文｜楊玉柱 趙冉 楊楠

一、需求分析

山東省數(shù)字水利建設(shè)在“十四五”規(guī)劃中提出了五大任務(wù)，一是鞏基礎(chǔ)，構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)，擴大實時在線監(jiān)測范圍。同時，完善水利云網(wǎng)建設(shè)，形成“物理分散、邏輯統(tǒng)一”的水利云。升級改造網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，全面支持 IPv6。二是理數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字水利數(shù)據(jù)資源體系。三是強支撐，匯集水利模型、算法模型、機器學(xué)習(xí)模型，探索構(gòu)建水利模型庫、算法模型庫、機器學(xué)習(xí)庫、水利知識圖譜。四是智應(yīng)用，采用空間遙感、傾斜攝影、BIM 等技術(shù)，加快推進全省大中型水庫、重點河湖流域工程數(shù)字化和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)進程。五是健保障，健全數(shù)字水利保障體系。

二、方案設(shè)計

（一）總體功能和架構(gòu)設(shè)計

為確保水庫安全運行，充分發(fā)揮水庫效益，以山東省智慧水利頂層設(shè)計為指導(dǎo)，立足于山東省水庫管理工作需求，考慮全省水庫信息化現(xiàn)狀及未來管理需求，在水利信息化資源梳理的基礎(chǔ)上，通過資源整合，統(tǒng)籌共建以及必要補充，著力優(yōu)化資源配置，以小型水庫安全管理為突破口，逐步建立起“數(shù)據(jù)資源知識化、應(yīng)用系統(tǒng)智能化、標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范化、安全體系可靠化”的水庫信息化管理體系，全面提升水庫運行管理質(zhì)量、防汛抗旱能力和強化水庫日常監(jiān)管能力，提高防災(zāi)減災(zāi)能力，有效保障工程安全、飲水安全與公眾安全。

山東省水利廳水庫雨水工情自動測報和水庫安全運行及防洪調(diào)度項目，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)融合北斗、衛(wèi)星遙感、雷達、無人機、無人船等能力，建設(shè)全省空天地一體化泛在感知網(wǎng)，實現(xiàn)雨水工情自動測報、水庫信息數(shù)字化管理、納雨能力分析和流域聯(lián)合調(diào)度預(yù)演等，為水庫的安全運行及防洪調(diào)度提供及時、準(zhǔn)確的信息，輔助領(lǐng)導(dǎo)決策，做好水庫安全管理，保障水庫良性運行。

（二）主要應(yīng)用技術(shù)

1. 5G+F5G構(gòu)建全省水利泛在感知網(wǎng)

山東數(shù)字水利整體架構(gòu)圖

通過5G+F5G構(gòu)建全省水利泛在感知網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)隔離不同業(yè)務(wù)場景，保障重要水利設(shè)施數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约胺€(wěn)定性。同時滿足視頻類數(shù)據(jù)、移動辦公等應(yīng)用場景。

本文針對全省水利系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行改造擴容升級，實現(xiàn)5G/F5G雙千兆到桌面網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)安全方面滿足三級等保要求，以確保全水庫雨水工情監(jiān)測信息的可靠穩(wěn)定傳輸。

2. 5G+北斗+InSAR遙感衛(wèi)星在項目中的應(yīng)用

本文中使用的GNSS RTK接收機采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，兼容GPS、GLONASS系統(tǒng)，支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）B1/B2/B3、 GPS L1/L2/L5 和GLONASS L1/L2三系統(tǒng)多頻道聯(lián)合定位服務(wù)。采用5G+北斗授時技術(shù)，實現(xiàn)全省水庫授時精度達到10納秒的量級。

在水庫表面變形監(jiān)測方面，綜合運用5G+北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（以下簡稱北斗/GNSS）監(jiān)測和合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等技術(shù)，具有實現(xiàn)水庫群高效精準(zhǔn)監(jiān)測的潛力。北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測技術(shù)具有全天候、實時、連續(xù)、自動化監(jiān)測的能力，可在夜間、臺風(fēng)暴雨期間正常觀測，能夠 24 h 連續(xù)不間斷地獲取大壩變形監(jiān)測資料。

