数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

摘要：数字孪生技术作为一种新的数字技术，以物理对象全生命周期为研究对象，利用数字化的手段对物理世界进行模拟和仿真，并实现对物理实体全生命周期运行的监控、预测、控制。本文通过对水利工程运行管理业务的研究分析，探讨了数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用价值，并对其实际应用方向进行了简要说明。

关键词：数字孪生；水利工程；应用方向

引言：

数字孪生技术是指将物理对象通过物联网、虚拟仿真、人工智能等技术手段映射到数字空间，从而对物理对象进行仿真模拟和优化决策的技术。数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用，可以为水利工程管理提供更全面的数据支撑，让水利工程管理更加科学。

一、数字孪生技术简介

数字孪生（Digital Twin）技术是在物理世界中创建一个虚拟的对应实体，通过传感器对物理实体的状态、行为进行实时采集，利用实时数据对物理实体进行分析建模，构建一个完整的数字映射模型。通过对物理实体进行动态监控，及时发现并预警物理实体在运行过程中存在的风险，从而对物理实体的状态进行实时感知、分析、预测和决策。通过数据采集、传输、分析等技术，使虚拟模型与真实系统或环境之间可实时交互和实时响应，实现对物理实体的数字化模拟仿真及运行管理，从而实现虚拟与现实之间的动态映射。数字孪生技术可用于水利工程运行管理中的规划设计、防洪调度、应急抢险等多个环节。

二、应用价值分析

数字孪生技术是利用物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术，在计算机中构建物理实体的虚拟模型，并通过数据驱动的方式实现物理实体的变化，同时，在虚拟模型中对物理实体进行实时模拟与优化，从而达到对物理实体的监测、控制和优化运行。数字孪生技术是一个复杂的系统性工程，需要不断地迭代升级。水利工程建设周期长、投资大，数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用，可以为水利工程运行管理提供可视化决策、科学化管理、智能化调度和协同化决策，进一步提升水利工程建设和运行管理水平[1]。通过构建水利工程全要素数字化模型，打造“数据驱动”的智慧水利，在此基础上构建“数据驱动”的智慧水利基础平台。构建智慧水利体系，促进水利发展由工程管理决策转变，实现“精准调度”和“精细管理”。

三、数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

（一）技术路线

水利工程运行管理业务是一个复杂的系统，需要数字孪生技术来支撑。数字孪生技术主要包含两个部分：一是构建虚拟实体，二是实现虚拟实体的映射与仿真。水利工程运行管理业务的核心就是物理实体，通过构建虚拟实体对物理实体进行映射与仿真，并利用数字化的手段来实现物理实体的监控、预测、控制。物理实体可以是一个设施设备，也可以是一个设施设备的集合，如水利工程中的闸门、水闸、输水建筑物等。在构建虚拟实体时，要考虑物理实体在不同的阶段所处位置、状态等信息，并通过传感器等设备实时监测物理实体的运行状态。另外，还要考虑物理实体所处的不同阶段，如在前期设计阶段时考虑的是设施设备全生命周期管理，在运行阶段则要考虑设施设备管理与运行维护。根据水利工程运行管理业务需求，可分为智慧水工业务与智慧运维业务。其中智慧水工业务主要是指通过传感器、视频监控等方式对水利工程进行实时监控；智慧运营业务是指通过监测设施设备运行状态、获取实时数据等方式对水利工程进行实时监测；智慧运维业务则是通过监控设施设备运行状态，获取运行数据等方式对水利工程进行实时监测。

1.智慧水工业务

智慧水工业务主要包括监控和自动化两个方面。监控系统的主要功能是对水利工程的各种设施设备进行实时监控，如水位、流量、视频等监测信息；自动化系统则是将监控系统中获取的各种信息，经过智能算法分析，以智能化的方式进行处理，从而实现对水利工程的自动化控制。智慧水工业务是基于数字孪生平台的基础，通过构建数字孪生体实现对物理实体的映射与仿真。其中，物理实体主要包括各类设施设备、建筑物等，通过构建数字孪生体可以实现对物理实体运行状态的实时监测。当物理实体发生故障时，平台将发出报警信号，并推送到控制中心和相关人员的手机上，从而实现对物理实体的远程监控与控制。

