用户故事 | 华自科技：数字孪生让水库大坝安全监测从“数据报表”走向“三维可视”

五座水库、数十套监测设备、上百个监测点——如何让这些分散的“数据孤岛”在统一的可视化平台上“活”起来？

华自科技用CIMPro孪大师给出了答案。

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在水库大坝安全管理领域，安全监测数据的采集与上报早已不是难题。真正困扰管理者的，是如何从海量的位移、渗压、流量数据中，快速识别风险、直观掌握全局态势。

左为广宁水库图例，右为传统大坝二维图例

传统的二维报表和曲线图，难以让非专业人员一眼看懂大坝的“健康状况”。

而华自科技，通过引入CIMPro孪大师数字孪生平台，将广宁县五座水库的安全监测系统，从“数据报表”升级为“三维可视、实时预警”的智能管控平台。除此之外，回龙水库，沙坪水利枢纽，大武口水厂也都有和CIMPro孪大师深度合作的身影。

广宁县小型水库群运管工程项目一张图

华自科技股份有限公司（300490.SZ）是智慧绿能装备及技术服务商，以多能物联技术为底座，融合能源数字化与人工智能技术，面向能源电力、锂电装备、水利水电及环保等领域，为客户提供关键软硬件产品与系统解决方案。

公司在电站及泵站自动化控制设备领域位居行业前列，是联合国工业发展组织国际小水电中心控制设备制造示范基地。

依托三十余年产品与项目交付经验，公司形成以装备研发制造为核心，涵盖方案设计、系统集成、工程实施与智能运维的综合能力，产品与服务已覆盖全球100余个国家和地区。

五座水库的安全监测升级

01

项目背景

广宁县毕陇、带坑、下黎、石坎冲、七星顶五座水库，承担着区域防洪、灌溉、供水的重要功能。然而，这些水库建成年代较早，原有的安全监测手段以人工巡检和简易仪器为主，存在数据采集不及时、监测点覆盖不全、异常预警滞后等问题。

广宁县水库分布图

2023年，华自科技承接了这五座水库的大坝安全监测设备安装与系统集成项目。

项目需要为每座水库部署GNSS位移监测、渗压计、量水堰计等自动化监测设备，并搭建统一的监测数据管理平台，实现“数据自动采集、异常自动报警、状态一图统览”。

基于CIMPro孪大师开发的监测设备三维可视

传统做法的局限：如果只将数据接入二维图表平台，管理人员面对的是成百上千条曲线和数据表格，难以快速定位问题点。

而数字孪生技术，可以将监测数据与三维大坝模型实时关联——哪里的位移超限、哪里的渗压异常，一眼就能在三维场景中锁定。

——这正是华自科技选择CIMPro孪大师的出发点。

为何是CIMPRO孪大师？

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选型之路

在项目启动初期，华自科技的技术团队评估了多种可视化方案，从开源WebGIS到商业三维引擎，最终选定CIMPro孪大师。核心决策因素有三：

1

零代码降低门槛，让水利工程师也能参与

传统的三维可视化开发需要专业的引擎编程能力，而CIMPro孪大师提供了图形化的拖拽式编辑环境。

CIMPro孪大师开发平台内模型导入后可自由拖拽进三维场景中编辑

华自科技的工程师无需编写代码，即可导入水库地形模型、布设监测点位、配置数据绑定。这使得项目开发效率提升60%以上。

2

多源数据融合，打通监测设备与三维场景

五座水库部署了GNSS接收机、渗压计、量水堰计、数据采集器等多类设备，数据协议各异。

CIMPro孪大师开发平台内图标图表自定义、动态请求对接实时数据

CIMPro孪大师内置的PiAdmin数据后台支持MQTT、Modbus、HTTP API等多种协议，可无缝接入各类传感器的实时数据，并通过“孪生体编辑器”将数据字段与三维模型的位移、颜色、告警灯等属性动态绑定。

