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基于数字孪生与万物互联对城市洪涝的应急规划

申报人：牛可曼 申报日期：2024-05-30

基本情况

2024年批次
基于数字孪生与万物互联对城市洪涝的应急规划 学生申报
创新训练项目
工学
测绘类
学生自主选题
二年期
本项目基于数字孪生与万物互联通过构建模型，达到实时收集气象、水文、地质等关键数据。构建淹没模型，基于历史数据和实时数据演算洪水发生的可能性、时间、地点和严重程度来提供及时的洪水预警，并通过短信、应用推送等方式通知公众和相关机构。对不同地区进行洪水风险评估，提供模拟和可视化工具，展示洪水演进过程和潜在影响并绘制风险地图。 在此之后， 通过调用云计算数据库，以集成的数据（各区域降水量，水位，积水量等）为基础在虚拟城市上各区域实时演示淹没状况，在淹没地区路段标注，并且调用通过监控，群众手机互联网，和各类传感器的实时获取的危险区域信息（变压器、发电机、地下水井盖）在虚拟城市上进行实时标注。利用城市路网、道路车速和淹没深度数据，以医院、消防和公安站点所在位置为起始点，将淹没深度模拟结果的危险区域和前城市路网进行叠置分析，监测动态路网，得到暴雨洪涝情景下的可通行路段。便于分配医院，消防，公安出援并进行人员疏散。洪水发生后，也通过各区域数据分析，为部门对排水设施的整改提供合理建议。进而达到对城市洪涝的的高效智慧治理 。
无

（1）2024，基于深度学习和特征提取的高分辨率遥感图像地物变化检测方法研究，广西空间信息与测绘重点实验室主任基金，21-238-21-24，2024.04-2025.12，4万元，主持

（2）2023，面向遥感影像地物变化检测的卷积神经网络方法的研究，广西高校中青年教师科研基础能力提升项目，2024KY0281，2024.01-2025.12，2万元，主持

（3）2020，大比例尺正射影像镶嵌线网络的智能选取方法，广西博士研究生创新项目，YCBZ2021061，2021.01-2022.12，3万元，主持

（1）理论支持：指导老师主要从事城市数字正射影像制作、城市三维建模、点云数据处理等领域具有丰富的研究经验，参与多项国家级项目，发表了超过10篇相关学术论文，其中1篇位于一区TOP期刊，并入选ESI高被引论文。此外，他还获得了5项国家发明专利授权。在深度学习技术应用、数字孪生和地物变化监测等方面积累了扎实的研究基础。因此，他能够为项目团队提供前沿性指导，关注项目研究的算法创新性和难点，并协助团队攻克关键问题，为本项目提供必要的理论支持。

（2）经费支持：指导老师拥有相关研究在研经费6万元，可提供本项目配套科研经费支持，保障项目的顺利进行。

（3）实验条件支持：本项目所在单位拥有“广西空间信息与测绘重点实验室”，具备高配置的服务器、影像数据等软硬件设施，能够支持项目的需求，保证项目的实验条件充足，有利于项目的成功实施。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
牛可曼 测绘地理信息学院 地理信息科学 2022 项目调研
覃誉慧 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2023 需求分析、总结
范笑怡 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2023 资料查找
郝思琦 测绘地理信息学院 测绘工程 2023 项目总体规划技术
黎世秋 测绘地理信息学院 遥感科学与技术 2023 主要技术人员

