基于数字孪生技术的水利工程运行管理体系构建措施

干慧瑛

（天台县龙溪水库事务中心，浙江 台州 317200）

信息技术的发展与应用，推动水利工程信息化、数字化转型，为实现水利信息资源的全面整合与实时共享，并对工程运行状态进行全过程把控与监管，需认识到数字孪生技术应用的必要性，针对工程运行管理，打造物理实体与虚拟体的实时交互、相互映射、高效协同的管理系统，对工程运行情况进行现代化管理。

1 水利工程运行管理问题

水利工程运行管理时需执行的管理工作内容较多，如引水工程管理、堤防管理、水闸管理、灌溉工程管理等，水利工程类型的不同，使得运行环境与功能也表现较多差异性，并有着各自的管理特点，需结合外界环境实际情况对管理形式进行优化。此外，水利工程的综合性、系统性较强，需同时具备发电、灌溉、防洪等基本功能，且各地区、各部门对水的要求也不同，甚至会存在利益冲突，这是水利工程运行管理时需着重考虑的问题，并需打造科学且可行的运行管理机制，实现对各项管理工作的综合决策，确保工程中水资源的合理、充分利用，提升水利工程运行效益。

物联网、自动化以及仿真技术的完善与应用，推动水利工程管理工作数字化、智能化开展，加快工程建设步伐，促使水利信息化范围的不断扩大，但与水利事业实际改革需求相比，现阶段水利工程的运行管理水平仍较低，且存在较多的不足：其一，缺乏完善的水利信息化基础设施，无法在第一时间采集、获取有价值信息。其二，水利数据整合能力弱，各部门掌握的信息资源有较大偏差，不利于数据的共享与应用，缺乏水利信息资源共享体系。其三，工程运行调度时，始终依托于现行的规章制度与准则，致使各项工作固化开展，严重影响资源配置效果。

2 数字孪生技术应用于水利工程运行管理的意义

物联网、云计算、大数据多种现代化技术的推广，以及聚类分析、机器学习等优化算法的实现，使得数字孪生技术理论研究与应用领域多元化发展，而具体应用也从产品设计转移到产品制造与运行管理方面。水利工程运行与管理时，需同时执行多项业务，如维护、预警、调度、监测等，水利信息化也对水利业务范围提出更多要求，应细致、全面规划主体信息资源采集、传输、应用等工作。为保证规划作业的有效、顺利开展，需打造水利数据模型，动态模拟工程各种现象，并实时交互融合工程物理实体与信息空间数据信息，以保证水利工程全生命周期运行与管理时，各类运行数据的实时采集、存储、更新与共享。由此可见，数字孪生技术思想与水利信息化实现有较多相同点，并在技术的支撑下，实现水利工程精细化管理。

3 基于数字孪生技术的水利工程运行管理体系构建

3.1 构建思路

水利工程运行管理数字孪生体系融合多样化信息技术，包括通信、计算、感知、控制等，在此基础上，有机结合技术与各生产要素，如管理者、物理实体、运行环境等，在虚拟空间中精准映射、实时反馈水利工程运作期间表现出的状态、特征以及变化过程，实现工程运行管理模式的全面优化。这一期间，创造的与现实物理实体在外表、内容、性质相同的虚拟产品被称为水利工程数字孪生体，是与物理实体整个生命周期完全一致的虚拟模型，能够有效联系物理与虚拟空间，对物理实体在物理世界中行为、状态、性能等进行仿真。依托于水利工程运行管理实际和数字孪生技术应用特点，分别从目标、原则与功能三方面分析体系构建思路：

（1）构建目标。水利信息化是以水利工程为中心，对水利运行管理资源进行整合，并合理、科学配置所掌握的各类信息，实现信息资源开发与共享，促进水利业务与信息技术的有机结合。水利工程运行期间，在运行环境、状态等方面均体现出不确定性的特点，需要确保物理、信息空间中各项要素的一致性，对此，应打造彼此交互、相互映射、高效协同的控制系统，以此起到优化配置系统内部资源的作用，还可达到系统运行按需响应、快速迭代的效果。同时，应充分融合工程运行全要素，依托于多元现代化技术，实现对用户、数据的统一管理，增强所有要素之间的互联互通性；融合、集成工程运行全流程，实时、跟踪监测工程整体运行状况；整合工程运行全业务，主要集成对象有水利业务、全局水利数据、业务关系等，以保证信息共享服务全面性、完整性。

