数字孪生技术在引洮供水工程中的应用

曹文杰，许 健

(甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

当前社会经济稳定高速发展对水资源保障提出了更高的要求，水利事业需要从信息化向智慧化转变[1]，而引调水工程作为水利行业的关键组成部分，对其智慧化建设的研究也备受关注。数字孪生技术作为解决“信息水利”向“智慧水利”跨越过程中科学决策问题的重要手段，是我国水利工程智慧化发展的重要动力[2]。该技术通过为物理实体构建数字虚体，运用其虚实交互、以虚控实等特点，推进物理场景与虚拟场景的融合[3]，解决传统水利工程中信息不对称、决策依赖经验、管理方式繁杂等关键问题。因此，数字孪生技术能够为新阶段水利行业提供强力驱动和有力支撑。

对于数字孪生水利建设，诸多学者们进行了大量研究，刘国庆等人基于江苏省河流水系特点和水利管理工作实际需求提出江苏省数字水网建设思路[4]，王育杰等人基于三门峡水利枢纽情况提出数字孪生三门峡水利枢纽设计研究[5]，胡斯曼等人基于数字孪生技术城市水管理框架开发城市水管理应用[6]，黄喜峰等人面向山洪小流域“四预”的建设要求提出构建数字孪生山洪小流域数据底板的关键技术及方法[7]。以上都是针对水利建设提出与数字孪生相结合的方法，本文将根据引洮供水工程情况提出数字孪生引洮工程的建设方案。

引洮供水工程作为我国“人民治水，百年功绩”治水工程项目之一，总供水人口超过600万，是一项解决水资源短缺问题的跨区域调水工程。该工程从洮河流域向定西、会宁等地区调水，为这些极度缺水的地区的人民提供生活用水、工业供水、畜牧、农业灌溉用水以及生态环境用水，对于当地的经济社会发展具有重大意义。本文探究数字孪生技术与传统引洮供水工程结合，对引洮供水工程数字化建模和可视化分析，构建数据底板、知识库、模型平台等，最终建成数字孪生平台，支持工程完成数字化模拟、智慧化运维和精准化决策功能，建设起具有工程安全检测、决策可视化和“四预”功能的数字孪生智慧引洮工程。

1 引洮供水工程已有信息化基础

在数字孪生建设中，物理实体的属性数据是构建虚拟体的基础。数据的采集、传输、处理需要完善的全域感知设施、通信网络设施和智能计算设施，引洮供水工程在经过一期、二期的信息化建设后，已经建设完成了十二大系统的构建[8]，如图1所示，并且在此基础上建设全域监控监测、在一定程度上具备了建设数字孪生的基础。

图1 引洮供水工程信息化系统

1.1 全域感知设施

全域感知设施承载着数据采集的功能，在关键节点设置水位计、水质监测仪、压力传感器等设备，对供水过程中水资源的水位、流量、水质、压力进行采集，完成引洮供水工程的水情监控、水质检测。工程建设过程中采用统一的监控设备，在水库、泵站、大坝、闸阀门、水源地监测等关键位置布设高清摄像头，汇聚为统一的监测汇集平台，完成工程安全监测、视频图像采集和闸、阀门监测。

1.2 通信网络设施

网络通信系统承载着数据传输的功能，为工程勘测，现场施工、后期运营提供数据感知和交互支持[9]。引洮供水工程在建设过程中根据实地情况，考虑到了安全性和稳定性，采用控制专网、业务内网和业务外网等多种融合通信方式[10]，在网络安全的体系下构建了信息通信网络平台，通过该平台实现监测数据、运行数据的传输以及工程建设单位以及管理单位之间的信息交互。

1.3 智能计算设施

智能计算设施服务于数据引擎，针对数据采集、挖掘、服务以及可视化模拟仿真引擎的数据资源管理平台建设，是数据计算分析的硬件基础。在此基础上，构建虚拟仿真平台，对引洮供水工程数据资源、水利数据资源、计算资源进行整合，提高资源利用率。建设完善的本地备份系统，根据业务建设异地备份，最大程度保障数据的安全性。

2 距离数字孪生要求的差距

对照水利部印发的《数字孪生流域建设技术大纲》，根据数字孪生工程模块建设要求，在对于引洮供水工程数字孪生建设过程中[11]，数字孪具体应用场景在工程管网水系、隧洞、干支渠系等各类要素的动态和实时数字化，实现渠道物理流场水面、水位、流量一体化感知孪生等。虽然引洮供水工程信息化建设已经具备了一定的基础，但仍需要进一步改进和完善，以适应数字孪生平台的要求。具体来说，引洮供水工程信息化建设中以下需要改进。

(1)数据处理的效率和智能化程度不够。数字孪生平台需要处理大量数据，并需要进行实时分析和预测，对数据处理效率和智能化程度要求较高。引洮供水工程现有的数据处理系统难以满足数字孪生平台的要求。