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
王庆阳 测绘地理信息学院 否

立项依据

       随着城市的快速发展，地面硬化逐渐严重，排水设施无法与城市建设同步升级，难以满足排涝需求。同时，自然条件的变化和地理条件的影响也加剧了城市内涝灾害的发生。近年来各地气候随着全球不断变暖，中国是最为典型的季风型气候国家，降雨的极端气候增加，小雨天气减少，但暴雨天气增加，极易引发洪涝灾害，对人民生命，财产都有极大的威胁。
       对此我们基于对城市洪涝问题的深刻理解和对数字化技术潜力的充分挖掘。通过创新的数字化解决方案，建立城市洪涝智慧治理平台，目的在于实现城市洪涝的高效智能化治理，全力保障城市的安全、可持续发展和居民的生活质量
       本项目基于数字孪生与万物互联通过构建模型，达到实时收集气象、水文、地质等关键数据。构建淹没模型，基于历史数据和实时数据演算洪水发生的可能性、时间、地点和严重程度来提供及时的洪水预警，并通过短信、应用推送等方式通知公众和相关机构。对不同地区进行洪水风险评估，提供模拟和可视化工具，展示洪水演进过程和潜在影响并绘制风险地图。
       通过调用云计算数据库，以集成的数据（各区域降水量，水位，积水量等）为基础在虚拟城市上各区域实时演示淹没状况，在淹没地区路段标注，并且调用通过监控，群众手机互联网，和各类传感器的实时获取的危险区域信息（变压器、发电机、地下水井盖）在虚拟城市上进行实时标注。利用城市路网、道路车速和淹没深度数据，以医院、消防和公安站点所在位置为起始点，将淹没深度模拟结果的危险区域和前城市路网进行叠置分析，监测动态路网，得到暴雨洪涝情景下的可通行路段。便于分配医院，消防，派出所出援并进行人员疏散。
       提供应急响应计划模板和流程指导，提高响应效率。协助调配防洪物资、设备和人力资源，确保在灾害发生时能够迅速响应。评估洪水灾害的影响，包括人员伤亡、经济损失等。在洪水发生前，通过软件平台向公众即时发送洪水预警，增加公众应变时间；洪水发生后，通过各区域数据分析，为部门对排水设施的整改提供合理建议。
       进行定制化分析，提供交互式学习材料，帮助公众了解洪涝预警系统和使用方法。根据不同地区的洪水特性和数据情况，定制特定的预警和预测模型。
       目前，国内外学者在洪涝灾害相关预测的研究领域主要采用了三种方法。第一种方法是基于灾害的形成机理进行建模，该方法通过分析灾害发生的物理过程、影响因素及其相互作用，对灾害的影响范围和风险进行预判。例如，Dawson等人利用智能体建模方法对溃坝型洪涝灾害的人口风险进行了预测；李文波等人则从暴雨洪涝灾害的全过程出发，对人口风险进行了动态评估，为转移安置人口提供了决策支持；杨帅等人则深入分析了暴雨洪涝灾害的发生机制，探讨了灾害危险度与灾损率之间的关系，实现了对灾害损失的快速评估。
       第二种方法是基于案例推理法，这种方法通过收集历史灾情数据并建立案例库，然后检索与当前灾害具有相似特征的历史案例作为参考，以辅助制定应急措施。例如，Ghasemian等人运用基于案例推理的应急资源需求预测方法，实现了对地震发生后关键物资需求的预测；汪贻生等人则采用案例推理的方法构建了应急物资动态需求预测模型；王兰英等人结合直觉模糊集与案例推理，提出了基于直觉模糊案例推理的突发事件应急物资需求预测模型；刘贾贾等人利用熵权法及加权欧式距离的案例推理模型，通过相似案例推导出应急物资的需求量。
       第三种方法是基于灾情数据的建模，这种方法通过深入探究灾情数据之间的关系，来预测应急物资的需求量。例如，Mohammadi等人利用混合进化算法预测了2012年伊朗东阿塞拜疆地震后的应急物资需求；温与同等人则利用灰色理论挖掘数据的内在规律，对灾害发生时的物资需求进行了预测；陈方超等人考虑了时间因素对特征因素的影响，结合熵值法和灰色关联度算法构建了应急救援物资需求预测模型，以解决灾区应急物资需求问题；曾波等人则应用了灰色系统建模方法，构建了灰色异构数据预测模型，并将其应用于地震帐篷需求量的预测。
       综上所述尽管目前灾害风险预测的研究已取得显著进展，但对于灾害情况下需要的救援分析及救援调配研究尚显不足。救援路网路况的准确监测是制定有效避难和救援计划的基础，它直接影响到救援人员调配、位置选择以及应急物资调配的决策。因此，本文提出了一种组合预测分析方法，旨在科学精准地应对城市洪涝灾害。该方法通过选取能表征灾害情况的10项指标，运用淹没模型以及动态路网监测数据作为输入变量。然后，结合回归预测模型和SWMM模型的结果，使用最优权值组合预测法进行综合修正。研究成果将为制定救援逃生计划提供有力参考。
1.洪涝精确模拟与预警：
       基于调用云数据库，我们通过数字孪生，水动力模拟以及人工智能结合对城市洪涝气象实时模拟，并在人工智能基于历史数据和实时数据下进行快速预测和预警，提前判断可能出现内涝的区域和程度并预测洪涝后续演化趋势并及时预警。

