数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

2023-10-18孙伟

山西水利 2023年5期

孙伟

（南京瑞迪水利信息科技有限公司，江苏南京 210000）

目前中国的水利事业已从水利工业化时期转向水利全面发展时期，且稳增长、保民生等功能日益凸显，发展也将逐渐步入加速期。“智慧水利”是利用信息技术将传统水利工程改造为现代水利工程的重要手段，是我国水利工程跨越发展的重要动力。数字孪生技术可以通过数字化模型将多个物理实体进行关联仿真计算，进而实现对实体在不同场景下运行状态的模拟以及物理实体之间存在的潜在关系、信息交互等过程进行仿真模拟。将数字孪生技术应用到水利工程管理中既可以实现水利工程全生命周期内运行状态的实时监测和可视化展示，又能够让工作人员及时掌握水利工程运行情况，提高工作效率并降低成本风险。

1 数字孪生技术在水利事业的应用现状

1.1 水利事业信息化进程

在信息化的推动下，传统水文、水资源、水质等理论与数字化、水利信息化的有机结合，是水利工程项目施工、管理、运行的分析决策依据，也是“信息水利”走向“智慧水利”的基础。通过对水利信息化，再从“信息水利”逐渐系统地升级到“智慧水利”，是着力构建安全、绿色、经济的水利体系，加速水利行业管理模式转型，推动水利信息化发展的必然途径。

数字孪生技术作为一种新技术，是将虚拟世界与现实世界进行映射的一种计算机模拟仿真平台。随着水利行业信息化建设的不断发展，以及大数据、物联网、人工智能等新技术的发展与运用，数字孪生技术在我国水利工程领域的应用已日趋成熟，并取得了良好效果。

1.2 问题与发展趋势

从数字化程度来看，水利工程运行管理信息化水平较低，目前仍以人工管理为主；从数据精度来看，由于数据采集成本高、时效性差等原因，致使数据无法全面反映工程现状和真实状态；从应用领域来看，传统水利工程管理还存在不能及时发现工程运行中存在问题的情况；从运行管理对象来看，各流域、各区域间水利工程之间缺乏有效互联互通；从应用场景来看，当前数字化平台建设相对单一和数字化程度较低，使得应用场景较为单一[1]。

从行业应用方面来看，当前数字孪生技术在水利领域的应用主要集中在水利工程运行监测及防汛指挥等方面。随着云计算、大数据、人工智能等新技术的发展以及水利信息化建设的不断深入，数字孪生正逐步拓展到包括城市供水管网监测、水库大坝防洪调度等领域。

从发展趋势方面看，目前水利部门还缺乏成熟且全面的数字化管理手段和应用系统，对数字化转型升级较为迟缓；其次是与孪生水利关联的数字孪生技术在其他行业领域中的应用前景尚不明朗，尤其在智慧城市领域应用相对较少。

结合我国水利行业的现状总结出以下几点结论：一是数字孪生技术目前还在不断完善和发展中，但已具备在水利行业应用推广的成熟条件；二是现阶段我国数字孪生技术与国外相比存在一定差距，需加强相关研发工作；三是我国水利建设发展速度较快，但水利行业数字化转型进程略显滞后，仍需加快建设。未来随着大数据、物联网、人工智能等新技术的不断发展，并融入水利行业管理中，进行业务改造和升级时，数字孪生技术将被更多地应用于水利领域。

2 数字孪生水利的应用层级

2.1 数字孪生

深入调查了解水利工程管理、信息化建设情况，从项目概况、业务管理、应用系统使用等入手，剖析系统需求和发展方向，厘清应用系统的重点和应用技术重难点。基于业务需要和发展动向的全面调查，用“一张图”构建基础资料、水雨情、预报调度、安全监控、视频监控、闸门监控、综合管理、系统管理等业务流程、指标体系和运行体系。

运用规范化、模块化、可视化、智能化的开发思想，构建一个水利管理的系统架构，通过绘图化的方法，结合特定工程的实际要求，利用可视化的方法，对模块化构件进行组装，以降低开发过程中的人力成本，提高系统的开发效率，达到低成本、低维护、高效率、大规模应用的目的，使平台能够实现空间数据、BIM 模型数据、业务数据、物联感知数据、多媒体数据等多种数据的无缝整合，并能实现与实时数据的实时交互[2]。

2.2 自适应数字孪生

对水利工程安全运行状况进行实时监测并及时预警，是保障水利工程安全运行的关键。为保障水利工程科学高效和安全运营管理，针对工程运维和管理存在的缺陷，提出基于自适应数字孪生技术的水利工程运行管理的应用场景。利用多源地理信息数据融合与智能分析预测，实现水库实时监测、水位预报预警、大坝运行状态及异常现象监测与预警等功能；结合智能化仿真计算技术构建多源异构水利信息融合模型、基于多源地理信息数据的自适应数字孪生感知能力模型，并在不同尺度下，通过实时监测水库和模拟水位等动态变化过程，分析水库健康状态；在多源异构水利信息融合算法方面进行了创新。