2.智慧运维业务

智慧运维业务主要包括建筑物运行状态监测、闸门启闭状态监测、设备运行参数监测等。其中建筑物运行状态监测可分为健康状态监测与健康评价，前者是对建筑物的功能、性能进行检测，主要是指对建筑物的材料、结构、设备等进行健康诊断；后者是对建筑物的健康水平进行评价，主要是指通过对建筑物的功能和性能的评估，提供维修意见和运行指导。闸门启闭状态监测可分为启闭特性监测与启闭力检测，前者是对闸门启闭过程中起重要作用的门型、门叶或吊点等参数进行测量；后者则是通过监测闸门启闭力和开度来确定闸门能否满足安全运行要求[2]。设备运行参数监测可分为设备运行状态与设备健康度监测，前者是指通过对设备的工作情况进行实时监测来获取设备运行参数；后者则是通过对设备运行状态与健康度的实时跟踪来获取设备运行参数。如利用传感器获取设备当前的工作状态信息，通过建立数字孪生模型实现对该物理实体工作状态的仿真。通过采集监控数据，形成在线数据与离线数据相结合的方式来分析设备实际运行情况，实现对设备的实时监控。

（二）技术架构设计

数字孪生技术是以信息物理系统（CPS）理论为指导，以感知层、传输层和应用层为框架，通过将物理实体及虚拟对象的数据信息映射到数字空间中，实现对物理实体全生命周期运行的监控、预测、控制。技术架构设计是指在现有系统基础上，对业务需求进行分析、梳理，针对水利行业管理的特点和需求，以数字孪生技术为基础，集成水利行业现有应用系统与物联网、大数据等技术，实现水利行业业务应用的融合与集成。同时对业务流程进行梳理和优化，提升水利行业整体信息化水平。在平台技术架构设计上采用基于3 DS Max的物理建模，通过 BIM模型导入建立模型库和管理模型库。基于W3C标准，实现模型与数据库的数据交换。基于3 DS Max的物理建模为水利行业提供了更加丰富的数据资源和可视化呈现的方式，更好地表达水利对象的特点及物理属性。在基础数据管理上通过 GIS、物联网、大数据等技术对采集到的水利对象信息进行数字化处理。在数据服务方面基于数据仓库、数据挖掘等技术，为用户提供数据服务和增值服务。

在可视化技术方面结合 GIS、三维可视化等技术对水利工程进行三维场景搭建，通过将水利工程运行管理业务进行场景建模和动态仿真，实现对水利工程运行状态的监测、分析和预警。在信息交互方面通过物联网、云计算等技术建立数据之间的关联和共享机制，实现物联网与云计算之间的通信交互，并通过物联网感知层对水利工程运行状态进行感知、识别和分析[3]。在服务支撑方面结合大数据技术提供相关的数据分析服务以及智能决策支持服务。

（三）业务应用方向

根据水利工程运行管理业务的发展方向，结合数字孪生技术，本文提出了基于数字孪生技术的水利工程运行管理应用框架。

1.通过监测系统、控制系统和数据处理系统等，实现对物理实体的实时监控和运行状态的全面监测，并对物理实体进行数字孪生仿真；

2.通过构建水工程虚拟模型、搭建水利仿真平台和设计数字孪生体，实现对物理实体全生命周期运行的监控、预测和控制；

3.基于数字孪生模型，通过对物理实体运行数据进行分析与建模，构建水利数据仓库，利用数据仓库进行智能分析与挖掘，实现对物理实体全生命周期运行的优化与控制；

4.基于数字孪生模型和智能分析结果，结合优化结果进行水利工程运行管理。

四、结束语

综上所述，数字孪生技术是当前及未来一段时间内的重点研究方向之一，在水利工程运行管理中的应用前景广阔。随着人工智能、物联网、大数据等信息技术的发展，数字孪生技术将被广泛应用于水利行业，尤其是在水利信息化建设中发挥重要作用。同时，还应加强水利行业对数字孪生技术研究和应用的重视程度，明确数字孪生技术在水利工程运行管理中应用的关键问题和发展趋势。

参考文献：

[1]申振,姜爽,聂麟童. 数字孪生技术在水利工程运行管理中的分析与探索[J]. 东北水利水电,2022,40(08):62-65.

[2]蔡健. 数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用研究[J]. 长江技术经济,2022,6(S1):245-247.

[3]霍建伟,李永胜,张军珲,陈见长,郭冬冬. 数字孪生技术在引调水工程运行管理中的应用[J]. 小水电,2021,(05):15-17.