数据和历史数据。
9、监测点定位与漫游推送
系统同时提供监测点的列表管理功能，用户在列表内点击监测设备，三维场景跳转至相应位置，监测点处显示监测数据。同时系统还提供漫游功能，用户定义监测点之间的漫游路径，系统控制自动漫游，在漫游时自动拾取附近监测点，并展示监测数据。
10、监测数据的同比环比分析
系统提供了多样的统计分析工具，支持单点监测点、多检测点数据分析，经统计分析取得最大值、最小值、平均值等；基于数据智能分析算法，对积水数据进行同比环比分析，生成环比和同比分析图表。
11、基于三维地形的淹没分析
对圩区内的水域根据指定的最大、最小高程值及淹没速度，动态模拟区域水位由最小高程涨到最大高程的淹没过程。淹没分析便于用户进行水位监测，为防洪救灾提供一定参考，淹没分析结果可以为河流区域的建筑选址提供依据。
圩区三维淹没分析效果示意图
12、突发事件应急处置模拟
突发事件模拟模块是采用三维仿真动画的形式，叠加洪水风险分级图，在3D GIS中将不同类型的突发事件进行模拟，并将相关联的信息和数据进行可视化呈现。包括事件位置标示、事件类型可视化表达、事件抢修路径分析、事件处理原模拟等功能。旨在通过三维GIS的手段实现突发事件的应急处置模拟和辅助决策。如事件相关资源显示、物资人员调度管理、事件演变趋势可视化等。
基于三维GIS的突发事件应急处置场景模拟效果示意图
13、洪水预报预警
对接洪水风险预报系统，将风险预报系统数据进行可视化渲染，形成动态洪水风险图；或调取已预先发布好的洪水风险图层，加载到三维GIS场景中显示；对洪水风险图中的危险区域，采用警示色加以标示，并给出其范围、面积、压覆的地物统计情况等信息。
基于三维GIS的圩区洪水风险图叠加显示效果示意图
14、洪水风险预警与决策支持
针对圩区上下游流域水环境日常管理的应用需求与实际特点，交叉集成水文、水动力、水质等多学科中与河流水量水质模拟与调度相关的模型和方法，为圩区水环境实时预警与应急调度提供核心的模型支撑。对于自动侦测到的洪水风险情况，进行分级和预警，采用声光报警的方式，标示出报警所在的位置，并给出相关联的周边环境信息，以及主要的周边应急物资分布情况。
洪水预警效果图
15、用户信息管理
用户信息管理用于管理系统登录用户信息，以列表形式详细记录系统用户基本信息，对登录用户信息进行统一管理以及登录账号密码的注册和分配。
角色与权限管理用于系统登录用户角色的划分和操作权限的限定，登录用户角色分配不同，相应操作权限也不同，有利用系统功能的分配使用以及系统信息安全的统一保护。
16、知识库管理
知识库主要用来存储非结构化的各类数据，包括各类文档、三维模型、图片、视频、配置文件、临时文件、缓存文件等。不同知识库之间具备数据同步和版本管理机制，通过知识库调度事务线程实现各个库的关联和映射
17、系统监控管理
用户行为监控是对系统用户操作行为进行监控和分析，通过用户行为的记录分析用户登录系统次数、时长情况以及用户系统操作使用情况。
18、系统性能监控
系统性能监控以图表等形式记录平台资源实时利用情况以及资源的占用统计。
平台性能检测界面效果示意图
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