基于CIM的城市内涝灾害推演平台：实现“事件模拟-趋势推演-智能决策”三合一
近年来，伴随全球城市规模的急剧扩张，气候变化导致城市极端降水频率和强度的升高趋势显著，“大雨必涝”成为我国一些城市的通病，造成了严重的人民生命财产损失。据应急管理部今年1月8日通报消息，2020年，我国自然灾害直接经济损失3701.5亿元，主汛期南方地区遭遇1998年以来最重汛情，全国共出现33次大范围强降水过程，平均降水量689.2毫米，较常年偏多11.2%，为1961年以来第三多。因此，加强城市内涝治理刻不容缓。
党的十九届五中全会明确提出，增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市。习近平总书记指出，要把治理内涝作为保障城市安全发展的重要任务抓实抓好。2021年4月25日，国务院办公厅印发《关于加强城市内涝治理的实施意见》，对“十四五”时期加快治理城市内涝作了顶层设计和总体部署，其中在“加强智慧平台建设”中指出，建立完善城市综合管理信息平台，整合各部门防洪排涝管理相关信息，在排水设施关键节点、易涝积水点布设必要的智能化感知终端设备，满足日常管理、运行调度、灾情预判、预警预报、防汛调度、应急抢险等功能需要；有条件的城市，要与城市信息模型（CIM）基础平台深度融合，与国土空间基础信息平台充分衔接。
5月28日，广东省人民政府办公厅转发《国务院办公厅关于加强城市内涝治理实施意见的通知》（粤府办〔2021〕16号），提出“将城市内涝治理工作纳入政府工作绩效考核体系”。
当前，城市推演模型广泛应用于城市地质灾害、宏观经济、行业趋势、人口等领域，通过对城市发展过程中各种问题进行情景再现，推演城市未来发展态势，为城市管理决策提供技术支持，是新型智慧城市建设的重要支撑。
图1 城市内涝分析
国地科技城市内涝灾害风险推演平台作为城市推演模型的示范应用实践，能够提供内涝灾情的监测、预报、推演、分析、调度、恢复、防御、整治等多业务场景应用。依托深度融合水科学、高性能计算技术、三维引擎技术的城市信息模型（CIM）基础平台（以下简称“CIM基础平台”），综合运用人工智能、大数据、物联网、3S等新一代信息化技术，耦合元胞自动机模型和SWMM管网模型，对洪涝灾害重要信息进行挖掘、处理，再现还原内涝灾害情景，分析模拟灾情演变态势，更加高效、科学、合理地辅助城市管理决策。
国地科技在市场的多年探索实践中，整合自身技术优势和行业实际问题，逐步形成了集“事件模拟、趋势推演、智能决策”于一体的城市内涝灾害风险推演平台（以下简称“内涝推演平台”）。
事件模拟——提供数字孪生CIM底座，集成城市内涝灾害推演过程所需的要素和变量，如地形地势、建筑高程、天气系统、土壤植被、管道分布、经济和人口等，由于内涝推演平台数据运算的复杂性和全面性，对CIM基础平台提出了更高的数据集成标准。
趋势推演——区别于传统的预警监测模式，内涝推演平台通过紧密结合推演要素进行基于数学模型的演算（即WCA2D耦合SWMM模型），由于数据量庞大且时空离散，往往需要结合高性能计算中的并行计算和分布式计算，根据推演模型和高性能计算平台得出相应的物理受灾范围。
智能决策——结合物理受灾范围和人口、行业、经济等社会数据自动计算出城市每一寸微小网格对应的内涝灾害推演情况和风险等级，为决策者在分配灾害应对的人力、设备等资源要素时提供科学的辅助依据。同时，内涝推演平台支持 “设计-验证-反馈-再设计”灾害整治闭环，通过反复推导验证不同内涝灾害整治方案的预期效果，辅助城市决策者以最小的经济成本与环境成本作出更为科学、合理的决策，提升城市内涝治理水平。
WCA2D模型
WCA2D (Weighted Cellular Automata 2D Inundation Model) 模型是由 Guidolin 等开发，与传统二维水动力模型不同，该模型是一种基于权重转换规则的元胞自动机模型。尽管没有考虑惯性项和动量守恒，但其具备模拟二维水动力过程的能力，且模拟效率较高。模型能够用来处理多种网格 (例如矩形网格、六边形网格或三角形网格)以及不同的元胞邻域类型 (例如四元胞的冯·诺依曼邻域或八元胞的摩尔邻域)。
WCA2D模拟地表水流的主要计算过程包括：① 相邻元胞水流交换的权重计算；② 元胞间交互水量计算；③ 水深计算；④ 流速计算。
图2 WCA2D模拟地表水流的主要计算过程
SWMM 模型
SWMM开发于1971 年，现在已经升级到了SWMM5.1 版本。SWMM系列拥有编辑区域数据的功能，而且能模拟水文、水力和水质。其核心部分是管道汇流计算模块，提供了恒定流法、运动波法和动力波法三种水动力学方法。其中动力波法通过求解完整的圣维南方程组进行计算，能够处理蓄变、回水、进出口损失、逆流以及有压流。由于 SWMM 模型对城市管网一维水动力模拟的适用性，并且软件开源，在城市暴雨雨水管理领域已得到广泛应用。
WCA2D 与 SWMM 模型耦合
构建 SWMM 模型模拟降雨、地表产流、地面径流、管网汇流以及管网溢流过程。
驱动 WCA2D 模型计算引擎，模型通过读取配置文件并将模型参数、溢流过程、地形数据作为模拟条件，完成地表积水演进三维过程模拟。