3. 5G+無人船、無人機實現(xiàn)空天地一體化應(yīng)用

水上水下一體化，全稱船載水上水下一體化三維移動測量系統(tǒng)，水上水下一體采集技術(shù)是近兩年剛開始應(yīng)用的新型技術(shù)，為航道、庫區(qū)數(shù)據(jù)帶來了效率最高、精度最高、覆蓋面最廣、可擴展性最強的解決方案。系統(tǒng)主要由三維激光掃描子系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、影像采集子系統(tǒng)、導(dǎo)航定位定姿定向子系統(tǒng)、集成控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用子系統(tǒng)等組成?？梢酝瑫r采集水底、水岸帶大地坐標(biāo)的高密度點云數(shù)據(jù)、水底地形數(shù)據(jù)，以及沿岸地帶的全景影像。這些精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以用于防洪防澇、水庫DEM、庫區(qū)容量計算、淤積狀況評估、水岸侵蝕調(diào)查、水利設(shè)施監(jiān)管、違章建筑監(jiān)管等領(lǐng)域。

4.水庫安全監(jiān)測實時拼接顯示技術(shù)應(yīng)用

采用無人機及無人船測量數(shù)據(jù)的實時顯示可以有效指導(dǎo)作業(yè)人員隨時了解數(shù)據(jù)質(zhì)量，在多源數(shù)據(jù)測量顯得尤其重要。為了對水上及水下的地形進行連續(xù)的測量以及進行三維場景的重建展示，數(shù)據(jù)采集與處理軟件實時接收三維激光掃描設(shè)備、多波束測深儀、定位定向分系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航分系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)，實時進行點云歸位解算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并將點云在三維空間中加以顯示，即涉及點云鑲嵌拼接技術(shù)。

采用5G+MEC+RTK技術(shù)確保了多波束測深儀和激光掃描設(shè)備能夠同時準(zhǔn)確地進行匹配拼接。無人艇載水陸一體化測量系統(tǒng)的出現(xiàn)及推廣，是對傳統(tǒng)測量方式和船載水陸一體化測量系統(tǒng)的有效補充和智能升級，在地形復(fù)雜的水庫等人工難以施測的地方作用明顯，也可大大提高項目實施效率，節(jié)省工期。

5.水利模型平臺及流域仿真決策指揮平臺

結(jié)合5G+MEC邊緣計算技術(shù)，建設(shè)水文、水動力、水工程調(diào)度和相關(guān)高性能算法、智能算法，為防洪聯(lián)合調(diào)度決策提供“算力”。開發(fā)數(shù)字孿生模型平臺，實現(xiàn)對預(yù)報調(diào)度等水利專業(yè)模型、智能算法的統(tǒng)一管理；開發(fā)現(xiàn)有洪水預(yù)報產(chǎn)品的精細化洪水預(yù)報模型，建立人工智能算法的洪水預(yù)報模型，實現(xiàn)在16個斷面的實時洪水預(yù)報示范應(yīng)用；建立人工智能算法的防洪調(diào)度模型，實現(xiàn)大型水庫的智能防洪調(diào)度。

三、價值分析

（一）經(jīng)濟效益

在水庫治理方面，目前全國現(xiàn)有水庫9.8萬余座，小型水庫占95.3%——小型水庫數(shù)量眾多，而且50%以上無雨水情自動測報設(shè)施，90%以上無安全監(jiān)測設(shè)施，隱患問題嚴(yán)重。在國家“十四五”規(guī)劃中，針對小型水庫建設(shè)指出，要做到應(yīng)建盡建，實現(xiàn)小型水庫降水量、水庫水位、大壩滲流量、壓力、表面變形等數(shù)據(jù)、圖像或視頻的自動采集報送、分析研判、預(yù)警發(fā)布。實現(xiàn)“人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎(chǔ)設(shè)施不受沖擊”目標(biāo)，滿足十四五期間對小水庫安全運行管理的需要。因此，每年建設(shè)任務(wù)巨大，總預(yù)算約120億（水利發(fā)展資金中安排中央補助資金），其中山東今年招標(biāo)額度達28億元，其他省也將有大規(guī)模的建設(shè)需求，市場需求巨大。

（二）社會效益

該項目的實施有效地保障了全省的用水安全，優(yōu)化了水資源，凈化了水環(huán)境，解決了原來病險水庫數(shù)量多，安全監(jiān)測設(shè)施不全，局地極端暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率不高，山洪災(zāi)害預(yù)警精度不夠、防洪調(diào)度預(yù)演能力不足、模擬驗算功能不強等問題，契合了總書記提出的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，為助力打造幸福山東、美麗山東提供了堅實的支撐。