一种基于数字孪生的检查井溢流点预报预警方法及系统与流程

本发明涉及城市洪涝数值模拟领域，尤其涉及一种基于数字孪生的检查井溢流点预报预警方法及系统。

背景技术：

1、在全球变暖和快速城市化的背景下，城市地区的降雨和洪水模式在不断变化，以数值模拟模型为主的水文和水动力模型已经广泛应用于极端降雨的城市洪涝过程的模拟。相比于自然流域，城市并不是一个简单的集水区，城市内复杂的下垫面使得城市洪涝模拟具有更高的不确定性。主要包括三个方面：首先是模型输入的不确定性，降雨数据和河道流量数据在监测过程中，往往会出现监测设备故障导致数据异常、数据缺失，地下管网数据因为信息量庞大难以监测；其次是模型结构的不确定性，城市下垫面复杂多样，其中密集的建筑物、道路和地下管网的加入改变了自然径流的方式，水力交换条件复杂；最后是模型参数的不确定性，模型初始参数主要通过经验值设定，这些参数与实测数据的吻合度直接影响模型结果的准确性。在模型计算中，模型参数率定可以减少模拟值与实测值的差异性，进一步提高模拟精度，从而客观影响检查井溢流情况和城市洪涝淹没分布。目前，参数率定以场次洪涝过程与实测过程误差最小为目标，对算法进行优化，此类方法模拟模型参数在降雨洪涝过程中不发生变化，系统性忽视了城市下垫面动态变化过程，难以克服历史数据模拟较好但是在预测过程中性能较差的问题。传统的城市洪涝模型在构建和率定完成之后很难根据城市的发展变化再对应调整模型，无法根据实际监测情况和未来气象预报数据，实现在任意空间尺度下的城市状态可视化展示，难以精准高效的反映城市内的动态变化对城市洪涝灾害进行集中管理。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有城市洪涝模拟模型在捕捉城市动态变化特征方面的局限性和不足，本发明提出了一种基于数字孪生技术的检查井溢流点预报预警方法及系统。此方法解决了传统模型因时空尺度差异而无法及时准确反映城市当前及未来状态的问题。通过集成实时传输的感知模块，实现对城市洪涝模型的精准校正，从而精细化检查井模拟和模型的响应速度。此外，该发明以检查井溢流水位为基准将洪涝灾害风险归一化，对洪涝风险动态分级发布预警决策，为城市的防洪排涝策略制定提供科学依据和技术支持。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于数字孪生的检查井溢流点预报预警方法，包括以下步骤：

4、s100、首先完善城市知识图谱构建城市感知模块；

5、s200、构建数字孪生城市；

6、s300、构建检查井预报模块；

7、s400、构建洪涝风险预警模块。

8、在一些具体实施例中，步骤s100具体包括以下步骤：

9、步骤s110、城市实时动态数据收集:对城市中的管网属性数据、水质属性数据、降雨监测数据、水利工程设施监测数据、社交媒体行为数据进行收集，每间隔5分钟通过传感器传回至数字城市数据库，动态滚动刷新数据库；

10、步骤s120、城市历史静态数据收集:静态数据收集包括收集地理信息数据和地下管网系统数据；地下排水管网系统数据包含检查井节点信息：检查井节点底部高程、井深、坐标信息；还包含：检查雨水管道信息：雨水管道的起始节点、终止节点、起始埋深、终止埋深、管道直径、管段长度、管段糙率信息；排水口信息：排水口的坐标、高程、排水类型信息。

11、在一些具体实施例中，步骤s200具体包括以下步骤：

12、基于数字城市数据库，提取城市地理空间数据、基础设施数据、社交媒体数据中的关键特征，包括时间序列特征、地理空间分布特征、洪水特征；融合统计分析、人工智能方法，从提取的关键特征中识别具有代表性的溢流场景模拟作为洪涝灾害发生的典型模式；将代表性模式与城市水文水动力模型结合，通过b i m或g i s构建并渲染三维数字城市检查井溢流的过程，包括溢流的开始、积水、消退阶段，形成数字城市资源池。

13、在一些具体实施例中，步骤s300具体包括以下步骤：

14、步骤s310、构建一维地下管网模型:基于城市内历史地下排水管网数据，提取获得的地下排水管网数据中节点底高程、井深、坐标信息，雨水管道的起始节点、终止节点、起始埋深、终止埋深、管道直径、管段长度、管道糙率，排水口的坐标、高程、排水类型信息储存在排水管网模型的水文要素中，构建一维地下管网模型；

15、步骤s320、构建二维地表水动力模型：将城市区域内的建筑物区域高程进行加高20m，河道区域对应的高程减少5m后，将研究区域内的修正后的地形高程数据赋值给网格，同时定义每个单元内的高程值为恒定值；根据土地利用类型数据给研究区域内每个网格赋予初始糙率值，并将糙率值储存在网格单元中心处，生成.s l f文件；以研究区域外框设定二维地表水动力模型的边界，可以设置为自由出流边界或闭合边界生成.c l i文件，构建二维地表水动力模型；

16、步骤s330、构建耦合水文水动力模型：确保一维地下管网模型和二维地表水动力模型处于同一坐标系下，确定地下排水管网中的每个检查井节点都有与之对应的地表二维网格单元，将参与到水量交换的计算节点与地表二维网格分别定义为耦合节点和耦合单元，构建城市洪涝模型。