3

国产化与安全可控

作为水利基础设施项目，数据安全和自主可控是硬性要求。CIMPro孪大师从底层图形引擎到上层应用全栈自主研发，支持私有化部署，满足水利行业对信息安全的严格标准。

从设备安装到孪生平台上线

03

项目实施

1

监测设备部署

华自科技团队为每座水库安装了完整的监测系统，以毕陇水库为例：

其他四座水库也按类似配置部署（部分水库仅部署位移监测）。所有设备均完成安装调试，上线率达到100%。

2

数字孪生平台构建

在CIMPro孪大师中，华自科技的工程师完成了以下工作：

地形与模型导入：基于水库的GIS数据和无人机航拍影像，快速构建五座水库的三维地形场景，并导入大坝、溢洪道、监测墩等设施模型。

毕陇水库数字孪生系统全景示例

监测点位布设：将GNSS测点、渗压孔、量水堰等设备模型，精准放置在三维场景中的对应位置。

毕陇水库数字孪生系统中位移计监测示例

数据对接与绑定：在PiAdmin后台配置各传感器的数据源（如位移数据、渗压水位），通过孪生体编辑器将数据字段与模型的“位移量”、“颜色告警”等属性关联。

毕陇水库数字孪生系统中洪水演进示例

洪水演进推演：结合未来几天的降雨预报，推演水库是否需要主动开闸预泄，以及预泄的时机和流量。

毕陇水库数字孪生系统中结合水动力模型的示例

水动力模型：构建水库库区的水面网格模型，实时展示水位变化和波动。

CIMPro孪大师开发平台内警告弹窗交互示例

预警规则配置：设置位移超限、渗压超阈值等报警条件，当实时数据触发阈值时，对应监测点模型自动高亮并弹出告警信息。

3

平台功能展示

上线后的监测平台，实现了以下核心功能：

一图统览：在三维场景中同时呈现五座水库的宏观布局，点击任一水库可下钻至单体大坝的详细监测界面。

基于CIMPro孪大师开发的视角下钻示例

实时数据驱动：GNSS位移数据实时驱动坝体模型的动态偏移（通过放大效果呈现），渗压数据以颜色渐变方式显示在渗压孔模型上。

基于CIMPro孪大师开发的坝体监测示例

历史数据回溯：支持按时间轴查看各监测点的历史曲线，辅助趋势分析。

从“看得见”到“控得住”

04

项目成果

1

管理效率大幅提升

过去，水库管理人员需要定期到现场抄录数据，再回办公室整理报表，发现问题往往滞后数天。

毕陇水库数字孪生系统三维告警示例

现在，通过数字孪生平台，所有监测数据实时更新，异常情况三维告警，响应时间从“天级”缩短至“分钟级”。

2

数据可视化决策

五座水库的GNSS位移、渗压、渗流等数据，在三维场景中一目了然。

广宁县水库管理一张图示例

管理人员可以直观对比各水库的安全态势，优先处置高风险区域。

3

验收一次性通过

2023年9月，项目顺利通过验收，所有监测设备数据上线率达100%，平台稳定运行至今，获得业主单位高度评价。

可复用的技术沉淀

通过本次项目，华自科技在水利数字孪生领域积累了宝贵的实践经验。

CIMPro孪大师平台也沉淀了一套“水库大坝安全监测数字孪生模板”，包含标准化的三维场景、监测点位配置、数据绑定规则和预警逻辑。

https://www.picimos.com/sceneItem/419

这套模板可快速复用于后续同类项目，将交付周期缩短50%以上。

华自科技的技术负责人表示：

“CIMPro孪大师不仅降低了数字孪生的开发门槛，更重要的是它提供了从数据接入到场景构建再到预警联动的完整工具链。我们不再需要为了一个可视化效果去写大量底层代码，而是可以专注于水利业务本身。”

