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數(shù)字孿生流域智慧防洪體系建設(shè) | 四信水動(dòng)力模型助力四預(yù)數(shù)字化應(yīng)用


  二維水動(dòng)力模型是一種利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的洪水預(yù)報(bào)方法。該模型可模擬水域數(shù)據(jù),如河道、湖泊的水位、流量,并預(yù)測(cè)洪水發(fā)生時(shí)間、規(guī)模、影響范圍等信息,為應(yīng)急管理部門和居民提供預(yù)警和決策依據(jù)。
 
  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的進(jìn)步,該模型已廣泛應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)、水利工程設(shè)計(jì)、海岸防護(hù)等領(lǐng)域,成為最常用的數(shù)學(xué)模型之一,可為這些領(lǐng)域提供重要的技術(shù)支持,減輕洪災(zāi)影響,保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。
 
  一、二維水動(dòng)力模型
 
  四信二維水動(dòng)力模型是一款高效的水動(dòng)力模擬工具,使用有限體積法來(lái)求解圣維南方程組,采用非結(jié)構(gòu)三角形單元作為計(jì)算網(wǎng)格,可對(duì)任意地形和邊界區(qū)域進(jìn)行水動(dòng)力模擬,并考慮工程結(jié)構(gòu)物的影響。
 
  模型支持恒定流和非恒定流的處理,提供多種邊界類型設(shè)置,可自行設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、模擬時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)。通過(guò)實(shí)時(shí)查看水位、流速、水深等結(jié)果并進(jìn)行結(jié)果渲染,可以直觀地了解模擬情況,提供多種圖表查看方式,并支持冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。
 
  同時(shí),河道雨水情數(shù)據(jù)作為水動(dòng)力模型的重要輸入與驅(qū)動(dòng),由水利物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備負(fù)責(zé)采集,通過(guò)多網(wǎng)融合技術(shù)將流域雨量、水位,流量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字孿生平臺(tái),為二維水動(dòng)力模型提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的架構(gòu)圖
  01處理流程
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的處理流程
  二維水動(dòng)力模型由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、導(dǎo)向文件處理、模型計(jì)算、結(jié)果發(fā)布四個(gè)過(guò)程組成。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理包含對(duì)DEM地面高程數(shù)據(jù)、水文預(yù)報(bào)流量數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系曲線等數(shù)據(jù)的處理,然后基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù),生成幾何文件、邊界條件文件,在導(dǎo)向文件中設(shè)置模擬參數(shù),之后提交模型模擬計(jì)算,最后結(jié)果可以通過(guò)可視化界面進(jìn)行查看,包含圖表、動(dòng)態(tài)模擬等多種查看方式。
 
  02輸入輸出
 
  ①模型輸入文件的制作
 
  幾何文件的制作:在模型模擬計(jì)算前,先對(duì)河道按照河岸線進(jìn)行網(wǎng)格劃分(小網(wǎng)格),再將河道網(wǎng)格作為子網(wǎng)格嵌入到模型區(qū)域,對(duì)模型區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分(大網(wǎng)格)。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的幾何文件的制作
  邊界條件文件的制作:根據(jù)地面高程點(diǎn)值,對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行插值,可進(jìn)行河道斷面地形查看、摩擦系數(shù)設(shè)置、邊界條件的設(shè)置,其中邊界條件可以設(shè)置給定流量、給定水位、給定流量和水位、給定流速等多種邊界格式。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的邊界條件文件的制作
  模型查看:制作好的模型網(wǎng)格,既支持在2D視圖下查看整體的高程變化,也可以在3D視圖下查看。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的模型查看
  ②導(dǎo)向文件的配置
 
  在Accuwater-HDM tools中對(duì)導(dǎo)向文件中模型模擬參數(shù)、初始條件參數(shù)、邊界條件參數(shù)、數(shù)學(xué)參數(shù)等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行配置,然后提交模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算后的結(jié)果可在Web可視化界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的導(dǎo)向文件的配置
 ?、勰P徒Y(jié)果的查看
 
