数字孪生技术在水利工程运行管理中的分析与探索

申 振，姜 爽，聂麟童

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161000）

中国水利工程建设正处于由工业水利工程时代向水资源综合开发时代过渡的阶段，稳增长、保民生等作用愈发重要，发展也将逐步进入加速期。而以信息化帮助传统水利向现代化水利转变的“智慧水利”则是水利跨越式发展的创新方向和核心驱动。在2021 年召开的“数字孪生与水科技创新论坛”上，“数字与智慧水利”已成为水利发展的重要标志。水利行业要探索数字孪生与水融合发展新路径，利用数字孪生等新技术提升核心能力，推进水治理体系和治理能力现代化，助力水利现代化高质量发展[1]。

1 数字孪生技术在水利工程运行管理中的融合与应用

新形势下，随着社会发展和水资源的矛盾更加突出，当前水资源治理的主要矛盾已经从根本上发生变化。经过不断地探索与总结，水利信息化建设的应用使得水利运行管理方式得以改进，水利运行管理水平不断提升。但是，如何将经典水文、水利、水质等理论与数字信息化水利相互结合，从信息化建设整体推进的视角，为工程管理提供分析依据、科学决策，仍然是“信息水利”向“智慧水利”跨越发展中要解决的主要问题，因此，数字孪生技术应运而生[2]。该技术在物理实体和数字虚拟体之间建立了一道桥梁，将传统水利监测理论与水数字信息化水利深度融合，逐步推进水利信息监测系统化由“信息水利”向“智慧水利”转变，着力构建安全、绿色、经济的水利系统，加快推进水利行业管理方式转变，助力水利现代化建设[2]。

数字孪生水利工程充分运用云计算、物联网、“互联网+”、人工智能等新兴技术，以创新为动力、以需求为导向、以整合为手段、以应用为核心、以安全为保障，把水利工程运行用数字化表达，通过计算分析、优化决策，逆向指导水利工程的运行，使水利工程运行更加高效准确、安全可靠，是实现水利治理体系和治理能力的现代化重要载体，是智慧水利建设发展的必由之路和未来选择。

数字孪生也称数字映射、数字镜像，其显著特征是对实体对象的动态仿真。建设数字孪生水利工程，是通过数字化方式创建水利实体工程的孪生双胞胎——虚拟动态仿真，借助历史数据、实时数据、大数据分析、算法模型等，通过模拟、验证、预测，控制水利工程的全生命运行周期，使得生产效率、运维效率更高，生产成本降低，有效地促进水利高质量发展。数字孪生不再只是一种行业技术，而是一种新型发展模式，一条由传统水利向现代化水利转型的新路径，一股推动水利行业深刻变革的核心驱动力。

2 数字孪生技术在水利工程运行管理中的研究方向

2.1 助力运行管理和工程维护体系建设

水利工程因建设类型不同，运行环境和实现功能也各不相同，所以在运行管理上又有其各自特点，应根据工程具体担负的社会责任灵活地调度运用。一项水利工程可能兼有防洪度汛、发电供电、农田灌溉、城镇供水和改善环境等多方面的作用，具有很强的综合性，各水利工程对水资源的要求不同，相互配合又彼此影响。因此，应建立可靠的水利工程运行管理机制来进行统筹决策，以便有限的水资源尽可能地发挥最大功能。水利工程运行管理单位针对水利工程自身运行特性，在数字孪生虚拟体中模拟各项工作任务的进程，通过分析模拟运行数据，及时掌握运行中的各种情况，发现工程运行缺陷和问题[3]。同时，结合外界环境变化，对运行管理及时有效地调整，实时监测水利工程运行安全，实现水利工程的智能化运行。

水利工程的维护工作是一项极为重要且工作量繁重的日常管理工作，必须保质保量地完成，一旦疏忽大意可能导致不可挽回的损失。运行管理中应保障充足的资金和设备，保证各项维护工作有序进行。然而，由于水利工程信息化体系不够完善，信息数据采集能力尚且不足，导致水利工程的养护工作任务重、难度大、效率低。数字孪生技术在水利设施设备维修养护工作中，通过采集实时监测数据、数字孪生数据，并以历史数据为依据、以数字模型为架构对水利设施设备进行分析，制定合理的解决方案，这样既能提高养护水平，又能大大提高工作效率，通过信息数据对缺陷和故障做出快速反应，减少水利工程运行管理部门的人力、物力、财力投入，使水库运行实现维修养护专业化、高效化管理，实现水利工程的安全稳定运行[2]。

