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城市防洪排澇系統(tǒng)完善課題申報(bào)書一、封面內(nèi)容

城市防洪排澇系統(tǒng)完善課題申報(bào)書。申請(qǐng)人張明,聯(lián)系方所屬單位某市水利科學(xué)研究院,申報(bào)日期2023年10月26日,項(xiàng)目類別應(yīng)用研究。

二.項(xiàng)目摘要

隨著城市化進(jìn)程加速和極端天氣事件頻發(fā),城市防洪排澇系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目旨在通過(guò)多學(xué)科交叉方法,構(gòu)建一套完善的城市防洪排澇系統(tǒng)優(yōu)化模型,以提升城市應(yīng)對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害的能力。項(xiàng)目核心內(nèi)容包括:首先,基于水文氣象數(shù)據(jù)和城市地理信息,建立精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái),分析降雨內(nèi)澇機(jī)理及關(guān)鍵影響因素;其次,引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法,預(yù)測(cè)極端降雨事件概率,優(yōu)化排水管網(wǎng)布局與調(diào)度策略;再次,結(jié)合BIM技術(shù),實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施全生命周期管理,動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)韌性;最后,通過(guò)模擬不同情景下的內(nèi)澇災(zāi)害,提出分區(qū)分級(jí)預(yù)警方案及應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。預(yù)期成果包括一套集成數(shù)值模擬、智能預(yù)警和運(yùn)維管理的綜合平臺(tái),以及系列政策建議。該研究將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)城市防洪排澇系統(tǒng)智能化研究空白,為重大城市安全建設(shè)提供理論支撐和技術(shù)路徑,具有顯著的社會(huì)效益和推廣價(jià)值。

三.項(xiàng)目背景與研究意義

當(dāng)前,全球氣候變化與快速城市化進(jìn)程相互交織,導(dǎo)致城市內(nèi)澇等水災(zāi)害頻發(fā),對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、城市運(yùn)行效率和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。城市防洪排澇系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其效能直接關(guān)系到城市的安全韌性與韌性水平。然而,現(xiàn)有城市防洪排澇體系在應(yīng)對(duì)極端降雨、空間差異性、系統(tǒng)協(xié)同性等方面存在諸多短板,難以滿足現(xiàn)代城市發(fā)展的需求。

從研究領(lǐng)域現(xiàn)狀來(lái)看,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在防洪排澇方面已開展了大量研究,涵蓋了水文模型、排水系統(tǒng)優(yōu)化、應(yīng)急管理等多個(gè)方面。例如,Henderson等人提出的Muskingum方法在水文學(xué)中廣泛應(yīng)用,而海綿城市建設(shè)理念則強(qiáng)調(diào)通過(guò)低影響開發(fā)措施緩解城市內(nèi)澇。然而,現(xiàn)有研究仍存在以下問(wèn)題:一是模型精度不足,多數(shù)研究基于宏觀尺度分析,難以反映城市內(nèi)部復(fù)雜地形、建筑物布局等因素對(duì)水流的精細(xì)影響;二是數(shù)據(jù)融合度低,氣象、地理、排水、交通等多源數(shù)據(jù)尚未實(shí)現(xiàn)有效整合,制約了系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化能力;三是智能化水平不高,傳統(tǒng)調(diào)度方法多依賴經(jīng)驗(yàn),缺乏動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)制。這些問(wèn)題導(dǎo)致現(xiàn)有防洪排澇體系在應(yīng)對(duì)突發(fā)、復(fù)雜災(zāi)害時(shí)表現(xiàn)出較大局限性,亟需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性提升。

城市防洪排澇系統(tǒng)完善研究的必要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先,極端天氣事件頻發(fā)給城市安全帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。全球氣候變暖導(dǎo)致強(qiáng)降雨事件概率增加,2021年歐洲多國(guó)遭遇歷史性洪水,2022年我國(guó)部分城市在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)特大暴雨,這些事件均暴露了傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的脆弱性。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年因城市內(nèi)澇造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)千億美元,其中70%發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家。完善防洪排澇系統(tǒng)是降低災(zāi)害損失、保障城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。其次,城市化進(jìn)程加速對(duì)排水系統(tǒng)提出更高需求。隨著城市人口密度增加、建成區(qū)不斷擴(kuò)張,不透水面積持續(xù)增大,傳統(tǒng)重力排水模式面臨瓶頸。我國(guó)部分地區(qū)新建城區(qū)排水管網(wǎng)密度不足,老城區(qū)管網(wǎng)老化嚴(yán)重,兩者共同導(dǎo)致排水能力與需求失衡。例如,某市在2022年夏季降雨中,部分區(qū)域排水能力僅能滿足2毫米/小時(shí)降雨標(biāo)準(zhǔn),而實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度超過(guò)15毫米/小時(shí),導(dǎo)致大面積內(nèi)澇。最后,數(shù)字化轉(zhuǎn)型為系統(tǒng)優(yōu)化提供新機(jī)遇。大數(shù)據(jù)、、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益深入,為構(gòu)建智能化防洪排澇體系提供了可能。然而,這些技術(shù)在排水系統(tǒng)中的深度融合仍處于初級(jí)階段,亟需通過(guò)系統(tǒng)性研究推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化與工程實(shí)踐。

本項(xiàng)目的研究意義主要體現(xiàn)在社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和學(xué)術(shù)價(jià)值三個(gè)層面。在社會(huì)效益方面,通過(guò)構(gòu)建完善的城市防洪排澇系統(tǒng),可以有效降低內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全,提升城市公共服務(wù)水平。具體而言,項(xiàng)目成果可為政府制定防洪排澇政策提供科學(xué)依據(jù),推動(dòng)城市安全韌性建設(shè),減少災(zāi)害應(yīng)對(duì)中的社會(huì)恐慌與資源浪費(fèi)。例如,通過(guò)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),可提前轉(zhuǎn)移高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域居民,降低傷亡概率;通過(guò)優(yōu)化排水調(diào)度,可減少漬水對(duì)交通、電力等市政設(shè)施的影響,保障城市正常運(yùn)行。在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面,完善防洪排澇系統(tǒng)可顯著減少災(zāi)害損失,降低城市維護(hù)成本,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。據(jù)估算,每投入1元用于防洪排澇系統(tǒng)建設(shè),可避免后續(xù)10元的經(jīng)濟(jì)損失。此外,項(xiàng)目成果還可帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,如智能傳感器、模擬仿真軟件、應(yīng)急管理等,創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。在學(xué)術(shù)價(jià)值方面,本項(xiàng)目將推動(dòng)多學(xué)科交叉融合,深化對(duì)城市水循環(huán)機(jī)理的認(rèn)識(shí),豐富防洪排澇理論體系。通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)、BIM等技術(shù),可突破傳統(tǒng)研究方法瓶頸,為水利工程智能化研究提供新范式。同時(shí),項(xiàng)目將形成一套可復(fù)制、可推廣的系統(tǒng)優(yōu)化方法,為國(guó)內(nèi)外類似研究提供參考。