17、在一些具体实施例中，步骤s300具体还包括以下步骤：

18、步骤s340、将未来不同时间段的气象预报数据作为模型输入，确定模型模拟时间段，分析结果判断检查井溢流情况，提取溢流点水位特征，结合数字孪生体模块完成检查井数字孪生推演，动态展示出城市内在未来预测时间段是否出现洪涝灾害，以及洪涝淹没情况和检查井溢流点流速、流量、流向、淹没范围，为城市洪涝预警决策提供立体直观的影响。

19、在一些具体实施例中，步骤s400具体还包括以下步骤：

20、步骤s410、提取检查井预报结果的时间序列特征和数字城市数据库中的积水情况构建城市安全数据库，并对城市安全数据库中的数据进行归一化处理，划分城市洪涝风险等级；

21、归一化处理方式如下：

22、

23、式中：y为归一化的城市安全预警数据，范围为[0,1]，x为历史收集的城市安全预警数据，xmin为历史收集城市安全预警数据的最小值，xmax为历史收集城市安全预警数据的最大值；

24、当淹没水位接近或超过低风险水位时，发布一级预警；淹没水位达到中风险水位时，发布二级预警；若溢流水位达到或超过高风险水位，发布三级预警，预警信息包括受灾范围，受灾深度、积水时间、积水位置、积水水位、积水面积等详细信息；后续，通过数字孪生体模块传回实测积水数据进行判断是否符合实际情况，记录预警信息，滚动刷新城市安全数据库。

25、在一些具体实施例中，一维水动力模型的连续方程如下式：

26、

27、一维水动力模型的动量方程具体如下式：

28、

29、式中，x为距离，t为时间，a为过水断面面积，q为流量，h为水头，g为重力加速度，sf为摩阻比降；

30、二维水动力学模型的连续方程如下式：

31、

32、二维水动力学模型的动量方程如下式：

33、

34、式中，y为第二距离，u为方向流速，v为y方向的流速，h为水深，z为水位，ve时具有效粘性系数，fx为x方向的底摩阻向，fy为y方向的底摩阻向，div(·)w为散度符号通式，为梯度算子。

35、在一些具体实施例中，在数字孪生数据库里每间隔8小时抽取三场实测降雨数据进行对一维地下管网模型进行参数率定和验证，选取实测降雨的时间段最短为2h，最长不超过48h；采用三种指标评估模拟数据和实测数据之间的相对误差，并设定为目标函数；第一目标函数为纳什效率系数如下式：

36、

37、式中：qo和qs分别为实测流量和模拟流量；为实测流量的平均值；n为数值点总数；nse的取值范围为(-∞，1]，nse越接近1，则证明拟合效果越好；参数率定的过程中，nse值需满足大于0.5；

38、第二目标函数为洪峰流量的绝对误差计算方法如下式：

39、

40、式中：ro和rs分别为第i个时间节点的实测洪峰流量和模拟洪峰流量。率定过程中，re值不应大于25％；

41、第三目标函数为峰现时间的相对误差计算方法如下式：

42、ae＝|ts-to

43、式中：to和ts分别为第i个时间节点的实测峰现时间和模拟峰现时间；参数率定的过程中ae值不应大于1h；当参数率定的过程中，满足三个目标函数的误差范围，则停止率定，否则重复该步骤，直至满足要求。

44、在一些具体实施例中，溢流点的流速表达式具体如下式：

45、

46、式中：u为x方向的流速，v为y方向的流速；

47、流速箭头的终点坐标为研究区域内网格的节点坐标，起点和终点坐标的表达式具体如下式：

48、

49、

50、

51、

52、式中：x2为终点的横坐标，y2为终点的纵坐标，x3为下一段流速箭头起点的横坐标，y3为对应的纵坐标，x4为下一段流速箭头终点的横坐标，y4为其纵坐标，α为箭头方向与x方向的夹角大小。

53、基于同一种构思的一种基于数字孪生的检查井溢流点预报预警系统，包括：

54、城市感知模块，用于传输整个城市内的基础设施信息，涵盖静态和动态信息层面；

55、数字孪生体模块，用于整合了多源数据，构建数字城市虚拟模型，实时同步物理城市和提供可视化和交互功能，实现对城市运行状态的全面监控和高精度仿真；

56、检查井预报模块，用于水文水动力耦合模型的计算，运用全局化思路解决耦合模型中与子模型之间的时空尺度不同、模拟要素不匹配的问题；

57、洪涝风险预警模块，用于提取检查井预报结果的时间序列特征和数字城市数据库中的积水情况构建城市安全数据库，并对城市安全数据库中的数据进行归一化处理，划分城市洪涝风险等级。

58、本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于数字孪生的检查井溢流点预报预警方法及系统，包括以下步骤：首先完善城市知识图谱构建城市感知模块；构建数字孪生城市；构建检查井预报模块；构建洪涝风险预警模块。本发明基于数字孪生平台，通过物联网网络和数据流处理框架，耦合城市水文水动力模型，对耦合模型参数动态定标，对检查井精细化模拟；全方面展示多时空尺度的城市发展状态洪涝淹没状况，跟踪反映城市排水系统的实际运行状态，动态评估风险等级和实时预警，提高城市应急管理响应效率，为城市防洪排涝的工作顺利开展提供支撑。