2.2 为建设流域水情监测体系提供支持

数字孪生技术为水情监测工作提供强有力的信息保障和技术支持。水情监测的目标之一便是掌握水资源分布情况及上游降水规律等信息，通过分析验证进而进行水资源可持续开发应用。水情的收集整理对“防汛抗旱”工作的决策意义重大，通过水情监测及早掌握洪涝及旱情情况，可以提前制定“防汛抗旱”工作方案，并进行高效的水资源调度，最大限度地减轻洪涝或干旱对人民群众生命财产造成的损害[4]。同时，通过分析和研究水情，能够把握当地的水资源运动规律，预测洪旱灾害发生时间及造成的损失和影响，实现预报、预警、预演、预案功能，提高水资源的管理和利用水平。

在传统的水文、水利、水质模型建模的基础参数方面，由于技术能力不足，不能掌握或者得到的模型数据不准确，可以基于历史数据和相关行业标准用传统的深度学习模型作为替代。这种方法在长时间的积累中，针对某些频发情况，可能进行经验性判断，也取得较好的效果。但深度学习模型有其自身缺陷，对于已经出现过的问题，在已有的经验数据学习效果良好的情况下，可以控制突发问题，但是当出现的问题超过其经验数据范围后，输出的结果则无法把控，也就无法对流域内的水情预测做出准确分析。

数字孪生技术通过智能应用平台，能够准确掌握水情数据，针对防汛度汛、调度决策进行模拟预演并制定出最优方案，协同推进流域内水利工程整体调度，解决水资源分配不均问题。对水利工程的运行情况实时监测，对可能出现的事故及时规避或进行事故预判，实现水利工程运行管理的精准分析和控制。数字孪生技术通过卫星导航定位、卫星测高等技术进行三维动态分析，使得水资源信息测绘更宏观、更全面、更立体。开展数字孪生流域建设，使各水利工程协同配合，整体发力，推动构建系统化数字信息水情监测体系。

2.3 提升水利工程运行中水资源科学管理水平

在水利工程的运行期间，要做好水资源调查分析，通过水资源合理分配及发电机组合理调度、新建扩容等方法挖掘工程节水潜能，减少水资源的消耗和浪费。同时，加强水库勘察，及时发现大坝安全隐患及水资源流失问题，并将影响水利工程高效运行管理的相关问题解决，提升水利工程运行管理的工作效率和工作质量。因此，要开展水资源精细化管理，针对出现的各种情况，明确水资源的使用规范和节约标准，使得生产效率、水资源利用率提高，水利工程运行管理更加高效、更加科学。

水利工程的运行管理中水资源的调度大多基于章程、准则或者历史经验，无法达到资源分配的最优化，运行成本随之提高。数字孪生水利工程建设则是以安全运行、精准调度等为目标，以算据、算法、算力建设为支撑，开展运行精细化建模，可以最大程度提高流域内水资源利用率。进行调度的过程中，水利工程、水利设施设备状态及水情信息等，会实时地反映到数字孪生系统中，系统以数字形态模拟运行，利用数据融合计算，结合实时的防洪库容情况、水库实时水位、入库出库等信息，精准决策分析，保持数字孪生虚拟体与实体工程的融合性、交互性，对水资源调度方案进行分析和调整，并提供可靠信息支撑[3]。通过运行模拟后，将最优方案反馈到水利工程中的物理实体，以此反复迭代优化、同频同步融合，实现流域内防洪度汛、发电供电、农田灌溉、城镇供水和改善环境等水资源综合利用及资源配置的整体优化[3]。

2.4 推动水资源保护和生态区建设

在水资源的开发与利用中，应保护生态系统和生物物种平衡发展，保护供饮用水和土地用水绿色清洁，保护水系发展规律，减少各种因素对水资源带来的损害，促进水资源向生态化、均衡化方向发展。因此，在水资源的开发利用中，绝不能以损害地球上的生命支持系统和生态系统为代价，必须为经济和社会可持续发展合理使用所需的水资源，满足全社会用水需求，绿色节约低碳供水[5]。近几年，各行业陆续发起了用数字化手段减少资源损耗、降低成本的可持续发展计划，人们对大数据、云计算、人工智能等技术正在成为推动生态环境建设的新力量。