四.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

城市防洪排澇系統(tǒng)完善是水利工程、城市規(guī)劃、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展,但仍存在諸多挑戰(zhàn)和研究空白。

在國(guó)際研究方面,歐美發(fā)達(dá)國(guó)家由于城市化進(jìn)程早、極端天氣事件頻發(fā),在防洪排澇領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。美國(guó)在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面較早采用規(guī)范化的計(jì)算方法,如美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(ASCE)發(fā)布的《手冊(cè):排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)》(ManualofStandardPracticeforStormwaterManagement)。該手冊(cè)系統(tǒng)總結(jié)了雨水徑流控制、管網(wǎng)設(shè)計(jì)、泵站運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù),為城市排水系統(tǒng)建設(shè)提供了重要指導(dǎo)。此外,美國(guó)環(huán)保署(EPA)推動(dòng)的海綿城市(SpongeCity)建設(shè)理念強(qiáng)調(diào)通過(guò)綠色基礎(chǔ)設(shè)施緩解城市內(nèi)澇,其在低影響開發(fā)(LID)技術(shù)、雨水花園設(shè)計(jì)、綠色屋頂應(yīng)用等方面處于領(lǐng)先地位。歐洲國(guó)家則更注重基于過(guò)程的水文模型研究,如HEC-RAS、MIKESHE等模型被廣泛應(yīng)用于城市洪水模擬。英國(guó)在排水系統(tǒng)韌性評(píng)估方面具有特色,通過(guò)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估不同降雨情景下的內(nèi)澇概率,并制定相應(yīng)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。荷蘭作為低洼國(guó)家,其“三角洲計(jì)劃”和城市圍墾經(jīng)驗(yàn)為高水位地區(qū)的防洪提供了重要借鑒。近年來(lái),國(guó)際研究趨勢(shì)向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展,例如,澳大利亞墨爾本通過(guò)部署大量智能傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排水管網(wǎng)流量、水質(zhì)和設(shè)備狀態(tài),構(gòu)建了全球首個(gè)全自動(dòng)化城市排水系統(tǒng)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校等機(jī)構(gòu)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測(cè)極端降雨事件,為城市排水應(yīng)急響應(yīng)提供支持。總體而言,國(guó)際研究在理論模型、工程實(shí)踐和智能化應(yīng)用方面較為成熟,但仍面臨數(shù)據(jù)整合、系統(tǒng)協(xié)同、氣候變化適應(yīng)等挑戰(zhàn)。

在國(guó)內(nèi)研究方面,我國(guó)城市防洪排澇系統(tǒng)研究起步較晚,但發(fā)展迅速,尤其在大型城市和重大工程項(xiàng)目中取得顯著成果。早期研究主要集中于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化,如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校針對(duì)我國(guó)城市地形特點(diǎn),開發(fā)了適用于合流制排水系統(tǒng)的計(jì)算模型。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院提出了基于水文-水力耦合的排水系統(tǒng)仿真方法,考慮了降雨入滲、地面徑流、管道流態(tài)等多重因素。近年來(lái),隨著海綿城市建設(shè)理念的推廣,國(guó)內(nèi)學(xué)者在綠色基礎(chǔ)設(shè)施方面開展了大量研究。同濟(jì)大學(xué)等機(jī)構(gòu)通過(guò)中試平臺(tái)驗(yàn)證了雨水花園、透水鋪裝等技術(shù)的減排效果,并提出了基于LID設(shè)施的雨水管理綜合規(guī)劃方法。在智能化應(yīng)用方面,中國(guó)市政工程研究總院開發(fā)了城市排水防澇智慧調(diào)度系統(tǒng),集成了GIS、遙感、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了排水設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能調(diào)度。此外,北京、上海等超大城市的防汛體系建設(shè)為國(guó)內(nèi)研究提供了實(shí)踐案例,其構(gòu)建的“監(jiān)測(cè)-預(yù)報(bào)-預(yù)警-響應(yīng)”一體化機(jī)制值得借鑒。然而,國(guó)內(nèi)研究仍存在一些突出問(wèn)題:一是模型精度不足,多數(shù)研究基于概化模型,難以反映城市內(nèi)部微觀地形、建筑物布局對(duì)水流的影響;二是數(shù)據(jù)融合度低,氣象、地理、排水、交通等多源數(shù)據(jù)尚未形成有效共享機(jī)制,制約了系統(tǒng)綜合分析能力;三是智能化水平不高,現(xiàn)有智能調(diào)度系統(tǒng)多依賴預(yù)設(shè)規(guī)則,缺乏基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力;四是韌性評(píng)估體系不完善,缺乏對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行、多災(zāi)種耦合的綜合評(píng)估方法。這些問(wèn)題導(dǎo)致國(guó)內(nèi)防洪排澇系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)極端、復(fù)雜災(zāi)害時(shí)仍存在較大局限性。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)以下研究空白:首先,在精細(xì)化模擬方面,國(guó)際先進(jìn)水平已可模擬到百米甚至十米尺度的城市內(nèi)澇過(guò)程,而國(guó)內(nèi)多數(shù)研究仍停留在公里尺度,難以反映局部?jī)?nèi)澇的形成機(jī)制。其次,在數(shù)據(jù)融合方面,歐美國(guó)家已建立完善的城市數(shù)據(jù)共享平臺(tái),如美國(guó)國(guó)家地理信息Clearinghouse,而國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、部門壁壘嚴(yán)重的問(wèn)題尚未得到根本解決。再次,在智能化應(yīng)用方面,國(guó)際研究已開始探索基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的排水系統(tǒng)優(yōu)化方法,而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究仍處于探索階段。最后,在韌性評(píng)估方面,國(guó)際研究已關(guān)注系統(tǒng)在不同災(zāi)害情景下的耦合響應(yīng),而國(guó)內(nèi)研究多集中于單一災(zāi)種分析。這些研究空白表明,我國(guó)城市防洪排澇系統(tǒng)在理論方法、技術(shù)應(yīng)用和系統(tǒng)集成方面仍需加強(qiáng)。通過(guò)本項(xiàng)目研究,有望填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的部分空白,推動(dòng)我國(guó)城市防洪排澇系統(tǒng)向精細(xì)化、智能化、韌性化方向發(fā)展。

五.研究目標(biāo)與內(nèi)容

本項(xiàng)目旨在通過(guò)多學(xué)科交叉方法,構(gòu)建一套完善的城市防洪排澇系統(tǒng)優(yōu)化模型與實(shí)施方案,以提升城市應(yīng)對(duì)內(nèi)澇災(zāi)害的能力和系統(tǒng)韌性。研究目標(biāo)與內(nèi)容具體如下:

1.研究目標(biāo)

(1)構(gòu)建精細(xì)化城市防洪排澇數(shù)值模擬平臺(tái)?;诟叻直媛食鞘械乩硇畔?shù)據(jù)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)及氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),建立能夠模擬降雨、徑流、匯流、滲流及排澇設(shè)施運(yùn)行的耦合模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)澇過(guò)程的高精度模擬,模擬分辨率不低于50米,模擬時(shí)間步長(zhǎng)不大于2分鐘。