2.路网重叠分析与救援调配：
       通过互联网大数据提供实时的灾害情况数据，帮助应急人员更好地理解灾情，指导救援行动和资源调配。通过模拟灾害场景，人工智能通过众多历史数据分析预测灾区内的人员伤亡情况、交通状况等，从而组织救援队伍和资源调配。之后我们基于淹没数据下利用城市路网、道路车速和淹没路段，以医院、消防和公安站点所在位置为起始点，将淹没深度模拟结果的危险区域和前城市路网进行叠置分析，得到暴雨洪涝情景下的可通行路段。计算最佳路线，便于分配医院，消防，派出所协同出援并进行人员疏散，提高救援效率。

3.城市洪涝数据的智慧存取：
       我们利用Apache Mesos 作为城市洪涝数据底座的分布式系统内核，用于在数据中心或云计算环境中高效地运行和管理大规模应用程序。并提供资源隔离、调度和分配的功能。并运用sql数据分离与分布式数据库对所集成的数据进行垂直分离与水平分离将数据进行分类且范围存储，并在多个数据节点上部署数据副本，极大的提高了数据的安全性与灵活性。为数字模型的建立的提供强有力的数据底座。
技术路线：
  1.我们应用“人工智能”高效识别与计算能力对历史数据进行分析，精确计算不同暴雨下不同管道压力流的排水能力，进而优化水动力参数。对于其对模型仿真要求高这点我们运用“数字孪生”技术的模型构建，我们基于对全城市的上空，地上（楼房，街道，树木，等等等）以及地下水管道排布搭建全景三维虚拟仿真的数字化城市模型。在此基础上运用水动力模拟第二类模型：“ 简化管网排水”，根据设计排水能力将其从降雨中扣除超出蒸散发、土壤渗透和管道排水能力的部分其余则在地表低洼处形成积水。其基于DEM的栅格格网进行计算,包括LISFLOOD、FloodMap、元胞自动机模型,以及基于GIS数字地形分析的快速淹没模型等。进而实现暴雨内涝的近实时模拟与快速预报预警并提前判断可能出现内涝的区域和危害程度和预测后续化演进过程。

  2.通过调用云计算数据库，以集成的数据（各区域降水量，水位，积水量等）为基础在虚拟城市上各区域实时演示淹没状况，在淹没地区路段标注，并且调用通过监控，群众手机互联网，和各类传感器的实时获取的危险区域信息（变压器、发电机、地下水井盖）在虚拟城市上进行实时标注。利用城市路网、道路车速和淹没深度数据，以医院、消防和公安站点所在位置为起始点，将淹没深度模拟结果的危险区域和前城市路网进行叠置分析，监测动态路网，得到暴雨洪涝情景下的可通行路段。便于分配医院，消防，派出所出援并进行人员疏散。

  3.“万物互联技术”是指以感知技术和通信网络技术为主要手段，实现人，机，物的泛在连接，提供信息传输，信息处理等服务的基础设施。我们通过气象局以及广泛部署监控器，水位传感器，雨量传感器，流量传感器等将各区域水位，降雨量，车流量，人员滞留量，积水量等等数据实时监控并网络化，再者通过群众手机等互联网收集数据并将数据进行收集与集成放入数据库内。通过“Apache Mesos”在数据中心或云计算中心高效运行与管理调度所集成的数据，再利用“sql数据分离”的“垂直分离”将各类数据按（某区域：积水量，水位，危险区域（“电压箱处，下水道处，变压器处”）等）分离拆分成不同数据库与表，再通过水平分离将拆分成数据子集，之后再通过“分布式数据库”在多个数据节点上部署数据副本，提高数据的可用性和容错性，能够.减少单点数据故障对数据访问的影响，提高数据存取与提取计算效率。