（2）构建原则。首先，物理对象真实反映原则。水利工程运行环境较为复杂，要求工程物理实体具备实时感知、互联多源异构数据的能力，全面感知、融合四大要素即环境、物、机、人，与此实时，全过程采集并传输完整的物理实体运动、状态等信息；其次，虚拟模型构建真实性原则，虚拟模型是水利工程物理实体在信息空间中的数字化映射，模型的分析与应用可模拟仿真、评估、决策水利工程检查、控制、养护等，全生命周期监管、预测水利工程运行状态；最后，孪生数据动态性原则。水利工程运行管理期间会产生大量数据，且类型多样，并表现出多源异构、多维度等特征。利用虚拟模型分析、处理现有数据，以此得到新数据信息，被称为衍生数据，而孪生数据则在服务系统、虚拟模型、物理实体中获得。

（3）功能介绍。对水利工程运行管理时发生的所有行为进行模拟、评估、分析、预测，具体来说就是在虚拟环境中模拟工程运行管理行为，实现对各要素状态、运行参数以及任务成功率加以精准掌握，确保管理计划设计有据可依。运行管理时，对产生的数据进行分析，利用规则模拟对现行管理模式先进性加以评估，在此期间，应融合交互、迭代优化信息空间与物理空间，依据获取的数据控制物理实体，利用数字孪生体动态化、可视化监管物理实体，以此诊断、定位、管理水利设施运行故障。打造预测模型，依托知识库、经验库中的原始数据与实时监测数据，利用数据挖掘、聚类分析技术对数据进行分析与处理，预测工程后期运行状态，并针对可能发生的运行管理问题制定相应的措施，确保工程稳定、健康运作。此外，在数据孪生技术的帮助下，可在数字孪生体中实时映射水利工程安全管理、调度管理、工程维修养护等，全过程监测数据工程状态、行为与物理参数。而管理人员可借助各类可视化数据着手于主体信息的规划工作，再借助统一资源管理服务平台将可靠、便捷的服务提供给用户。

3.2 技术架构

数字孪生技术可细分为两部分，即虚拟体、物理实体。其中，虚拟体是在物理实体最初形态以及条件的基础上通过模拟仿真而得到，再将决策仿真验证后的结果映射到针对物理实体构建的信息系统中，以此起到实时监管物理实体的作用。常见的物理实体有水闸、水泵等设施。

站在广义的角度对物理实体进行分析，同时包含数据质量管理系统、信息化系统，后者设备的功能模块有水质监测、工程安全监测、闸泵监控等。信息系统监控得到的数据便是物理实体状态数据，但水利工程运作期间，极易遇到通讯异常、传感器故障等问题，无法保证系统内部数据的真实性、可靠性，也不能准确将物理实体实际状态进行反馈，不利于虚拟体决策。对此，需为物理实体打造数据质量管理系统，科学筛选数据信息，并删除存有异常的数据，该系统还具备数据纠正功能。

若基于广义视角对虚拟体加以解读，涉及到决策算法、数字模型两项内容。其中，数字模型有河网水动模型、产汇流模型等，又包括时间序列、神经网络等黑箱模型。但水利工程的调度与决策无法仅依靠数字模型执行，还应依托于决策算法，比如动态、线性规划算法、粒子群算法、遗传算法等，为数据的大规模计算提供可靠技术支撑。

3.3 关键技术

通过对数字孪生系统技术框架以及不同层的基本功能进行研究，能够发现水利工程运行管理时，应用的数字孪生关键技术主要针对物理实体层与虚拟层不同功能。其中，物理实体层的数据采集与共享需在多种技术的支撑下实现，应用的关键技术有分布式传感技术、数据特征提取技术、分布式云服务存储技术、现场总线技术等；虚拟层主要执行的工作为数据建模与计算，为保证建模仿真能够真实、准确映射物理实体，则需应用数据处理技术、信息接口技术、嵌入式计算技术、模拟融合与集成技术、虚拟混合现实技术、多物理多尺度建模技术、模拟仿真验证与优化技术等。