(2)開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的極端降雨事件預(yù)測(cè)模型。整合歷史氣象數(shù)據(jù)、氣候模型輸出及城市下墊面變化信息,利用深度學(xué)習(xí)算法,構(gòu)建極端降雨事件(如短時(shí)強(qiáng)降雨、連續(xù)性降雨)的概率預(yù)測(cè)模型,提高極端降雨預(yù)警的準(zhǔn)確性和提前量。

(3)設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化的排水系統(tǒng)調(diào)度策略。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),基于多目標(biāo)優(yōu)化算法(如NSGA-II、MOPSO),制定排水管網(wǎng)、泵站、閘門等設(shè)施的協(xié)同調(diào)度方案,實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇峰值降低、排水效率提升、能源消耗最小化等多目標(biāo)優(yōu)化。

(4)建立排水設(shè)施全生命周期管理與韌性評(píng)估體系。利用BIM技術(shù),構(gòu)建排水設(shè)施的數(shù)字化信息模型,結(jié)合健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)施的精細(xì)化運(yùn)維管理。基于多災(zāi)種耦合模型,評(píng)估系統(tǒng)在不同災(zāi)害情景下的響應(yīng)能力,提出提升系統(tǒng)韌性的具體措施。

(5)提出城市防洪排澇系統(tǒng)完善的政策建議與實(shí)施方案?;谘芯砍晒?,制定分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制及長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃,形成可推廣的城市防洪排澇系統(tǒng)完善技術(shù)路線。

2.研究?jī)?nèi)容

(1)精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)構(gòu)建研究

2.1研究問(wèn)題:現(xiàn)有城市防洪排澇模型難以精確模擬城市內(nèi)部復(fù)雜地形、建筑物布局、不透水面積時(shí)空變化對(duì)水流的影響,導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際不符。

2.2研究假設(shè):通過(guò)引入高分辨率地形數(shù)據(jù)、建筑物三維模型及動(dòng)態(tài)下墊面信息,構(gòu)建考慮物理過(guò)程與人為因素的耦合模型,可顯著提高模擬精度。

2.3具體研究?jī)?nèi)容:

a.高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)處理:整合DEM、建筑物矢量數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)絡(luò)、土地利用類型等數(shù)據(jù),構(gòu)建精細(xì)化城市三維模型。

b.水文-水力耦合模型開發(fā):基于SWMM、MIKESHE等模型,開發(fā)考慮降雨入滲、地面徑流、管道流態(tài)、泵站運(yùn)行等多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模型,實(shí)現(xiàn)水流運(yùn)動(dòng)的精確模擬。

c.模型驗(yàn)證與校準(zhǔn):利用實(shí)測(cè)水文、水位數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn),確保模型參數(shù)的合理性和模擬結(jié)果的可靠性。

(2)極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā)研究

2.1研究問(wèn)題:現(xiàn)有降雨預(yù)測(cè)模型對(duì)極端降雨事件的預(yù)測(cè)能力不足,難以滿足城市防洪排澇的預(yù)警需求。

2.2研究假設(shè):通過(guò)整合多源數(shù)據(jù)(氣象觀測(cè)、氣候模型、城市下墊面信息),利用深度學(xué)習(xí)算法,可提高極端降雨事件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和提前量。

2.3具體研究?jī)?nèi)容:

a.數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程:對(duì)氣象數(shù)據(jù)、歷史降雨記錄、氣候模型輸出進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化,提取關(guān)鍵特征(如降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、空間分布等)。

b.深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建:采用LSTM、Transformer等深度學(xué)習(xí)算法,構(gòu)建極端降雨事件預(yù)測(cè)模型,并利用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)優(yōu)化模型性能。

c.預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證:利用獨(dú)立測(cè)試集,評(píng)估模型的預(yù)測(cè)精度,并與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析。

(3)多目標(biāo)優(yōu)化的排水系統(tǒng)調(diào)度策略研究

2.1研究問(wèn)題:傳統(tǒng)排水調(diào)度方法依賴經(jīng)驗(yàn),難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化,導(dǎo)致內(nèi)澇峰值高、排水效率低、能源消耗大。

2.2研究假設(shè):基于多目標(biāo)優(yōu)化算法,結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可制定動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的排水調(diào)度方案,實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。

2.3具體研究?jī)?nèi)容:

a.多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建:定義內(nèi)澇峰值降低、排水時(shí)間縮短、能源消耗最小化等目標(biāo),構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。

b.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合:整合排水管網(wǎng)流量、水位、泵站運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度。

c.優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):采用NSGA-II、MOPSO等多目標(biāo)優(yōu)化算法,設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度策略,并通過(guò)仿真驗(yàn)證方案有效性。

(4)排水設(shè)施全生命周期管理與韌性評(píng)估體系研究

2.1研究問(wèn)題:現(xiàn)有排水設(shè)施管理缺乏數(shù)字化手段,韌性評(píng)估體系不完善,難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)防控。

2.2研究假設(shè):利用BIM技術(shù)構(gòu)建排水設(shè)施的數(shù)字化信息模型,結(jié)合健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和多災(zāi)種耦合模型,可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施的精細(xì)化管理和系統(tǒng)韌性的綜合評(píng)估。

2.3具體研究?jī)?nèi)容:

a.BIM技術(shù)應(yīng)用于排水設(shè)施管理:構(gòu)建排水設(shè)施的BIM模型,整合設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)施的數(shù)字化管理。

b.健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估:利用傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài),建立健康評(píng)估模型,預(yù)測(cè)設(shè)施剩余壽命。

c.多災(zāi)種耦合韌性評(píng)估:基于多災(zāi)種耦合模型,評(píng)估系統(tǒng)在不同災(zāi)害情景下的響應(yīng)能力,提出提升系統(tǒng)韌性的具體措施(如增加調(diào)蓄設(shè)施、優(yōu)化管網(wǎng)布局等)。

(5)城市防洪排澇系統(tǒng)完善的政策建議與實(shí)施方案研究

2.1研究問(wèn)題:現(xiàn)有防洪排澇政策缺乏系統(tǒng)性,實(shí)施方案可操作性不強(qiáng),難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)防控。

2.2研究假設(shè):基于研究成果,制定分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制及長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃,可提升城市防洪排澇能力。

2.3具體研究?jī)?nèi)容:

a.分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)制定:基于內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,制定不同區(qū)域的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警。

b.應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制優(yōu)化:結(jié)合排水系統(tǒng)優(yōu)化方案,制定應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,提升災(zāi)害應(yīng)對(duì)效率。

c.長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃:提出排水系統(tǒng)的長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃,包括設(shè)施升級(jí)、管網(wǎng)改造、綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等,形成可推廣的技術(shù)路線。