(2)信息共享和协同工作机制有待完善。数字孪生平台需要实现信息的共享和协同工作，要求不同部门和单位之间的信息交流和协作更加紧密，引洮供水工程现有的信息共享和协同工作机制还需要进一步完善和提升，。

(3)缺乏数字化场景的构建和优化。数字孪生平台需要构建现实工程的各个数字化场景，并应用于物理世界，以适应不同的应用场景和需求。对照数字孪生工程建设要求，引洮供水工程的业务应用与可视化结合不高，需要加强数字化场景的构建和优化。

3 数字孪生建设方案

数字孪生引洮供水工程服务于项目的建设和运营期，配套引洮一期、二期的信息化建设，统筹考虑规范整体，从水务信息化、可视化、智慧化的整体视角、以引洮供水需求为主体，配套水利部的建设要求，建设稳定性、可靠性、准确性、实时性数字孪生系统。引洮供水工程数字孪生系统架构[12]如图2所示。

图2 系统架构

3.1 数据底板

数据底板的构建是引洮供水工程物理实体与虚拟体交互映射的基础，数据底板包括引洮工程水库、渠道、隧道、大坝、河流等相应对象的基础数据、监测数据、业务管理数据以及共享数据[13]、涵盖引洮供水工程的全过程和全周期。建设数据底板对已有数据资源体系进行梳理，梳理数据底板建设需求，计算对象标准定义节点编码、节点编码、节点名称、节点类型等特有的特征值、参数曲线、模型参数对应的数据字段[14]，根据不同的数据类型采用不同级别的数据建设指标，对数据来源和生产感知检测以及部门共享的数据进行分类。按照一数一源的接入标准将数据汇集在原始数据库。原始数据按照行业标准进行处理，提高数据一致性、完整性。通过数据质检、数据融合、数据美化后进行存储，根据不同数据类型选择不同存储方式。以数据的安全性和规范性作为标准，建设数据底板，满足数字孪生平台的准确性和实时

3.2 孪生引擎

数字孪生引擎包括数据引擎、知识引擎、仿真模拟引擎[17]，满足数据加载、模型计算、实时渲染以及大容量、低时延、高性能的要求。为引洮供水工程提供实时监测、预测分析和智能优化等功能。

(1)数据引擎。数据引擎的工作主要是对数据进行清洗、存储、优化[15]，对引洮供水工程运行过程中采集到的水利数据和监控数据进行统一编码，使数据格式化和规范化。

(2)知识引擎。知识引擎是帮助工程工作管理人员准确化决策的基础，对知识资源进行整合、理解、分析、推理和存储，使系统可以模拟人类的思维方式。知识引擎通过对知识资源的理解和推理来处理相关的数据。知识引擎的优越性决定着整个系统的智能化和精准化的水平。

(3)仿真模拟引擎。仿真模拟引擎建设引洮供水工程的虚拟化场景，为数据底板提供数据加载、场景管理、仿真建模、空间分析、仿真计算、三维渲染、特效处理、模型轻量化等服务能力[15]，实现从水源到目标的全流程模拟。提供模型版本管理、参数配置、组合装配、加载调用、计算跟踪、训练优化、模型迭代等服务能力[13]，实现面向不同业务、不同场景、不同目标模型灵活配置和调用。

3.3 模型平台

引洮供水工程模型平台中包括水利专业模型、智能识别模型、可视化模型[16]。

(1)水利专业模型。数字孪生引洮供水工程建设需要的水利专业模型包括水资源调度模型、水资源配置模型、工程安全检测预警模型等专业水力模型，满足水资源“四预”的业务应用体系和应急调度的要求，保障引洮供水工程安全运行。

(2)智能识别模型。智能识别模型主要依托视频监测体系，利用已有的视频监测，应用机器学习等方法补充AI智能识别，遥感识别、人脸识别和音频识别等功能。对设施运行、安全隐患、水环境和闸门调度进行监测。

(3)可视化模型。可视化模型可分为静态可视化模型、动态可视化模型和AR仿真模型。依托数据底板中地理空间数据、监测数据和水利专业模型，集成BIM模型，利用图表、地图、图形和动画、视频、虚拟现实等方式[11]，对引洮供水工程的数据进行静态展示和分析以及供水工程全段动态的的仿真模拟和演示。

3.4 知识库

知识库在共享水利部等水利相关的知识库的基础上，包括工程安全知识库、业务规则库和工程预报调度方案库[18]。

(1)工程安全知识库。工程安全知识库对引洮供水工程施工隐患、安全防范、隐患事故案例、事件处置案例、工程专项检查、专家经验、相关规范标准、技术标准等工程安全知识汇聚存储。涵盖安全标准、规范、法规等基础知识以及工程安全检测、评估、监测、预警等方法和技术知识，保障工程安全可靠的进展维护。

(2)业务规则库。业务规则库包括引洮供水工程施工规范、机械操作规范、供水安全监测规程、工程安全检测、工程安全检测规程，涵盖施工、运行、维护全规程，并不断进行更新迭代。