城市内涝灾害推演的大部分运算过程都集中在动力学模型元胞自动机上，元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散的动力学模型，架构上可适用于并行计算。内涝推演平台同时应用两种高性能计算即基于GPU的并行计算和分布式计算。
内涝推演平台应用的元胞自动机为离散型数学模型，元胞分成有限种状态，对运算量要求巨大，GPU内部结构拥有更多运算单元，而CPU则有更多缓存，所以GPU适合非串行运算量大，数据相关性低的运算；由此发现并不是所有模型都适合用GPU，在国地科技其它实践中，发现如迭代型，迭代型推演模型数据相关性高，而CPU内部结构拥有更多缓存，往往跑到比GPU更快。
集成分布式计算的设计则需要结合推演所用的数学模型和业务场景，由于元胞自动机的元胞之间是相互作用的，但元胞之间相互作用的频率却不同，在城市上可以理解为区域（水域）内部与外部的耦合程度不一样，所以在城市内涝推演中，水域内部的所有水分子之间的相互作用非常频繁，采用GPU并行计算；水域之间采用分布式计算，同时处理区域边界耦合等问题。
城市推演对传统数据底座CIM基础平台提出了更高的数据集成标准，例如CIM基础平台里面的建筑模型BIM，传统CIM基础平台偏向规划与展示，呈现与城市场景的视觉交互影响，但在推演系统里面却是一个和城市地形融为一体的三维数据结构，要求所有数据之间快速融合与分离，例如涉及三维模型的自动建模、冗余面缩减优化等算法。同时需要融合三维引擎，充分原貌地展现地灾中的物理特性和各种三维大数据集成。
图3 数字孪生底座CIM基础平台
内涝汛情面前，时间就是生命。科学高效、系统全面的应急决策能够更为有效地维护人民群众生命财产安全，最大限度减少内涝灾害损失。作为一个决策支持平台，内涝推演平台的特色主要体现在资源要素分配和治理闭环两大方面的决策辅助。
灾害应对的重要决策通常体现在城市应急资源要素的调度和分配，迅速调度和准确应变能避免二次伤害和进行快速恢复，这需要城市决策者对城市灾害风险拥有全局精准的把控和通盘的考虑。
图4 融合CIM平台进行内涝分析
内涝推演平台的应急指挥调度功能模块结合了CIM基础平台，能够全局、立体、实时地呈现智能化终端设备、建筑结构、地形植被、监控视频、应急车辆、医疗中心、人口车流、泵站标尺、河道水位、物资库存等数据信息，辅助决策者合理制定防汛调度、应急抢险等相应决策。此外，可以通过平台的实时语音通信、任务调度、记录回看、库存管理等场景功能，提升应急指挥能力。
图5 城市社会灾害风险等级
内涝推演平台的内涝分析功能模块能够快速推演得出相应降雨量下的内涝区域、溢流节点、动态淹没过程，结合推演结果与人口、行业、经济等社会数据，快速生成社会灾害风险等级图，直观展示受灾各区域的社会影响程度和应急优先级别，为分配人力，设备等资源要素时提供科学的依据。
此外，内涝推演平台的预报功能模块通过结合实时天气模块能够进行日常推演和实时水位监测，对突破重大风险警示阈值情况，能够实现从指挥中心到领导终端的实时自动汇报；对于高风险区域，能够提前通过移动端进行应急发布，对危险区域内的路面汽车、商铺、底层住宅发出紧急避险提示，这极大程度提升了灾情避险的特异性和准确性，更提高了人群采取避险措施的依从性。
实施灾害预防与整治方案往往涉及高昂的经济成本与环境成本，内涝推演平台融合了整治和验证的手段，能够推演验证不同实施方案的整治效果，帮助决策者作出更慎重、更长远的治理决策。
图6 城市管网设计与推演
管网治理功能模块集成了“管网设计+方案推演”的独特模式，当形成了一个管网设计方案时，通过输入各种降雨量进行推演，能得出每一条管网在改变后，在相应降雨量下的溢流节点和内涝区域，为城市内涝中的重要因素管网整治提供“设计-验证-反馈-决策”的闭环，在不断的反复迭代过程中提升城市治理能力。该模式也广泛应用于宏观经济、各种地灾、行业社会等城市规划领域。
在廉江新型智慧城市的建设过程中，国地科技将CIM基础平台作为数据与服务融合层的公共平台之一，实现城市从规划、建设到管理的全过程、全要素、全方位的数字化、智能化。
其中，在廉江智慧水务管理平台建设过程中，通过透彻感知影响道路积水通行安全的各种关键技术指标，包括重点区域的空中降雨量、地面产流、排水管网汇流等实时数据，结合GIS数据和DEM数据以及城市内部管网分布信息，记录历史数据和现有数据，通过内涝推演平台进行内涝模拟、淹没分析等，分析未来走势，建立防涝预警调度数字化、智慧化运营管理模式。
图7 廉江智慧水务管理平台的洪水预警淹没分析
近年来，伴随我国城市内涝灾害频频发生，城市内涝汛情应急决策管理已引起了社会广泛关注。国地科技依托自身信息化实践经验，以CIM基础平台为支撑，构建集“事件模拟、趋势推演、智能决策”于一体的城市内涝灾害推演平台，模拟推演内涝灾情态势，能够有效辅助决策者科学制定内涝灾害应对方案，提高地方政府顶层决策的科学性。
接下来，国地科技将充分发挥自主可控技术研发核心优势，基于CIM基础平台，融合人工智能、大数据、物联网等信息技术，因地制宜打造多场景智慧应用，助力新型智慧城市建设。
特别鸣谢华南理工大学王兆礼、赖成光、吴旭树、曾照洋等水利大数据与智慧水务课题组成员对本平台的技术协助。
责任编辑：林冬娜、邓小云部门简介：
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