【ZiDongHua 之“推好新品榜”收錄關鍵詞：智能軟硬件 無人機 機器學習 傳感器 】
　　
　　田富強教授團隊丨洪水預報智能軟硬件一體化產品
　　
　　洪水預報智能
　　
　　軟硬件一體化產品
　　
　　Flood Intelligent Forecasting
　　
　　Integrated Hardware and Software Product
　　
　　清華大學田富強教授團隊
　　
　　引言
　　
　　針對城市和山區(qū)洪水精準預報預警需求，聚焦破解當前洪水預報系統(tǒng)構建數(shù)據(jù)割裂和效率低下難題，創(chuàng)新性應用智能和無人科技賦能洪水預報，研發(fā)了精準洪水預報系統(tǒng)智能構建軟硬件一體化產品，產品在北京和福建得到了業(yè)務化應用。在25年4月第二十屆水利先進技術推介會上，該產品被水利部科技推廣中心列入“天空地水工”技術推廣清單。
 
　　
　　洪水預報智能軟硬件一體化產品一覽
　　
　　01
　　
　　流域地表監(jiān)測無人機
　　
　　Water Control Survey Drone
　　
　　水利測繪特化飛行無人機
　　
　　自主研發(fā)水利測繪特化飛行無人機，具備高升阻比，高機動性能，更加適合在復雜地形山區(qū)作業(yè)，實現(xiàn)洪水預報模型參數(shù)的快速監(jiān)測和解算，自主研發(fā)智能算法提取高精度地形、河網(wǎng)、地物單體模型、糙率、冠層截留等參數(shù)。
　　
　　◇ 測傳相結合，提升飛控安全性
　　
　　◇ 測模演相結合，實時校核數(shù)據(jù)精度，一次作業(yè)不返工
　　
　　◇ 設備全國產化，符合信創(chuàng)要求
　　
　　◇ 單日作業(yè)面積200km²
　　
　　◇ DEM分辨率30cm，誤差<2cm
　　
　　◇ 閘壩橋涵和建筑等LOD2級模型
　　
　　02
　　
　　暴雨監(jiān)測和短臨預報
　　
　　Radar QPE & Nowcasting
　　
　　■
　　
　　暴雨雷達監(jiān)測
　　
　　多雷達組網(wǎng)拼圖和暴雨雷達監(jiān)測新方案：
　　
　　◇ 充分利用反射率信息優(yōu)化組網(wǎng)拼圖技術，提升對流降水系統(tǒng)強度和落區(qū)的識別精度
　　
　　◇ 在降雨反演中引入云團垂直結構的綜合分析，顯著改善極值降雨量的反演表現(xiàn)
　　
　　◇ 結合天氣學原理和物理約束條件，強化短臨預報模型的物理一致性和科學性，從而顯著提高預報的準確性
　　
　　◇ 提供30-500米分辨率，更新頻率5分鐘以內的QPE產品
　　
　　23·7北京市特大暴雨雷達反演
　　
　　■
　　
　　短臨預報
　　
　　降雨短臨預報的深度時空表征增強模型：
　　
　　◇ 深度卷積神經網(wǎng)絡、生成對抗網(wǎng)絡和時空表征增強等技術構建
　　
　　◇ 多波段雷達組網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)訓練和推理
　　
　　◇ 相較數(shù)值模式、光流法和其他深度學習模型，該模型更能表征降雨空間變異性，從海量雷達數(shù)據(jù)中捕捉降雨系統(tǒng)的復雜非線性變化規(guī)律
　　
　　◇ 精準推演降雨系統(tǒng)的生長、發(fā)展、消亡過程，提供未來0–3小時的區(qū)域降雨強度和降雨量預報
　　
　　03
　　
　　洪水預報模型
　　
　　Flood model
　　
　　■
　　
　　水文模型
　　
　　◇ 代表性單元流域水文模型：基于主導產流機制時空變化規(guī)律定制本地化同位素水文模型
　　
　　◇ 快速建模：云端執(zhí)行河網(wǎng)提取、流域劃分、驅動數(shù)據(jù)制備等模型構建任務
　　
　　◇ 一鍵調參：根據(jù)用戶指定的數(shù)據(jù)源、時間范圍，用戶可自主或在云端率定參數(shù)
　　
　　■
　　
　　■
　　
　　■