(3)工程预报调度方案库。工程预报调度方案库包含对引洮供水工程的风险评估、预警指标、阈值和响应措施，包括工程安全预案、工程调度预案、紧急供水预案等预报调度预案，随着工程的进行，方案库不断的修正更改。

4 数字孪生关键技术

4.1 数据采集技术

对于数字孪生引洮供水工程来讲，大量的实时数据是非常重要的，可以迅速准确建立模型并进行实时监测。因此，数据采集技术尤为重要。各种物理实体的物理量、环境参数和设备状态可以通过传感、定位、遥感、监督技术形成空天地一体化监测手段来收集传输，传输到数字孪生系统进行分析和建模。

4.2 仿真建模技术

数字孪生的核心是建立物理实体的虚拟映射。仿真与建模技术用于描述实体的物理特性、行为规律和交互关系。它可以基于物理原理、数学模型和统计算法，构建精确的模型，以实现对实体的仿真、预测和优化。

4.3 大数据分析与机器学习

引洮供水工程建设和运行期间会差生巨量的数据，大数据分析和机器学习技术会为数字孪生平台提供处理复杂数据的能力，从数据中学习和推断出系统的行为和性能，从而发现模式、提取特征和优化决策。

4.4 边缘计算与云计算

大量实时的数据是数字孪生的基础，对这些数据的复杂的计算和模拟需要高性能的计算资源。边缘计算和云计算技术提供了高性能的计算资源和存储能力，使得数字孪生系统可以在本地边缘设备或云平台上进行大规模的计算和分析。

4.5 可视化与交互技术

数字孪生引洮供水工程数据经过处理的结果需要以直观、清晰的方式展现给工程人员和管理者。可视化技术在此发挥了关键作用，它可以将数字模型、仿真结果和原始数据转化为直观的图形或图像，并允许用户通过交互的方式进行深入的分析。这种呈现方式能够帮助用户更好地理解工程的运行状态和各项参数的变化趋势，以可视化的方式展现给工作人员，可以更好地理解和决策。

4.6 数据安全技术

数字孪生引洮供水工程中收集处理的数据存在重要的不可扩散的水利数据，安全性和准确性是至关重要的，需要保证数据不被扩散以及被随意修改，因此数据加密、身份核验、权限控制、网络安全等安全技术尤为重要，可以保护数字孪生系统的数据和模型免受未经授权的访问和滥用。

5 数字孪生业务应用

业务应用是管理人员与数字孪生引洮供水工程的人机交互层，根据引洮供水工程的业务需求提供面向管理人员的各种业务应用。数字孪生引洮供水工程的业务应用包括工程安全监测系统、决策可视化系统、水资源“四预”系统。

5.1 工程安全监测系统

工程管理监测系统是对工程建设和运行期间的安全问题检测、评估、预警，匹配工程安全数据库，对引洮供水工程主体建设的大坝、闸门、隧道、水库的等设施的变形、渗流、应力应变持续监测，对安全风险提前预报，隐患事故提前处置。

5.2 决策可视化系统

决策可视化系统是利用测绘结果、地理信息数据、感知数据和虚拟现实技术对引洮供水工程现实场景的数字场景展示，通过图层管理、地图标绘、图片输出、图表展示等常见的手段对引洮供水工程的模型计算结果和工程安全各项关键指标进行可视化输出，便于管理人员迅速了解情况，找到工程安全、水资源调度中的安全隐患，为方案评估。

5.3 水资源“四预”系统

在数字孪生仿真平台的基础上，使用渠系退水水动力模型及仿真模拟模型模型，为供水过程中的仿真模拟提供细化、量化、动态、直观的计算分析[16]，实现引洮供水水资源“四预”功能。水资源“四预”系统主要包括水资源预测预报、水资源预警、水资源预演、水资源预案和水资源监督管理等模块[15]。

6 结语

引洮供水工程作为甘肃省重大水利项目，供水受益人口超过600万、灌溉面积近50万hm2，为甘肃六分之一人口解决饮水困难问题。数字孪生引洮供水工程的建设运行的过程中，围绕着工程的业务应用需求，通过构建数字孪生全域感知体系，数据底板、知识平台、运行中枢、孪生体系实现工程的全域全周期管控。全方位辅助工程施工、调水、工程运行，建立“四预”体系。降低分配水设施耗能60%以上，水资源利用率提高20%以上，降低管理成本40%以上[19]，解决管理点众多、运行管理工程量大难度高等问题，更好的解决了甘肃的用水供水问题。

数字孪生引洮供水工程建设是甘肃省智慧水利建设的重要一环，是贯彻落实水利信息化智慧化发展的重要举措。目前数字孪生引洮供水工程建成后需要与上层部门充分对接，共享数据，提高安全性。同时对于数字孪生建设中的数字底板、水利知识平台、数字孪生引擎的建设仍需继续完善，补充模型库、完善知识平台，提高数据处理、数据服务的能力，数字孪生水利建设在未来的水利发展中一定会发挥出更大的作用。