通過(guò)以上研究?jī)?nèi)容,本項(xiàng)目將構(gòu)建一套完善的城市防洪排澇系統(tǒng)優(yōu)化模型與實(shí)施方案,為提升城市防洪排澇能力和系統(tǒng)韌性提供理論支撐和技術(shù)路徑。

六.研究方法與技術(shù)路線

1.研究方法

本項(xiàng)目將采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化算法和工程實(shí)例驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法,具體包括:

(1)理論分析方法:基于水文學(xué)、水力學(xué)、系統(tǒng)論、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論等,分析城市防洪排澇系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理、關(guān)鍵影響因素和優(yōu)化原理,為模型構(gòu)建和方案設(shè)計(jì)提供理論支撐。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論進(jìn)行梳理和比較,形成適合我國(guó)城市特點(diǎn)的理論框架。

(2)數(shù)值模擬方法:采用SWMM、MIKESHE等水文水力模型,結(jié)合高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù),構(gòu)建精細(xì)化城市防洪排澇數(shù)值模擬平臺(tái)。通過(guò)模擬不同降雨情景、管網(wǎng)布局和調(diào)度策略下的內(nèi)澇過(guò)程,分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵影響因素。

(3)數(shù)據(jù)挖掘方法:利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法,開發(fā)極端降雨事件預(yù)測(cè)模型。通過(guò)整合歷史氣象數(shù)據(jù)、氣候模型輸出、城市下墊面信息等多源數(shù)據(jù),提取關(guān)鍵特征,構(gòu)建預(yù)測(cè)模型,并利用交叉驗(yàn)證等方法評(píng)估模型性能。

(4)優(yōu)化算法方法:采用多目標(biāo)優(yōu)化算法(如NSGA-II、MOPSO),設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的調(diào)度策略。通過(guò)定義多目標(biāo)函數(shù)(如內(nèi)澇峰值降低、排水效率提升、能源消耗最小化),構(gòu)建優(yōu)化模型,并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度。

(5)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法:設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景的數(shù)值實(shí)驗(yàn)和實(shí)例驗(yàn)證,包括不同降雨強(qiáng)度和頻率、不同管網(wǎng)布局和調(diào)度策略、不同綠色基礎(chǔ)設(shè)施配置等,通過(guò)對(duì)比分析驗(yàn)證模型和方案的有效性。

(6)數(shù)據(jù)收集與分析方法:收集高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù),利用GIS、遙感、統(tǒng)計(jì)分析等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,為模型構(gòu)建和方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2.技術(shù)路線

本項(xiàng)目的技術(shù)路線分為五個(gè)階段,具體包括:

(1)第一階段:文獻(xiàn)調(diào)研與數(shù)據(jù)收集(1-6個(gè)月)

1.1文獻(xiàn)調(diào)研:系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外城市防洪排澇領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)關(guān)注精細(xì)化模擬、極端降雨預(yù)測(cè)、智能調(diào)度、韌性評(píng)估等方面,形成文獻(xiàn)綜述。

1.2數(shù)據(jù)收集:收集研究區(qū)域的高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)(DEM、建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)、土地利用類型等)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)(管徑、坡度、高程、水泵參數(shù)等)、氣象數(shù)據(jù)(降雨量、風(fēng)速、氣溫等)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水位、流量等)。

(2)第二階段:精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)構(gòu)建(7-18個(gè)月)

2.1高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)處理:利用GIS技術(shù),整合和處理高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù),構(gòu)建精細(xì)化城市三維模型。

2.2水文-水力耦合模型開發(fā):基于SWMM、MIKESHE等模型,開發(fā)考慮降雨入滲、地面徑流、管道流態(tài)、泵站運(yùn)行等多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模型。

2.3模型驗(yàn)證與校準(zhǔn):利用實(shí)測(cè)水文、水位數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn),確保模型參數(shù)的合理性和模擬結(jié)果的可靠性。

(3)第三階段:極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā)(19-30個(gè)月)

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程:對(duì)氣象數(shù)據(jù)、歷史降雨記錄、氣候模型輸出進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化,提取關(guān)鍵特征。

3.2深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建:采用LSTM、Transformer等深度學(xué)習(xí)算法,構(gòu)建極端降雨事件預(yù)測(cè)模型,并利用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)優(yōu)化模型性能。

3.3預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證:利用獨(dú)立測(cè)試集,評(píng)估模型的預(yù)測(cè)精度,并與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析。

(4)第四階段:多目標(biāo)優(yōu)化的排水系統(tǒng)調(diào)度策略研究(31-42個(gè)月)

4.1多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建:定義內(nèi)澇峰值降低、排水時(shí)間縮短、能源消耗最小化等目標(biāo),構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。

4.2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合:整合排水管網(wǎng)流量、水位、泵站運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度。

4.3優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):采用NSGA-II、MOPSO等多目標(biāo)優(yōu)化算法,設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度策略,并通過(guò)仿真驗(yàn)證方案有效性。

(5)第五階段:排水設(shè)施全生命周期管理與韌性評(píng)估體系研究及政策建議提出(43-48個(gè)月)

5.1BIM技術(shù)應(yīng)用于排水設(shè)施管理:構(gòu)建排水設(shè)施的BIM模型,整合設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)施的數(shù)字化管理。

5.2健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估:利用傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài),建立健康評(píng)估模型,預(yù)測(cè)設(shè)施剩余壽命。

5.3多災(zāi)種耦合韌性評(píng)估:基于多災(zāi)種耦合模型,評(píng)估系統(tǒng)在不同災(zāi)害情景下的響應(yīng)能力,提出提升系統(tǒng)韌性的具體措施。

5.4政策建議與實(shí)施方案提出:基于研究成果,制定分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制及長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃,形成可推廣的技術(shù)路線。

通過(guò)以上技術(shù)路線,本項(xiàng)目將分階段推進(jìn)研究工作,確保研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。每個(gè)階段的研究成果將為下一階段的研究提供基礎(chǔ)和支撐,最終形成一套完善的城市防洪排澇系統(tǒng)優(yōu)化模型與實(shí)施方案。

七.創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目在理論、方法及應(yīng)用層面均具有顯著創(chuàng)新性,旨在突破現(xiàn)有城市防洪排澇研究的瓶頸,提升系統(tǒng)智能化、精細(xì)化水平和綜合韌性。

(一)理論創(chuàng)新

1.多物理場(chǎng)耦合機(jī)理的深化研究:本項(xiàng)目突破傳統(tǒng)單一水文學(xué)或水力學(xué)模型的研究局限,強(qiáng)調(diào)降雨、徑流、滲流、管道流態(tài)、泵站運(yùn)行等多物理場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)耦合作用。通過(guò)構(gòu)建精細(xì)化的多物理場(chǎng)耦合模型,更準(zhǔn)確地揭示城市內(nèi)澇形成的復(fù)雜機(jī)制,特別是在不透水面積時(shí)空變化、地下空間利用、極端降雨與城市基礎(chǔ)設(shè)施相互作用等方面的耦合規(guī)律。這種耦合機(jī)理的深化研究,豐富了城市水循環(huán)理論,為復(fù)雜環(huán)境下防洪排澇系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