  模擬后的結(jié)果支持多種文件格式、多種查看方式,不僅可以輸出為文本文件分要素解析,也可以生成圖表查看堤防設(shè)計(jì)前后地形對(duì)比、網(wǎng)格點(diǎn)流量、水深、水位等多個(gè)參數(shù)的變化過(guò)程。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的模型結(jié)果查看
  同樣地,可以在模型后處理界面直觀動(dòng)態(tài)展示區(qū)域淹沒(méi)過(guò)程、淹沒(méi)范圍、流場(chǎng)變化等。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的結(jié)果查看
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  基于二維水動(dòng)力模型的求解結(jié)果,在Web界面進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、淹沒(méi)分析、洪水演進(jìn)、分屏對(duì)比等成果分析與展示,可以做到直觀有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,使有關(guān)部門提前做好應(yīng)急預(yù)案,減少洪澇造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的可視化成果展示
  二、模型特點(diǎn)
 
  01強(qiáng)大的模擬能力
 
  本模型是一個(gè)高效的計(jì)算工具,在計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性上都有著非常優(yōu)秀的表現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試,普通配置的電腦模擬100萬(wàn)個(gè)三角形網(wǎng)格的仿真場(chǎng)景,12小時(shí)的洪水過(guò)程,可以在短短的30分鐘內(nèi)完成。
 
  02準(zhǔn)確性高,穩(wěn)定性強(qiáng)
 
  本模型采用三角形網(wǎng)格作為計(jì)算單元,具有復(fù)雜邊界擬合能力強(qiáng)、網(wǎng)格生成和局部加密更加便捷的特點(diǎn)。此外,有限體積法可以很好地控制計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,在處理復(fù)雜流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出色。
 
  03優(yōu)秀的并行計(jì)算能力
 
  使用并行計(jì)算技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)可以提高算力和存儲(chǔ)能力,同時(shí)采用先進(jìn)技術(shù)和算法來(lái)優(yōu)化計(jì)算和存儲(chǔ)效果。
 
  04可拓展性強(qiáng)
 
  模型可以更深入地研究水質(zhì)模擬并耦合波浪傳播、水質(zhì)污染和泥沙遷移模塊,為環(huán)境保護(hù)、水利工程等領(lǐng)域提供更加精確和有效的解決方案。
 
  三、模型工具
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的模型工具圖1
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的模型工具圖2
  結(jié)合自主研發(fā)的模型數(shù)據(jù)前處理、模型計(jì)算及成果可視化輸出模型工具軟件,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)維護(hù)以及數(shù)據(jù)展示能力,通過(guò)工具軟件提供的一體化數(shù)據(jù)處理能力及可視化呈現(xiàn)能力可為模型使用者提供數(shù)據(jù)前處理、模型數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理以及通過(guò)可視化交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的模型計(jì)算結(jié)果動(dòng)態(tài)可視化呈現(xiàn)。
 
  四、應(yīng)用場(chǎng)景
 
  本模型可以廣泛應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、調(diào)度預(yù)案、水資源配置等方面,還可以結(jié)合其他模型(如經(jīng)濟(jì)模型、生態(tài)模型等)進(jìn)行耦合分析,評(píng)估不同情景下的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,并進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,尋求最佳的權(quán)衡方案。
 
  五、部署方式
 
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  模型產(chǎn)品部署在云端服務(wù)器,用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)形式向云端服務(wù)器發(fā)出模型計(jì)算結(jié)果查看請(qǐng)求,云端收到請(qǐng)求后處理并返回結(jié)果。
 
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  模型產(chǎn)品部署在用戶提供的服務(wù)器中,技術(shù)人員根據(jù)部署文檔配合用戶完成部署和調(diào)試工作,用戶通過(guò)局域網(wǎng)訪問(wèn)形式實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算結(jié)果的請(qǐng)求及查看。
 
  六、配套產(chǎn)品應(yīng)用
 
  遙測(cè)終端F9164-100
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的遙測(cè)終端F9164-100的產(chǎn)品應(yīng)用
  ●接口豐富
  觸摸控制
  品質(zhì)穩(wěn)定
  便捷運(yùn)維
  擴(kuò)展性強(qiáng)
  工況分析
 
  閘門遙測(cè)終端機(jī)F9164-ZC100
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的閘門遙測(cè)終端機(jī)F9164-ZC100的產(chǎn)品應(yīng)用
  定量控制
  現(xiàn)地控制
  視頻同步
  啟停保護(hù)
  遠(yuǎn)程啟??刂?/span>
 