空间地理信息产业的发展为水利工程生态区的保护带来了契机。尤其是随着数据采集手段的完善，三维倾斜摄影系统、高光谱遥感系统等的应用，使得基于位置的海量数据获取成为可能，基于3D 数据仿真建模的数字孪生技术在生态环境领域也得到越来越多的应用。通过利用遥感卫星、倾斜摄影等技术获取高精度数据，与水利、环保、土地等相关行业的业务数据整合，形成了可视化的“地理信息服务一张图”。再通过三维实景自动建模，构建了一个与生态环境一模一样的“数字孪生”世界。透过卫星影像采集的数据与数字孪生做比对，能够让困扰生态保护区多年的植被破坏、水土污染等问题几乎“无所遁形”。

水资源保护问题只是国家生态保护领域的一个缩影。针对十八大以来大力倡导的生态环境建设方针，从数据采集、数据处理到应用服务开发贯穿数字孪生全产业链的服务能力，通过将空间地理信息数据与环保、林业、水利、测绘等各个行业业务数据的整合，借助实景三维建模技术，从而实现对大气质量、水环境质量、土壤环境质量等的实时监测、治理。

3 数字孪生技术在水利工程运行管理中的具体设计

3.1 整体构想

针对单一水利工程，基于所有单元级水利工程数字孪生系统的状态感知、信息交互、实时分析，提高对水利工程运行管理的实时控制、精确掌控和科学决策能力，实现水利工程资源利用效率的提升。水利工程数字孪生系统对各个模块进行统一调度，进而提高各个单元系统间的协作效率，保证水利工程的安全运行，其运行机制如图1所示。

图1 数字孪生系统整体设计

3.2 仿真控制

水利工程数字孪生技术主要分为物理实体和数字孪生体。物理实体提供水利工程的实际运行数据给数字孪生体，进行信息的同频同步；数字孪生体以物理实体的真实状态为基准条件或约束条件进行模拟运行。经验证，决策后的执行方案将会反馈到物理实体的信息化系统中，从而实现运行控制[2]。水利工程数字孪生技术以水利工程实时在线监测系统为其雏形，通过对相应信息的分析决策，使物理实体和数字孪生体相融合，其运行机制如图2 所示。

图2 数字孪生系统运行机制

3.3 水利工程数字孪生系统设计思路

1）数字孪生虚拟体体系方案设计

构建水利工程数字孪生软件系统架构体系和控制体系，明确目标任务，制定水利工程数字孪生体的设计方案，并列出关键技术清单。

2）水利工程数字孪生数据采集与传输设计

明确数据采集对象，建立数据的采集、传输和存储机制，建立水利数据元标准与数据交换格式标准，根据通用标准，制定满足特定业务数据需求的专用标准与规范[3]。

3）水利工程数字孪生模型设计

在获得采集的数据之后，利用数据模型仿真技术对水利工程实体运行进行全方位、多角度建模，实现同频同步[3]。

3.4 水利工程数字孪生系统相关技术

数字孪生在水利工程运行管理的应用中主要包括两个层面的相关技术。数据采集与共享层面主要包括现场工业总线技术、数据采集传感技术、高带宽光纤技术、无线网络技术、工业以太网技术、各级终端云服务器存储技术等。数据建模计算层面主要包括模型集成与融合技术，多物理、多尺度建模技术，模拟仿真技术，数据处理技术，信息接口技术，数据验证与优化技术等。

4 结语

“十四五”以来，我国水利发展已进入新阶段，“智慧水利”成为引领水利发展的核心动力和实现水利现代化的战略支撑。未来，数字孪生流域建设应深入贯彻水利与信息化融合发展理念，构建水利智能应用体系，提高水资源集约安全利用水平，实现水旱灾害防御“四预”功能，解决水与经济社会的协调和绿色发展，形成虚实结合、孪生互动的水利发展新形态，助推“数字中国”国家战略建设。