数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

应用

摘要：“数字孪生”是2002年提出的一个概念，它与系统工程越来越相关，更具体地说，与基于模型的系统工程（MBSE）越来越相关。数字孪生像虚拟原型一样，是物理系统的动态数字表示。然而，与虚拟原型不同的是，数字孪生模型是物理系统（孪生模型）的一个虚拟实例，在物理系统的整个生命周期中，它不断地更新物理系统的性能、维护和健康状态数据。

关键词：数字孪生技术；水利工程；运行管理；应用研究 1水利工程运行管理现状

水利工程运行管理的内容较多，主要包括水库管理、水闸管理、堤防管理、引水工程管理、灌溉工程管理等，不同类型的水利工程，其运行环境和功能互不相同，管理上也都有自己的特点，需要根据外界环境的改变来进行灵活的调度运用。同时，水利工程具有很强的系统性和综合性，一项工程可能兼有防洪、灌溉、航运、发电、城市供水和改善环境等多方面的功能，各部门、各地区、上下游、左右岸之间对水的要求各不相同，彼此往往有利害冲突，因此需要从多方面考虑，建立可靠的水利工程运行管理机制来进行综合决策，促使有限的水资源尽可能地发挥其功能。

随着自动化、物联网和仿真技术的发展，提高了水利工程运行管理的信息化水平。但是与国家信息化发展战略的总体要求相比，与水利事业的实际改革发展需求相比，当前水利工程运行管理水平仍有较大差距，仍然存在许多不足，主要表现在以下方面：①水利信息化基础设施体系不够完善，相关要素信息采集能力不足。②水利数据整合力度不够，相关部门之间的信息资源不对等，信息共享困难，缺乏有序共享的水利信息资源体系。③工程的运行调度大多基于章程、准则或者历史经验，不能够实现资源配置的最优化。

2数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用 2.1对水利工程数字孪生技术的理解

在工业领域，数字孪生技术并不是一种全新的技术，它是系统建模与仿真应用的重要形式，是在物联网技术提供了便捷采集和可靠传输能力、大数据技术提供了海量数据存储分析能力、云计算技术提供了强大的计算能力、人工智能技术提供了强大的推理分析能力的技术背景下，系统建模与仿真应用技术发展的新阶段。数字孪生技术通过数字化的手段构建了一个与物理世界同样的虚拟体，从而实现对物理实体的了解、分析、预测、优化、控制决策。

对于运维阶段的水利工程数字孪生技术来讲，信息化系统提供了工程的运行状态信息，例如闸阀开关状态、气象水情信息、结构应力应变信息、水质信息等，这些信息在一定程度上，反映了真实世界中的水利工程的运行状态。而基于工程建设阶段的设计资料，例如水工建筑物设计图、闸泵站结构设计图，利用经典的水文、水利、水质分析理论，并借助地理信息GIS、建筑信息模型BIM等技术，则可在计算机中搭建物理实体对应的虚拟体。基于虚拟体，可对物理实体的变化规律进行预测，并验证、优选调度运行决策。

2.2全要素、全流程、全业务集成于融合

水利工程运行管理全要素集成与融合，通过物联网、互联网等先进的信息技术，将水利工程中的人、机、物、环境等各种生产要素在信息空间进行全要素重建及数字化映射，在可共享的统一空间进行统一用户管理、统一数据交换，实现了各个要素的互联互通和数据共享。水利工程运行管理全流程的集成与融合，使得水利工程数字孪生体能够对水利工程运行管理过程中的每一个环节进行实时的监测，并且能够依据实时的仿真数据、实时运行数据和历史数据来对水利工程运行管理的过程进行评估、优化及预测等。水利工程运行管理全业务的集成与融合，将涉及水利业务和行政应用全局的水利对象基础数据，以及水利对象空间和业务关系等数据，进行整合，解决跨部门跨业务领域信息的不一致、不完整以及对象关系割裂和标识不统一等问题，提供更完整、更全面的信息共享服务。全要素、

全流程、全业务的集成与融合为水利工程运行管理提供了更加可靠与更高效率的信息服务。

2.3 SoS级水利工程数字孪生系统

SoS级水利工程数字孪生系统是针对某一片流域，由流域内的多个系统级水利工程数字孪生系统组成，通过构建智能服务平台，能够对系统级水利工程数字孪生系统的工作状态进行统一监测、实时分析和集中管控，并具有对多源异构数据的分布式计算和大数据分析能力，对多个组成部分进行协同优化，实现流域全局范围内信息的全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。在水库群的防洪联合调度中，多水库梯级组合构成的水库群，其包含复杂、多样的水文信息，同时不同流域区段、不同的水利工程以及各水库间水力联动形成的非线性关系要求调度需求多样化，这极大增加了汛限水位管理难度。基于SoS级水利工程数字孪生系统构建智能服务平台，在进行防洪调度之前，综合考虑实时的累计降雨量的汇流预报、入库流量的汇流预报等信息，在信息空间中模拟调度过程，尽可能掌握各个水利工程在工作环境中的状态、行为、任务成功率、运行参数、对上下游的影响以及在调度方案中所没有考虑到的问题。可以通过设置虚拟环境中的变量值来模拟在不同情形下流域内水利工程的运行情况，也可以模拟验证不同的故障和意外情况对调度方案执行完整度的影响，最终生成满足调度需求及约束条件的最佳资源配置方案和调度方案。在进行调度的过程中，流域内水利工程的运行情况、水利设施设备状态以及流域内的水情信息等会实时地反映到水利工程数字孪生系统当中，系统再利用数据融合、分布式计算、大数据分析技术，结合实时的防洪库容情况、水库立时水位、雨情等信息，对调度方案进行调整，调整结果以机器指令的形式作用到水利工程中的物理实体，以此反复迭代优化，实现水库群防洪、供水、发电、航运、生态等综合利用调度以及资源配置的优化，最大化流域内水资源的利用率。

2.4模拟、评估、优化、分析、监控和预测水利工程运行管理过程

构建水利工程运行管理数字孪生体系的主要作用之一就是模拟、评估、优化、析、监控和预测水利工程运行管理在现实环境中的一系列行为和过程。在执行任务之前，通过在虚拟环境中模拟水利工程运行管理操作，掌握各个要素的行为、

状态、任务成功率、运行参数等，为后续制定相应的管理计划提供依据。在执行任务的过程中，通过分析实时的运行数据，借助规则模型评估当前管理方式的优劣，并且在这个过程中物理空间和信息空间不断交互、迭代优化，产生优化的信息来对物理实体进行控制。同时通过数字孪生体可以对物理实体进行可视化监控，能够对水利设施设备进行故障诊断、故障定位和健康管理。建立预测模型，利用监测的实时数据、历史数据、经验库、知识库等，通过聚类分析、数据挖掘等数据处理分析技术来对水利工程运行管理中各个业务未来运行情况进行预测，从而能够提取做好预防保障和维护措施。

结语：

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，将带有三维数字模型的信息拓展到整个生命周期中的影像技术，最终实现虚拟与物理数据同步和一致。

参考文献：

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[2]张社荣,姜佩奇,吴正桥.水电工程设计施工一体化精益建造技术研究进展——数字孪生应用模式探索[J].水力发电学报,2021,40(1):1-12.

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