水库安全事关下游万千民众的生命财产安全。数字孪生技术让大坝安全监测从“被动响应”走向“主动预警”，从“数据堆砌”走向“智能可视”。

华自科技与CIMPro孪大师的这次合作，验证了一条低成本、高效率的水利数字孪生建设路径。

华自科技水利解决方案矩阵图

未来，华自科技计划将这一模式推广至更多中小型水库，并进一步集成洪水预报、泄洪调度等高级功能，让数字孪生真正成为智慧水利的“核心引擎”。

CIMPro孪大师

水利开发领域的8个关键功能

一

矢量场 - 动态模拟水流方向与流速

用于表示水利环境中某一区域内水流的速度和方向，是分析河道水流分布、污染物扩散、泥沙输移的基础。

粒子追踪算法：

平台整合遥感影像与水文传感器数据，结合水动力模型，利用粒子追踪算法生成可视化流线，动态展示河流演进、污染物扩散等场景。这本质上是通过矢量场驱动粒子运动。

二维水动力模型输出：

内置的二维水动力模型可基于河道断面数据（坐标、河宽、水深）构建求解体系，其计算结果（流速分布、流向）可直接转化为矢量场可视化。

二

风场 - 模拟气象驱动的水面效应

在水利中主要影响水面波浪、蒸发、以及水体表面漂流物的运动。

环境系统集成：

CIMPro内置超写实天气系统，可模拟包括风在内的多种天气状况。平台支持通过时间、日期、经纬度等参数逼真模拟环境变化，包含风对水面波浪、植被摇曳的影响。

粒子特效联动：

风场可以通过粒子系统的风向、风力参数进行调节，直接驱动烟雾、水面波纹、尾焰等特效的飘散方向。

三

地下水网格 - 构建地下三维水文结构

用于表示地下水位、含水层分布、渗流场等参数，是评估大坝稳定性、库岸滑坡风险、以及区域水资源量的关键依据。

地形挖洞与透视：

平台支持地形压平及挖洞功能，可以根据项目需求模拟地下空间或特殊地形结构，结合虚化地表层展示大坝地基、管网等隐蔽工程结构，为地下水网格的可视化提供了空间基础。

多维数据融合：

CIMPro支持接入整合多维水文要素监测数据（包括但不限于水深、水位、流速等），通过三维空间插值，可构建地下水位网格的立体视图；此外还可通过间接方式来处理GMS等地下水模拟系统的数据（.dat格式），并将其应用于数字孪生场景。

四

GeoJson - 地理数据支持

一种基于JSON的轻量级地理空间数据交换格式，常用于描述点、线、面等矢量要素及其属性，是水利管理中进行流域划分、水质断面标注、工程设施标注的标准格式。

原生导入与融合：

CIMPro明确支持导入GeoJson格式文件。用户可以将河段线、流域边界、监测站位置、行政区划等GeoJson数据直接导入平台，与三维场景精准叠加。

属性绑定与交互：

导入后，GeoJson的图层支持SHP轮廓数据和图层的属性查看，可以与其属性信息（如断面编号、站名）关联，实现点击查询。

五

CustomJson - 自定义数据格式

水利系统中常有非标准化的业务数据或前端配置，CustomJson支持以JSON格式导入用户自定义数据结构，满足复杂的、定制化的数据交互需求。

灵活的数据接入：

CIMPRO孪大师明确支持CUSTOMJSON文件导入，这意味着开发者可以自由定义数据结构，导入如特定设备状态数据、自定义的模拟边界条件、或第三方系统的非标准输出。

数据驱动模型：

通过孪生体编辑器，CustomJson中的字段可以直接绑定到三维模型的属性（如颜色、大小、位置），实现数据驱动的动态变化。

六

水网格 - 构建水体物理仿真底座

指对水体（如河流、湖泊、洪水）表面或内部进行三维离散化（通常为曲面网格或体网格），是进行水动力学计算和可视化渲染的基础。

水体仿真组件：

CIMPro支持水体仿真组件，模拟真实的水体效果如波纹、流动、水位变化，还可结合降雨、水文水动力学分析模型，推演全过程，真实刻画洪水演进和淹没分析过程。

七

洪水推演 - 预测洪峰达到与演进路径

基于水文模型和气象预测数据，动态模拟洪水从上游到下游的演进过程，预测洪峰到达时间、淹没范围和水位变化。

“降水-产流-汇流-演进”全过程推演：

CIMPro结合降雨、水文水动力学分析模型，支持全过程推演复现。

模拟未来24小时降雨：

平台可结合气象预报数据，模拟未来24小时降雨对河流水位的影响，预测洪峰到达时间及淹没范围。

与数据融合联动：

平台实时接入水文监测站数据（水位、流量），并动态校准模型参数，实现推演与实测的闭环验证。

八

淹没分析 - 量化灾害影响范围

通过设定不同的水位高度或洪水流量，结合地形数据（DEM），计算出洪水淹没的空间范围和深度，用于灾害评估和应急决策。

基于DEM与水深模型的计算：

CIMPro根据水深、DEM、UV等多维参数生成二维水动力数值模型，建立具有物理守恒特性的二维浅水方程，支持洪水演进模拟。

动态模拟与可视化呈现：

通过水体仿真组件设定洪水参数（如水位和流速），平台可应用淹没分析工具，模拟洪水对区域的影响。

热力图与真水材质渲染：

分析结果支持热力图模式和多种水材质模式，可真实刻画溃坝波传播、河道漫滩等扩散蔓延效果。