3.4 运行机制

单元级水利工程孪生系统：各单元级系统都可感知、计算分析相对应的监测对象与环境，以此融合、交互水利工程的虚拟空间与物理空间，是水利工程孪生系统的最小单元，拥有多元功能，如延展、计算、感知、自动决策等。借助信息技术，全过程采集、整合系统运行数据，还可对运行状态进行实时监测，以此为依据，分别从状态、行为、集合等方面对信息空间中的各类物理实体如水轮发电机组、闸门启闭机、河渠等进行重建，以此得到水利工程数字孪生体，实现对水利工程物理实体实际情况以及变化趋势的实时、全方位监测，如配电设备运行状态、水位变化等。与此同时，利用大数据技术打造对应的数据模型，系统化分析、处理所掌握的数据信息，为外部复杂环境变化的应对决策制定提供数支持，并采取“以虚控实”的手段实现对物理实体的管控。

比如，针对闸门启闭机设计的孪生系统，先打造相应的感知模块，实现对闸门启闭机运行期间产生的各类信息进行采集，如闸门震动、空间尺度、闸门开启与下降牵引力等，科学、细致分析与处理采集数据，为设备打造多种数据模型，包括行为模型、物理模型、几何模型等，操控闸门时，可全过程、跟踪监测、管控闸门启闭机整体情况。当闸门状态变化时，通过观察、分析闸门运作模型，了解闸门高度，如果有非正常变化状况，系统会自动切断电源。若闸门出现振动，系统可在第一时间向闸门下达指令，以此调控闸门高度，再借助感知模块将处理后的闸门状态呈现到虚拟模型上，通过反复迭代，避开振动位置。

系统级水利工程孪生系统：系统级孪生系统针对所有单元级系统，对其进行分析、交互与感知，促使水利工程决策、组织能力得以提升，确保资源配置合理性。利用多元网络技术，如以太网、现场总线等，建立起各单元及系统之间的联系，达到互联互通的效果，还可实现相互操控，使水利工程所有功能模块中产生的数据自动流动，极大程度地提高水利工程资源配置深度与广度。系统通过分析、整理单元级系统运行信息，统一调度各模块，确保单元级系统协作效率，增强水利工程运作安全性。

3.5 应用场景

梯级泵站恒水位控制参数率定。某调水工程为梯级泵站，并建设有明渠实现水资源的输送，但未安装调蓄设备，为保持前池水位的恒定，下级泵站变频机组需自动调频。借用PID对调频行为进行控制，在此之前，需科学、合理选取调节步长以及其他参数，包括比例、积分、微分，规避系统振荡、超调。但由于泵站运行时无法高频率执行启停机试验，因此，率定参数仅可进行有限次数试验，严重影响调控效果。

对此，决定使用数字孪生技术，依据渠道设计图纸和泵组特性曲线，打造渠段、泵组数字模型，实现渠段、上下级泵站的有机整合，再分析原始数据，着手于渠系水动模型、泵组模型的优化，确保模型可准确反应渠系与泵站的性能。还需利用数字模型优选调节步长与各参数，并在物理系统中对所选取数据进行验证。

系统同样利用Python语言开发，使用PySwmm打造渠道出水口、进水口、水源模型，依据特性曲线搭建变频泵组模型，将泵组模型与PID控制器嵌入到PySwmm的单步时间步长St中，对各项参数进行设定，将St作为时间步长模拟仿真恒水位调节过程，实现对前池水位变化情况的实时掌握。

应用成果：模拟仿真下级泵站前池恒水位控制参数率定，在此期间，各项参数的设定值如下：比例0.003、积分0.002、微分0.000 01、调节步长60，前池水深6.61 m。启动上级泵站后，下级泵站的前池水位会上升，当运行时长达3 h时，恒水位控制器会发挥其自动调节功能，确保前池水深始终保持在设定水深范围内。

4 结论

水利工程运行管理时，通过应用数字孪生技术打造虚拟模型，实现对工程物理实体的精准仿真，以此处理引水环通中闸泵群最优调度的决策问题，还可对泵站恒水位进行全面管控。与此同时，构建数字孪生系统，完善工程运行管理体系，依托于人工智能、云计算、物联网等现代化技术，推动“信息水利管理”向“智慧水利管理”的高速变革。