3 数字孪生水利技术应用

3.1 数字孪生水利技术思路

3.1.1 整体构想

数字孪生水利的组织建设方法：（1）组织建模，建立DTO 的首要步骤是建立一个精确、完整的组织结构，即组织模型。EA 是构建DTO 组织模型的重要工具，能够为用户构建稳固和弹性的架构及新的DTO 元素。模型能够通过接口接收和输出外界信息，是数据的输入、输出通道。另外不是所有的企业财产或者它们的全部特性都能建模，组织业务和资产的信息化和数字化能够促进DTO 业务范围的扩大。（2）操作资料的输入，建立DTO 的第2 个步骤是向组织模型中导入有关业务的数据资料，并对导入的实物资料进行数字解析，以便获得更多有关该机构的资讯，完成项目的预期和重点区域的投入。重点是模型和资料要对齐，把收集到的资料转化成符合模型的数字信息。业务资料导入到一个机构的模式后，将同步影射一个企业的实际运作情况。（3）商业发掘，是为了深度挖掘企业所面临的问题。在营运资料导入数字模型后，可以透过经营绩效的剖析与挖掘，比较与现实的差异，找出现存问题，进而自动地找出真正的经营绩效与KPI，并对其产生的影响因素进行剖析。（4）建模和模拟，根据所发现的问题，提出相应的模型优化方法，并进行深度模拟。DTO 将利用模拟技术帮助管理单位更具弹性地响应变革，从而获得更长久的运营发展[3]。

平台逻辑及功能架构：系统将水利专业模型、计算机业务流技术、可视化建设技术等进行相融合，实现了对工程建设的现实问题进行实时映射和构建，并构建了一套具有可维护性的运行流程。系统的整体功能包括：业务对象配置、业务模式配置、业务方案配置、业务应用配置、驱动配置执行分析和智能装配等，每一种功能都涵盖了一种水利服务的基础设施，它可以根据不同的应用场景、不同的应用环节和不同的领域做出动态反应，并根据需要迅速建立相应的应用程序。（1）水利行业对象的分配和水利经营模型的设置，为相应业务的水利对象、计算模型等进行了范例登记和管理，为复杂的工程建设奠定了基本要素。（2）水利工程项目规划，针对客户在工程项目中所遇到的问题进行计算和解析，利用可视性接口，设定问题的对象、模型、水利拓扑、计算关系等，与建设水利模型计算的操作指南相一致。（3）水利服务的应用结构，为服务于应用和互动显示接口的使用者，以可视和图形的形式，设计和显示所需要接口的版面和显示。（4）水利设施分析与智能装配服务，是基于以上的配置服务，对结构描述进行智能化分析，装配基本要素，实现对实际应用功能示例的自动分发，最后呈现的服务正是提供用户使用的应用操作接口以及实际业务运行流程[4]。

3.1.2 仿真控制

水利数字孪生技术可划分为实物和孪生两大类。物理本体将水利设施的实际操作资料传递到数字双胞胎中，实现了信号的同频同步，该模型是基于实际对象的实际状况作为参考或限制。经过检验，最终的决策结果将被回馈到实际的数据管理体系中，以达到操作的目的。水利数字孪生技术是以水利项目的实时在线监控为基础，利用相关的数据进行分析和判断，实现对实物与数据的结合。

数字孪生系统运行机制：物理实体信息采集、数据传输分析整理、数字虚拟体信息同步、科学算法优化决策、数字虚拟体同步仿真、数字信息反馈于物理实体。

3.2 水利孪生技术应用机制

3.2.1 单元级水利工程数字孪生系统

单元级工程数字孪生系统，通过将数据、模型、算法与物理实体建立映射关系，利用数字孪生体提供的可视化能力，将建筑物和水利工程从过去的二维空间模型转化为三维实体，解决了传统水利工程存在的信息复杂问题，可实现在数字孪生体上，对水利建设进行决策管理和可视化操作。

该系统可应用于单元级水利工程，如河道治理、农村水闸工程、水库大坝等单元工程。通过在模型上增加传感器的数据采集功能，对现场情况进行实时监测反馈信息，提高对突发情况的应急处理能力。采用新一代AI 算法模型和大数据引擎技术，实现智能预测及预警功能。通过提前感知水库、河道中危险因子的发生概率，生成报警规则或预警策略；实现对河道中水位变化趋势分析功能，为工程决策提供依据；实现对水库水位实时监控及相关数据异常检测等功能。将水利单元与数字孪生体结合，形成单元级水利工程数字孪生系统，可对单元河道、水库坝体进行可视化模拟仿真计算，实时反映水位变化情况，并预测未来水位值；可将模型与物理实体映射关系进行实时交互操作，完成数字化模型与物理实体的数据双向传递工作[5]。