2.系統(tǒng)韌性理論的拓展應(yīng)用:現(xiàn)有韌性研究多集中于單一災(zāi)種或單一系統(tǒng),本項(xiàng)目將韌性理論引入城市防洪排澇系統(tǒng),并考慮多災(zāi)種(如內(nèi)澇、高溫、疫情等)耦合下的系統(tǒng)響應(yīng)。通過(guò)構(gòu)建包含社會(huì)經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境等多維度的綜合韌性評(píng)估指標(biāo)體系,并分析系統(tǒng)在不同脅迫下的恢復(fù)力、適應(yīng)性和轉(zhuǎn)化能力,拓展了傳統(tǒng)韌性理論的應(yīng)用范圍,為構(gòu)建更具綜合安全性的城市防洪排澇體系提供了新視角。

3.綠色基礎(chǔ)設(shè)施與灰色設(shè)施的協(xié)同機(jī)制理論:本項(xiàng)目著重研究綠色基礎(chǔ)設(shè)施(如雨水花園、透水鋪裝)與灰色設(shè)施(如排水管網(wǎng)、泵站)的協(xié)同運(yùn)行機(jī)制,突破傳統(tǒng)研究中兩者分割考慮的局限。通過(guò)理論分析不同組合模式下的水力連接、功能互補(bǔ)與潛在沖突,提出優(yōu)化配置和協(xié)同調(diào)度的理論原則,為構(gòu)建“海綿體”與“排水管廊”相得益彰的復(fù)合型防洪排澇系統(tǒng)提供理論支撐。

(二)方法創(chuàng)新

1.基于深度學(xué)習(xí)的精細(xì)化極端降雨事件預(yù)測(cè)方法:本項(xiàng)目創(chuàng)新性地將Transformer等先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)應(yīng)用于極端降雨事件的預(yù)測(cè),特別是在捕捉降雨時(shí)間序列的長(zhǎng)期依賴關(guān)系和空間自相關(guān)性方面。結(jié)合氣候模型輸出和城市下墊面動(dòng)態(tài)變化信息,構(gòu)建生成式深度學(xué)習(xí)模型(如GAN、VAE),不僅提高極端降雨量級(jí)的預(yù)測(cè)精度,更能生成更符合實(shí)際分布的降雨過(guò)程,為精準(zhǔn)預(yù)警和韌性設(shè)計(jì)提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐。這與傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)或物理模型的預(yù)測(cè)方法相比,在捕捉復(fù)雜非線性關(guān)系和預(yù)測(cè)極端事件方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2.融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法:本項(xiàng)目提出一種融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與多源信息的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法。區(qū)別于傳統(tǒng)基于模型預(yù)測(cè)或預(yù)設(shè)規(guī)則的調(diào)度,該方法利用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取排水管網(wǎng)水位、流量、泵站運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù),結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度,動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化模型的目標(biāo)權(quán)重和約束條件。通過(guò)引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能優(yōu)化算法,使調(diào)度策略能夠適應(yīng)不斷變化的城市內(nèi)澇狀況,實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇峰值、排水效率、能源消耗等多目標(biāo)的實(shí)時(shí)協(xié)同優(yōu)化,顯著提升系統(tǒng)的智能響應(yīng)能力。

3.基于BIM與健康監(jiān)測(cè)的排水設(shè)施全生命周期智能管理方法:本項(xiàng)目創(chuàng)新性地將建筑信息模型(BIM)技術(shù)深度應(yīng)用于排水設(shè)施的從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的全生命周期管理。通過(guò)構(gòu)建包含幾何信息、物理參數(shù)、材料屬性、施工記錄、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多維信息的BIM數(shù)字孿生體,結(jié)合基于物理和數(shù)據(jù)的設(shè)施健康評(píng)估模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)排水設(shè)施的精細(xì)化狀態(tài)評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)決策。這種方法超越了傳統(tǒng)二維紙和分散式管理系統(tǒng)的局限,為排水設(shè)施的智能化運(yùn)維和高效管理提供了強(qiáng)大工具。

(三)應(yīng)用創(chuàng)新

1.分區(qū)分級(jí)、面向風(fēng)險(xiǎn)的精細(xì)化預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng):本項(xiàng)目基于精細(xì)化模擬結(jié)果和韌性評(píng)估,創(chuàng)新性地提出分區(qū)分級(jí)、面向風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)體系和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。根據(jù)不同區(qū)域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、影響范圍和脆弱性,設(shè)定差異化的預(yù)警閾值和發(fā)布策略,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警。同時(shí),結(jié)合優(yōu)化后的排水調(diào)度方案和應(yīng)急資源布局,制定針對(duì)性的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案,明確不同情景下的處置流程和責(zé)任分工,顯著提升災(zāi)害應(yīng)對(duì)的針對(duì)性和有效性,減少災(zāi)害損失。

2.可量化的城市防洪排澇系統(tǒng)韌性提升方案與政策建議:本項(xiàng)目不僅提出理論和方法創(chuàng)新,更注重成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。基于綜合韌性評(píng)估結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計(jì)原則,提出具體的、可量化的城市防洪排澇系統(tǒng)完善方案,包括綠色基礎(chǔ)設(shè)施的適宜性區(qū)劃、管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造建議、泵站的升級(jí)擴(kuò)容方案等。同時(shí),結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本效益分析和政策可行性評(píng)估,形成一套系統(tǒng)性、可操作的長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃和政策建議,為政府制定科學(xué)合理的城市防洪排澇政策提供決策支持,推動(dòng)城市向更高水平的韌性發(fā)展。

3.可推廣的智能化防洪排澇系統(tǒng)解決方案與數(shù)字孿生平臺(tái):本項(xiàng)目研究成果將形成一套包含精細(xì)化模擬模型、智能預(yù)測(cè)模型、動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法、智能管理系統(tǒng)和決策支持平臺(tái)的綜合性智能化防洪排澇解決方案。該方案注重模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),考慮不同城市尺度和條件的適應(yīng)性,旨在為國(guó)內(nèi)外類似城市提供可復(fù)制、可推廣的應(yīng)用模板。同時(shí),構(gòu)建城市防洪排澇數(shù)字孿生平臺(tái),實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與數(shù)字模型的實(shí)時(shí)映射和交互,為持續(xù)優(yōu)化、科學(xué)決策和公眾科普提供長(zhǎng)期支撐,推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

綜上所述,本項(xiàng)目在理論、方法和應(yīng)用層面的創(chuàng)新點(diǎn),旨在構(gòu)建一個(gè)更智能、更精細(xì)、更具韌性的城市防洪排澇系統(tǒng),為保障城市安全、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐。

八.預(yù)期成果

本項(xiàng)目計(jì)劃通過(guò)系統(tǒng)研究,預(yù)期在理論、方法、技術(shù)、平臺(tái)及政策建議等多個(gè)層面取得系列成果,具體如下:

(一)理論成果

1.構(gòu)建城市防洪排澇多物理場(chǎng)耦合機(jī)理理論:基于精細(xì)化模擬和實(shí)驗(yàn)研究,深化對(duì)降雨、徑流、滲流、管網(wǎng)流態(tài)、泵站運(yùn)行等多物理場(chǎng)相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí),形成一套描述城市內(nèi)澇形成過(guò)程和演變規(guī)律的系統(tǒng)性理論框架。該理論將超越傳統(tǒng)單一水文學(xué)或水力學(xué)模型的局限,為復(fù)雜環(huán)境下城市水系統(tǒng)建模和優(yōu)化提供新的理論視角。

2.發(fā)展城市防洪排澇系統(tǒng)韌性評(píng)估理論:建立包含社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境等多維度指標(biāo)的城市防洪排澇系統(tǒng)韌性評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。通過(guò)多災(zāi)種耦合情景分析,揭示系統(tǒng)脆弱性和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),發(fā)展描述系統(tǒng)恢復(fù)力、適應(yīng)性和轉(zhuǎn)化能力的韌性理論,為城市安全韌性建設(shè)提供理論依據(jù)。

3.揭示綠色基礎(chǔ)設(shè)施與灰色設(shè)施協(xié)同作用機(jī)制:通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬,闡明不同類型綠色基礎(chǔ)設(shè)施與排水管網(wǎng)、泵站等灰色設(shè)施的耦合模式、功能互補(bǔ)及潛在沖突,建立兩者協(xié)同作用的量化評(píng)價(jià)方法,為構(gòu)建高效復(fù)合型排水系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。

(二)方法成果

1.形成基于深度學(xué)習(xí)的精細(xì)化極端降雨預(yù)測(cè)方法:開發(fā)并驗(yàn)證一套基于Transformer等深度學(xué)習(xí)架構(gòu)的極端降雨事件預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)更高精度的短時(shí)、高強(qiáng)度降雨量級(jí)和過(guò)程預(yù)測(cè)。形成一套融合多源數(shù)據(jù)(氣象、氣候模型、下墊面)的極端降雨預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)處理和特征工程方法,為精準(zhǔn)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

2.創(chuàng)新融合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化算法:提出一種考慮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度算法或模型框架。該方法將能夠根據(jù)實(shí)時(shí)變化的內(nèi)澇狀況,動(dòng)態(tài)調(diào)整排水系統(tǒng)的運(yùn)行策略,以實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇峰值、排水效率、能源消耗等多目標(biāo)的實(shí)時(shí)協(xié)同優(yōu)化,形成一套智能化調(diào)度決策方法。

3.建立基于BIM與健康監(jiān)測(cè)的排水設(shè)施智能管理方法:開發(fā)一套整合BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)和健康監(jiān)測(cè)模型的排水設(shè)施全生命周期智能管理方法。形成設(shè)施健康狀態(tài)評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)決策的標(biāo)準(zhǔn)化流程和模型,為排水設(shè)施的精細(xì)化、智能化運(yùn)維提供技術(shù)支撐。

(三)技術(shù)成果

1.開發(fā)精細(xì)化城市防洪排澇數(shù)值模擬軟件模塊:在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上,開發(fā)適用于高分辨率城市環(huán)境的數(shù)值模擬軟件模塊,包含多物理場(chǎng)耦合模型、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口、多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度接口等功能,形成一套功能完善的城市防洪排澇仿真分析工具。

2.構(gòu)建極端降雨事件智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)原型:開發(fā)一套基于深度學(xué)習(xí)的極端降雨事件智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)原型,能夠接入實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù),自動(dòng)生成極端降雨概率預(yù)報(bào)和落區(qū)預(yù)報(bào),為預(yù)警發(fā)布提供技術(shù)支持。

3.建立排水設(shè)施全生命周期智能管理系統(tǒng)原型:開發(fā)包含BIM模型管理、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成、狀態(tài)評(píng)估與維護(hù)決策功能的排水設(shè)施全生命周期智能管理系統(tǒng)原型,為排水設(shè)施的精細(xì)化管理和運(yùn)維提供技術(shù)示范。

(四)平臺(tái)成果

1.搭建城市防洪排澇數(shù)字孿生平臺(tái):基于各項(xiàng)研究成果,搭建一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、模擬仿真、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、智能管理、決策支持等功能于一體的城市防洪排澇數(shù)字孿生平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)物理城市與數(shù)字模型的實(shí)時(shí)映射和交互,為城市防洪排澇的持續(xù)優(yōu)化、科學(xué)決策和應(yīng)急指揮提供綜合性技術(shù)支撐。

(五)政策與社會(huì)效益成果

1.提出城市防洪排澇系統(tǒng)完善的政策建議:基于研究成果,形成一套包括分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制、長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃等內(nèi)容的城市防洪排澇系統(tǒng)完善政策建議,為政府制定相關(guān)規(guī)劃和政策提供科學(xué)依據(jù)。

2.制定可推廣的智能化防洪排澇解決方案:形成一套系統(tǒng)化、可操作的智能化防洪排澇解決方案,包括技術(shù)路線、實(shí)施步驟、關(guān)鍵技術(shù)和保障措施等,為國(guó)內(nèi)外類似城市提供可復(fù)制、可推廣的應(yīng)用模板。

3.提升公眾防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)和能力:通過(guò)項(xiàng)目研究成果的科普宣傳,提升公眾對(duì)城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí),增強(qiáng)自我防護(hù)意識(shí)和能力,促進(jìn)社會(huì)共治共享的城市防災(zāi)減災(zāi)格局的形成。

本項(xiàng)目預(yù)期成果不僅在理論上推動(dòng)城市防洪排澇科學(xué)的發(fā)展,更在方法、技術(shù)和應(yīng)用層面產(chǎn)生顯著的創(chuàng)新價(jià)值,為提升城市安全韌性、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科技支撐和決策依據(jù)。

九.項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃

本項(xiàng)目計(jì)劃分五個(gè)階段實(shí)施,總周期為48個(gè)月,具體時(shí)間規(guī)劃、任務(wù)分配和進(jìn)度安排如下:

(一)第一階段:文獻(xiàn)調(diào)研與數(shù)據(jù)收集(1-6個(gè)月)

1.任務(wù)分配:

-文獻(xiàn)調(diào)研:團(tuán)隊(duì)成員A、B負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)外城市防洪排澇領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的收集、整理和綜述撰寫,重點(diǎn)關(guān)注精細(xì)化模擬、極端降雨預(yù)測(cè)、智能調(diào)度、韌性評(píng)估等方面最新研究成果。

-數(shù)據(jù)收集:團(tuán)隊(duì)成員C、D負(fù)責(zé)聯(lián)系相關(guān)部門,收集研究區(qū)域的高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)(DEM、建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)、土地利用類型等)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)(管徑、坡度、高程、水泵參數(shù)等)、氣象數(shù)據(jù)(降雨量、風(fēng)速、氣溫等)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水位、流量等),并進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)清洗和格式統(tǒng)一。

2.進(jìn)度安排:

-第1-2月:完成文獻(xiàn)調(diào)研,提交文獻(xiàn)綜述初稿。

-第3-4月:完成數(shù)據(jù)收集清單制定,并與相關(guān)部門協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)獲取事宜。

-第5-6月:完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集和初步處理,提交數(shù)據(jù)收集報(bào)告。

3.階段成果:

-提交文獻(xiàn)綜述報(bào)告。

-完成數(shù)據(jù)收集清單和數(shù)據(jù)初步處理結(jié)果。

(二)第二階段:精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)構(gòu)建(7-18個(gè)月)

1.任務(wù)分配:

-高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)處理:團(tuán)隊(duì)成員C、E負(fù)責(zé)利用GIS技術(shù),整合和處理高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù),構(gòu)建精細(xì)化城市三維模型。

-水文-水力耦合模型開發(fā):團(tuán)隊(duì)成員A、F負(fù)責(zé)基于SWMM、MIKESHE等模型,開發(fā)考慮降雨入滲、地面徑流、管道流態(tài)、泵站運(yùn)行等多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值模型。

-模型驗(yàn)證與校準(zhǔn):團(tuán)隊(duì)成員B、D、E、F負(fù)責(zé)利用實(shí)測(cè)水文、水位數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn)。

2.進(jìn)度安排:

-第7-9月:完成高分辨率城市地理信息數(shù)據(jù)處理,提交精細(xì)化城市三維模型。

-第10-14月:完成水文-水力耦合模型開發(fā),提交模型初步成果。

-第15-17月:利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn),提交模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)報(bào)告。

-第18月:完成精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)構(gòu)建,提交平臺(tái)測(cè)試報(bào)告。

3.階段成果:

-提交精細(xì)化城市三維模型。

-提交水文-水力耦合模型代碼和文檔。

-提交模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)報(bào)告。

-提交精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)測(cè)試報(bào)告。

(三)第三階段:極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā)(19-30個(gè)月)

1.任務(wù)分配:

-數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程:團(tuán)隊(duì)成員B、C負(fù)責(zé)對(duì)氣象數(shù)據(jù)、歷史降雨記錄、氣候模型輸出進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化,提取關(guān)鍵特征。

-深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建:團(tuán)隊(duì)成員A、F負(fù)責(zé)采用LSTM、Transformer等深度學(xué)習(xí)算法,構(gòu)建極端降雨事件預(yù)測(cè)模型,并利用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)優(yōu)化模型性能。

-預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證:團(tuán)隊(duì)成員D、E負(fù)責(zé)利用獨(dú)立測(cè)試集,評(píng)估模型的預(yù)測(cè)精度,并與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2.進(jìn)度安排:

-第19-21月:完成數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程,提交數(shù)據(jù)處理報(bào)告。

-第22-25月:完成深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建,提交模型初步成果。

-第26-28月:利用獨(dú)立測(cè)試集評(píng)估模型性能,提交模型驗(yàn)證報(bào)告。

-第29-30月:完成極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā),提交模型開發(fā)總結(jié)報(bào)告。

3.階段成果:

-提交數(shù)據(jù)處理報(bào)告。

-提交深度學(xué)習(xí)模型代碼和文檔。

-提交模型驗(yàn)證報(bào)告。

-提交極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā)總結(jié)報(bào)告。

(四)第四階段:多目標(biāo)優(yōu)化的排水系統(tǒng)調(diào)度策略研究(31-42個(gè)月)

1.任務(wù)分配:

-多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建:團(tuán)隊(duì)成員A、B、F負(fù)責(zé)定義內(nèi)澇峰值降低、排水時(shí)間縮短、能源消耗最小化等目標(biāo),構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。

-實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合:團(tuán)隊(duì)成員C、D負(fù)責(zé)整合排水管網(wǎng)流量、水位、泵站運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度。

-優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):團(tuán)隊(duì)成員E、F負(fù)責(zé)采用NSGA-II、MOPSO等多目標(biāo)優(yōu)化算法,設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度策略,并通過(guò)仿真驗(yàn)證方案有效性。

2.進(jìn)度安排:

-第31-33月:完成多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建,提交模型初步成果。

-第34-36月:完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合,提交數(shù)據(jù)融合報(bào)告。

-第37-39月:完成優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),提交算法初步成果。

-第40-42月:通過(guò)仿真驗(yàn)證調(diào)度策略有效性,提交優(yōu)化調(diào)度策略報(bào)告。

3.階段成果:

-提交多目標(biāo)優(yōu)化模型代碼和文檔。

-提交數(shù)據(jù)融合報(bào)告。

-提交優(yōu)化算法代碼和文檔。

-提交優(yōu)化調(diào)度策略報(bào)告。

(五)第五階段:排水設(shè)施全生命周期管理與韌性評(píng)估體系研究及政策建議提出(43-48個(gè)月)

1.任務(wù)分配:

-BIM技術(shù)應(yīng)用于排水設(shè)施管理:團(tuán)隊(duì)成員C、E負(fù)責(zé)構(gòu)建排水設(shè)施的BIM模型,整合設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)設(shè)施的數(shù)字化管理。

-健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估:團(tuán)隊(duì)成員D、F負(fù)責(zé)利用傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài),建立健康評(píng)估模型,預(yù)測(cè)設(shè)施剩余壽命。

-多災(zāi)種耦合韌性評(píng)估:團(tuán)隊(duì)成員A、B、E負(fù)責(zé)基于多災(zāi)種耦合模型,評(píng)估系統(tǒng)在不同災(zāi)害情景下的響應(yīng)能力,提出提升系統(tǒng)韌性的具體措施。

-政策建議與實(shí)施方案提出:團(tuán)隊(duì)成員全體參與,基于研究成果,制定分區(qū)分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制及長(zhǎng)期優(yōu)化改造計(jì)劃,形成可推廣的技術(shù)路線。

2.進(jìn)度安排:

-第43-45月:完成BIM技術(shù)應(yīng)用于排水設(shè)施管理,提交BIM模型和管理系統(tǒng)報(bào)告。

-第46月:完成健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估,提交健康評(píng)估模型報(bào)告。

-第47月:完成多災(zāi)種耦合韌性評(píng)估,提交韌性評(píng)估報(bào)告。

-第48月:完成政策建議與實(shí)施方案提出,提交項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。

3.階段成果:

-提交BIM模型和管理系統(tǒng)報(bào)告。

-提交健康評(píng)估模型報(bào)告。

-提交韌性評(píng)估報(bào)告。

-提交項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。

(六)風(fēng)險(xiǎn)管理策略

1.數(shù)據(jù)獲取風(fēng)險(xiǎn):部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史事故記錄)可能存在獲取困難或數(shù)據(jù)質(zhì)量不高的問(wèn)題。

-應(yīng)對(duì)措施:提前與相關(guān)部門溝通協(xié)調(diào),簽訂數(shù)據(jù)共享協(xié)議;開發(fā)數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理工具,提升數(shù)據(jù)質(zhì)量;考慮采用公開數(shù)據(jù)或類似城市數(shù)據(jù)進(jìn)行模型初步開發(fā)。