  四信北斗通信終端系列F9164-BD300/F9164-BD305
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的四信北斗通信終端系列F9164-BD300/F9164-BD305的產(chǎn)品應(yīng)用
  RNSS定位
  遠(yuǎn)程控制
  藍(lán)牙通信
  RDSS通信
  具備RTU功能
  固定桿抱箍安裝
  4G公網(wǎng)通信
  IP68防護(hù)等級(jí)
 
  F-YL100翻斗式雨量傳感器
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的F-YL100翻斗式雨量傳感器的產(chǎn)品應(yīng)用
  分辨率0.5mm
  承水口徑Φ200+0.6mm外刃口角度45°
  測(cè)量降水強(qiáng)度≤4mm/min,在8mm/min可以工作
  輸出接口輸出信號(hào)為單千式舌簧管通斷,可定制雙于式舌簧管通斷
  誤差±2%(室內(nèi)靜態(tài)測(cè)試,雨強(qiáng)為0.4mm/min、2.0mm/min)
 
  F-LD100雷達(dá)一體式位計(jì)
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的F-LD100雷達(dá)一體式位計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用
  廣泛適用于現(xiàn)有水利水文項(xiàng)目的水雨情監(jiān)測(cè),水位監(jiān)測(cè)、水位流量監(jiān)測(cè)站等
  接口豐富,標(biāo)準(zhǔn)易用
  一體化設(shè)計(jì)
  遠(yuǎn)程管理功能
  藍(lán)牙APP和串口配置
  工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)
  待機(jī)功耗低于1mA
 
  F-LL100-24G雷達(dá)流量計(jì)
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的F-LL100-24G雷達(dá)流量計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用
  集雷達(dá)流量計(jì)與RTU為一體
  藍(lán)牙APP和串口配置
  支持自動(dòng)識(shí)別水流方向
  流速量程:0.1-15m/s
  水位量程:0-30m
  測(cè)量精度±2mm
 
  超聲波多普勒流速流量?jī)xF-CL100-D
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的超聲波多普勒流速流量?jī)xF-CL100-D的產(chǎn)品應(yīng)用
  測(cè)量精度高,量程寬
  感應(yīng)靈敏,分辨率高
  響應(yīng)速度快
  測(cè)流線性
  無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件
  實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流速和平均流速
 
  七、應(yīng)用案例
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的應(yīng)用項(xiàng)目之智慧水利數(shù)字孿生流域綜合管理平臺(tái)
  智慧水利數(shù)字孿生流域綜合管理平臺(tái)
 
  選取撫河洪門水庫(kù)上下游20公里為試點(diǎn)河段,模擬范圍以河道中心線為準(zhǔn)兩側(cè)各外擴(kuò)1000m,采用高精度DEM地形數(shù)據(jù)。河道按照河岸線進(jìn)行小網(wǎng)格(高精度)網(wǎng)格剖分,河道兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行大網(wǎng)格(低精度)剖分。基于二維水動(dòng)力模型提供的混合MPI/OpenMP并行編程洪水模擬高性能計(jì)算能力,基于8核CPU環(huán)境配置下,模擬15萬(wàn)個(gè)三角網(wǎng)格24小時(shí)的洪水過(guò)程,可在3分鐘內(nèi)完成推演結(jié)果的輸出。
四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型的應(yīng)用項(xiàng)目之通州城市雨洪水動(dòng)力模型系統(tǒng)
  通州城市雨洪水動(dòng)力模型系統(tǒng)
 
  選取通州北運(yùn)河上游5公里為試點(diǎn)河段,模擬范圍以河道中心線為準(zhǔn)兩側(cè)各外擴(kuò)500m,采用高精度DEM地形數(shù)據(jù)。河道按照河岸線進(jìn)行小網(wǎng)格(高精度)網(wǎng)格剖分,河道兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行大網(wǎng)格(低精度)剖分?;诙S水動(dòng)力模型提供的混合MPI/OpenMP并行編程洪水模擬高性能計(jì)算能力,基于16核CPU環(huán)境配置下,模擬8萬(wàn)個(gè)三角網(wǎng)格24小時(shí)的洪水過(guò)程,可在30秒內(nèi)完成推演結(jié)果的輸出。
關(guān)鍵詞: 數(shù)字孿生 四信數(shù)字孿生二維水動(dòng)力模型

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