  拟解决的问题：
我们发现如今在城市洪涝数字化治理上，数字化技术对建立城市模型的精度存在欠缺，水动力模型在暴雨下管道的水压力会改变，排水能力会改变，故应此，我们小组通过应用“人工智能”高效识别与计算能力对历史不同暴雨下各管道排水数据进行分析，精确计算不同管道压力流的排水能力，进而优化水动力参数。通过数字孪生技术建立天空，地上，地下一体的实景三维虚拟仿真模型，弥补模型精度的欠缺
在对数据的集成与整合方面，我们发现，数据的反馈不准确，不及时或者是不完整，不同方面的数据整合又存在着很大的困难。故应此我们充分结合互联网大数据，云计算，物联网，人工智能等技术对此问题进行改进及优化。
 
 预期结果：
1.数字孪生，水动力模拟，人工智能三者高效结合，高效优化城市虚拟模型以及水动力参数，实现对城市洪涝的精确模拟预测。
2.通过充分结合互联网大数据，云计算，物联网，人工智能等技术，数据得以实时精确集成，各方面数据高效整合，实现路网实时动态监测，智能分析最优路线。
第一阶段：平台系统调研与分析（3个月）
①　搜集各个城市洪涝数字化治理的研究文献；
②　对平台所需功能进行研究与分析；
③　对现有的城市洪涝系统进行评估与调研对比；
④　研究分析系统在各方面场景下的应用；
⑤　深挖系统所需的各种技术。

第二阶段：平台系统的功能设计与实现（4个月）
①　基于第一阶段下，制定平台系统实现的方案；
②　建立数据收集体系，收集城市数据以及实时洪涝数据；
③　设计城市洪涝系统平台的各个功能模块，包括降雨模拟，风险地图，救援路网，资源调配等等模块；
④　对系统功能进行模拟测试与优化改进；

第三阶段：系统测试与优化（3个月）
①　对平台系统功能进行集成和测试；
②　进行系统整体测试和评估，包括实时性、可靠性、稳定性、快捷性等等；
③　优化系统性能和完善系统；

第四阶段：项目总结和成果展示（2个月）
①　对整个项目进行评估与总结，包括数据收集、系统功能设定与实现等等；
②　编写项目成果报告与技术文档；
③　展示项目成果；
1.初步理解了各个数字化技术的机理及运用；

2.初步制定了城市洪涝智慧治理设计方案；

3.初步设定了系统的功能模块包括降雨模拟，风险地图，救援路网，资源调配等模块；

4.实验室提供硬件设施基础初步测试数据
（1）已具备的条件

本项目所在单位拥有“广西空间信息与测绘重点实验室”，具备高配置的服务器、影像数据等软硬件设施，能够支持项目的需求，保证项目的实验条件充足，有利于项目的成功实施。

（2）尚缺少的条件

  • 缺少实地城市数据与模型
  • 缺少技术支持
  • 缺少城市模型数据
（3）解决方法

计划与老师申请，查阅网上资料或通过政府，企业获取

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 9500.00 无 5000.00 4500.00
1. 业务费 6500.00 无 3500.00 3000.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 技术研究 1000.00 1000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 2000.00 项目研讨会议购买物品，项目考察差旅费 1000.00 1000.00
（4）文献检索费 1000.00 文献查找与下载 500.00 500.00
（5）论文出版费 1500.00 论文撰写与发表 1000.00 500.00
2. 仪器设备购置费 1000.00 购买仪器设备 500.00 500.00
3. 实验装置试制费 1000.00 购买实验装置 500.00 500.00
4. 材料费 1000.00 单片机等 500.00 500.00
结束

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