　　
　　水動力模型
　　
　　◇ 采用全域二維水文水動力底層耦合，協(xié)同考慮外洪內澇演進
　　
　　◇ 采用非結構三角網(wǎng)格分級約束離散，高效兼容多尺度高程數(shù)據(jù)集，滿足流域-山溝-城市跨尺度系統(tǒng)一體化建模需要
　　
　　◇ 采用多GPU加速模型計算
　　
　　◇ 支持接入暴雨雷達監(jiān)測產品，提供基于熱啟動模式的洪澇滾動預報
　　
　　■
　　
 
　　洪澇全要素代理模擬軟件
　　
　　機器學習代理加速
　　
　　◇ 過程-數(shù)據(jù)融合驅動，實現(xiàn)與原物理性模型模擬要素嚴格對應的代理模擬
　　
　　◇ 長短時記憶單元學習水文產流過程，自動考慮前期土壤濕度的時序影響
　　
　　◇ 圖注意力單元學習水動力匯流過程，自動表示非結構化單元的空間關聯(lián)
　　
　　◇ 3小時降雨事件解算時間在0.03秒內
　　
　　04
　　
　　無線土壤水分傳感器網(wǎng)絡
　　
　　Wireless Sensor Network (WSN)
　　
　　設備管理和數(shù)據(jù)可視化APP
　　
　　← WSN節(jié)點傳感器
　　
　　◇ 低成本土壤水分傳感器及實時傳輸解決方案。節(jié)點傳感器國產化，性價比高，具備數(shù)據(jù)中繼功能，采樣周期10秒~1天
　　
　　◇ 一體化無線傳感器設計。集成通信、控制、電源和測量模塊，便于攜帶安裝?？蓽y量土壤剖面體積含水量、土壤溫度和土壤電導率等參數(shù)
　　
　　◇ 全自動實時數(shù)據(jù)處理流程。自主開發(fā)了完整的數(shù)據(jù)實時收集、實時整理、實時存儲、實時發(fā)布技術，極大降低了運行維護難度和成本
　　
　　05
　　
　　洪水智能預報車
　　
　　Flood Intelligent Forecasting Vehicle
　　
　　■
　　
　　智龍一號
　　
　　智龍一號洪水智能預報車
　　
　　智龍一號洪水智能預報車集成車載機場、水利測繪無人機、獵汛智瞳設備、洪水預報模型等，可實現(xiàn)百平方公里數(shù)字孿生流域的日尺度快速構建、亞米級分辨率山洪和城市內澇過程的分鐘級快速預報和實景三維展示。
　　
　　■
　　
　　獵汛智瞳
　　
　　城市環(huán)境洪澇模型要素感知設備
　　
　　依托車載移動平臺與多模態(tài)傳感器，配合基于風險感知的地理智能體推理，前瞻指引規(guī)劃最優(yōu)監(jiān)測路線，高效解譯雨篦子等基底要素和積水等關鍵信息，降低模型構建成本30%，縮短模型更新周期至分鐘級。
　　
　　產品性能指標
　　
　　已授權和申請中專利：
　　
　　流體高性能CPU-GPU 異構的并行仿真計算系統(tǒng), 2025103342259
　　
　　區(qū)域雨澇測防車輛及方法, 2024119737047
　　
　　基于激光雷達的冠層截留量確定方法及裝置, 2024110429021
　　
　　全密封的土壤墑情傳感器, 2024215781559
　　
　　測量土壤墑情和地表積水的傳感器系統(tǒng)以及測量方法, 2024108941223
　　
　　水動力模擬方法、裝置、電子設備及存儲介質, 2024107878434
　　
　　洪水智能預報車, 2024303277928
　　
　　可起降垂起固定翼無人機和多旋翼無人機的雙機巢裝置, 2024211908601
　　
　　無人機可起降收納的收展平臺, 2024106740111
　　
　　基于無人機搭載微波輻射計進行土壤墑情檢測方法及裝置, 2024105707243
　　
　　無人機接駁用運載及可擴展起降平臺車廂, 2024208670087
　　
　　應用情況：
　　
　　在北京和福建等地開展了業(yè)務化應用，全過程支撐了“23·7”海河流域特大洪水期間首都抗洪救災工作。
　　
　　研發(fā)機構：清華大學極端暴雨和城鄉(xiāng)韌性研究團隊
　　
　　負責人：田富強
　　
　　首席科學家：倪廣恒