2.技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn):深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練難度大,模型泛化能力可能不足;多目標(biāo)優(yōu)化算法在求解精度和效率上存在挑戰(zhàn)。

-應(yīng)對(duì)措施:采用多種深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,選擇最優(yōu)模型架構(gòu);加強(qiáng)模型正則化和數(shù)據(jù)增強(qiáng),提升模型泛化能力;引入專業(yè)優(yōu)化算法專家,優(yōu)化算法參數(shù)和計(jì)算策略。

3.進(jìn)度延誤風(fēng)險(xiǎn):項(xiàng)目涉及多學(xué)科交叉,團(tuán)隊(duì)協(xié)作和任務(wù)銜接可能存在困難,導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)度延誤。

-應(yīng)對(duì)措施:制定詳細(xì)的項(xiàng)目計(jì)劃和任務(wù)分解結(jié)構(gòu)(WBS),明確各階段任務(wù)和時(shí)間節(jié)點(diǎn);建立定期項(xiàng)目例會(huì)制度,加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)溝通和協(xié)作;預(yù)留一定的緩沖時(shí)間,應(yīng)對(duì)突發(fā)問(wèn)題。

4.成果轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn):研究成果可能存在與實(shí)際應(yīng)用需求脫節(jié),難以轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

-應(yīng)對(duì)措施:加強(qiáng)與城市管理部門的合作,了解實(shí)際需求;開展應(yīng)用示范工程,驗(yàn)證研究成果的實(shí)用性和有效性;成果推介會(huì),促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

通過(guò)上述時(shí)間規(guī)劃、任務(wù)分配和風(fēng)險(xiǎn)管理策略,本項(xiàng)目將確保研究工作的有序推進(jìn)和預(yù)期成果的順利實(shí)現(xiàn),為提升城市防洪排澇能力和系統(tǒng)韌性提供有力支撐。

十.項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由來(lái)自水利科學(xué)研究院、高校及信息技術(shù)企業(yè)的資深專家和青年骨干組成,涵蓋了水文學(xué)、水力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、城市規(guī)劃、系統(tǒng)工程等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)人才,具有豐富的理論研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),能夠滿足項(xiàng)目研究的各項(xiàng)需求。

(一)團(tuán)隊(duì)成員專業(yè)背景與研究經(jīng)驗(yàn)

1.申請(qǐng)人張明:項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,具有15年城市防洪排澇領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn),先后參與多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和重大水利工程,在精細(xì)化水文水力模型構(gòu)建、城市內(nèi)澇機(jī)理研究、智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)等方面取得突出成果。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇,主持完成省部級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng),獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)。

2.團(tuán)隊(duì)成員李強(qiáng):水文學(xué)專家,博士學(xué)歷,研究方向?yàn)槌鞘兴h(huán)與水環(huán)境模擬,在水文模型開發(fā)與應(yīng)用方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。曾參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“城市水系統(tǒng)韌性提升關(guān)鍵技術(shù)研究”,負(fù)責(zé)極端降雨事件模擬與預(yù)測(cè)模型的開發(fā),積累了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和模型校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)。

3.團(tuán)隊(duì)成員王麗:水力學(xué)專家,教授職稱,研究方向?yàn)槌鞘信潘到y(tǒng)水力模型與優(yōu)化調(diào)度,在排水系統(tǒng)韌性評(píng)估和應(yīng)急管理方面具有深厚造詣。主持完成多項(xiàng)城市防洪排澇關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目,提出了一系列基于多目標(biāo)優(yōu)化的排水調(diào)度策略,成果已應(yīng)用于多個(gè)大型城市的防洪排澇規(guī)劃與建設(shè)中。

4.團(tuán)隊(duì)成員趙偉:計(jì)算機(jī)科學(xué)專家,博士學(xué)歷,研究方向?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)與智能優(yōu)化算法,在機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。曾參與國(guó)家級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目“基于的復(fù)雜系統(tǒng)智能決策研究”,負(fù)責(zé)深度學(xué)習(xí)模型開發(fā)與優(yōu)化算法設(shè)計(jì),具備將前沿信息技術(shù)應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域的實(shí)踐能力。

5.團(tuán)隊(duì)成員劉敏:城市規(guī)劃專家,注冊(cè)規(guī)劃師,研究方向?yàn)槌鞘兴到y(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì),在城市防洪排澇規(guī)劃、綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局、海綿城市建設(shè)等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。主持完成多個(gè)大型城市的防洪排澇專項(xiàng)規(guī)劃和海綿城市設(shè)計(jì)方案,具備將工程技術(shù)與城市規(guī)劃相結(jié)合的綜合能力。

6.團(tuán)隊(duì)成員陳剛:系統(tǒng)工程專家,研究員職稱,研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模與仿真,在水利工程系統(tǒng)分析與優(yōu)化方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)。曾參與多項(xiàng)國(guó)家重大工程項(xiàng)目的水力系統(tǒng)優(yōu)化研究,積累了大量系統(tǒng)建模、仿真分析和決策支持經(jīng)驗(yàn)。

7.合作單位技術(shù)骨干:來(lái)自合作單位XX信息技術(shù)公司的青年工程師團(tuán)隊(duì),負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生平臺(tái)開發(fā)等,具備較強(qiáng)的技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)踐能力,能夠?yàn)轫?xiàng)目提供先進(jìn)的技術(shù)支持和解決方案。

(二)團(tuán)隊(duì)成員角色分配與合作模式

1.角色分配:

-項(xiàng)目負(fù)責(zé)人:全面負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施、資源協(xié)調(diào)、進(jìn)度管理和技術(shù)決策,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)成員工作,確保項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

-水文學(xué)專家:負(fù)責(zé)極端降雨事件預(yù)測(cè)模型開發(fā)、水文過(guò)程模擬與數(shù)據(jù)整合,提供水文學(xué)專業(yè)咨詢。

-水力學(xué)專家:負(fù)責(zé)精細(xì)化數(shù)值模擬平臺(tái)構(gòu)建、排水系統(tǒng)水力模型開發(fā)與優(yōu)化調(diào)度,提供水力學(xué)專業(yè)咨詢。

-計(jì)算機(jī)科學(xué)專家:負(fù)責(zé)深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建、智能優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),提供信息技術(shù)專業(yè)支持。

-城市規(guī)劃專家:負(fù)責(zé)排水設(shè)施全生命周期管理、韌性評(píng)估體系研究,提供城市規(guī)劃專業(yè)咨詢。

-系統(tǒng)工程專家:負(fù)責(zé)系統(tǒng)建模與仿真分析、多災(zāi)種耦合情景構(gòu)建,提供系統(tǒng)優(yōu)化專業(yè)咨詢。

-合作單位技術(shù)骨干:負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成、數(shù)字孿生平臺(tái)開發(fā)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè),提供技術(shù)支撐和工程實(shí)現(xiàn)。

2.

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