3.2.2 系统级水利工程数字孪生系统

系统级水利工程的数字孪生系统，通过对水利工程的运行管理、监测监控、防洪排涝等进行可视化呈现，实现对水利工程的动态全生命周期过程进行可视化分析、预测与预警，提升水利工程运行管理与风险管控水平。数字化系统级的水利数字孪生系统通过整合水文气象、生态环境等相关数据资源，建立基于GIS技术与物联网技术相结合的综合智慧水利平台，实现工程实体与数字孪生体间的双向互动融合；通过对水利工程运行管理过程中海量数据进行采集、存储和分析，实时监测水利工程各子系统运行状况，实现对整个水利工程运行状态精准监控。

在系统级的水利数字孪生中，通过对工程建设全生命周期的数据信息采集积累和分析，实现全生命周期的可视化呈现等功能。系统级的水利数字孪生系统是综合运用计算机视觉、人工智能、物联网和大数据等前沿技术构建的新型水利基础设施。在数字孪生基础上实现水利各业务应用场景（包括工程建设项目、水资源管理与调度、流域治理与防洪能力提升等），实现对传统业务和管理模式的数字化转型，同时利用物联网技术实现对整个水利基础设施进行实时感知和监测，并对各节点采集到的信息数据进行统一存储分类管理。

3.2.3 SOS 级水利工程数字孪生系统

在物联网的加持下，水利行业数字化升级，实现了水利工程的可视化、自动化及智能化。但目前水利行业还没有一套成熟的SOS 级水利工程数字孪生系统，该系统不仅要满足基础设施的可视化、自动化及智能化需求，还需要具有“全局观”的能力。

SOS 级水利数字孪生系统采用“云+边+端”架构模式，由云平台（数据中台）、边数据平台（业务中台）以及应用引擎组成。其中，应用引擎作为数据层与应用层的中间桥梁，负责将所有数据在多个业务模块之间进行转换与映射。云上是一个以数据为中心的计算资源和存储资源池，通过提供弹性计算能力支持云平台完成对不同场景下数据的灵活定义和使用；边数据平台实现海量数据处理和分析；应用引擎则是将水利行业中所有系统、设备以及相关业务中所产生的规则、模型库等内容通过统一标准进行集成。“云端+边”架构既能满足未来大型水利工程对海量数据处理与分析需求，也能充分发挥系统在灵活部署、弹性扩展上的优势，为客户提供高性价比、高效率的服务。

目前在水利行业中运用SOS 级水利数字孪生系统有2 种类型：一种是基于“云+边”架构的水利孪生系统，另一种是基于“云+端”架构的“云+端”模式云环境下，将应用平台与应用引擎进行解耦，通过云计算和大数据提供计算能力与存储能力等资源，而在终端方面采用AI、5G 等新兴技术。

该系列水利数字孪生系统具备完整地构建面向水利行业数字化升级所需的SOS 数字孪生应用场景所需要的底层能力，可以支持不同场景下多个需求。

3.3 水利数字孪生技术应用方案

在水利水电系统的运行中，运用了计算机、通信、感知和控制等技术，通过对物理实体的物理行为、几何、规则等进行实时的互动和动态连接，从而达到实时分析、状态感知、决策和实施的管理目的。以下是具体内容：

（1）数据感知。利用水位仪、传感器、影像设备、气象站和温度计等手段来采集基本的水利资料，包括建筑物维护资料、水文气象资料、影响监测资料。建筑结构的应力变量、建筑模型数据是建筑的结构应力数据；水文天气资料指的是雨量、水质要素、水位、湿度、风速等；环境、河道水位、人为因素等都是对环境影响的进行监控。利用预先设定的采集数据装置和传感器，快速、准确地进行决策分析，并可以获取最新的实时信息，实现了与现实的交互联系。

（2）数据传输。利用云存储技术、互联网技术和物联网技术，把感知数据存储在数据库中，常见的数据库包括MySQL、SQL、Oracle 等。

（3）模拟、评估、优化、分析、监控和预测水利工程运行管理过程。建设水利项目运营管理的数字孪生体系，其核心功能就是对实际情况下的一组操作和过程进行模拟、评价、优化、分析、监测和预测。在实施任务前，对水利项目运行进行仿真，以了解项目运行过程中各项要素的行为、状态、任务成功率、运行参数等，从而为以后的项目实施规划奠定基础。