水利工程数字孪生技术研究与探索 

引言

        随着物联网、大数据、5G、数字孪生等技术的发展和无人机等硬件的成熟应用，如何充分利用新技术，推进水利工程运行管理的数字化、智能化水平，已经成为当前水利工程信息化研究的热点。数字孪生作为实现物理世界和虚拟世界数据实时交互、融合的一种有效方法，得到了广泛的关注和重视。借助数字孪生技术，对数字孪生和水利工程运行管理进行理论融合分析，构建水利工程运行管理数字孪生系统，能够增强水利工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科学决策能力和精准执行能力，大幅提高水利工程的智能化运行管理水平。

        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、水利工程运行管理现状

        水利工程运行管理涉及业务领域较多，工作内容比较复杂，包括工程运行监视、工程巡检、工程安全监测、水量调度管理、设施设备运维等，各项工作都有很强的系统性和综合性。“十三五”期间，重大水利工程的建设全面提速，扩大了水利信息化范围，完善了相关业务的应用，显著提升了水利工程信息化、智能化水平。

       但是和国家信息化发展战略的总体要求及水利改革发展需求相比，当前水利工程运行管理信息化、智能化水平仍存在一些差距和不足，主要表现在以下方面。一是由于环境、交通、网络、资金等问题，水利工程基础数据自动化采集设施不够完善，一些基础数据的采集还需要依赖人工作业。二是水利工程各业务相关部门存在严重的数据资源不对等现象，各业务领域数据存在大量的信息孤岛，无法充分利用大数据、人工智能等技术进行数据整合、分析和优化、辅助决策。

        3、水利工程数字孪生技术的应用
        3.1完善流域江河湖泊和水工程监控体系

        一是完善江河湖泊感知体系建设。水文水资源信息是实现流域数字映射的基础信息，涉及水量、水位、流量、水质、泥沙、降雨量等信息。应优化行政区界断面、取退水口、地下水、生态用水(含地下水)等监测站网布局，实现全要素的实时在线监测，提升信息捕捉和感知能力;要通过高分辨率航天、航空遥感技术和地面水文监测技术的有机结合，推进建立流域洪水“空天地”一体化监测系统，提高流域洪水监测体系的覆盖度、密度和精度;要优化山洪灾害监测站网布局，将雷达纳入雨量常规监测范畴;要确保该监测的断面均纳入监测范围，需要视频监测的部位部署视频监测设施;要提高采集信息源数据的准确度，摸清水资源取、供、输、用、排等各环节的底数。

       二是完善水利工程设施感知体系建设。水利工程信息是流域数字映射的重要内容，涉及水库(含水电站)、泵站、水闸、堤防、灌区、蓄滞洪区等各类水利工程。针对流域内的水利工程，利用视频、监测设施、BIM等技术，实现水工程建设全过程数据采集和管理;完善流域内水利工程建筑物、机电设备运行工况在线监测。对于新建、改扩建和除险加固工程，要从前期工作和设计阶段加强自动化监控设施和智慧管理系统设计，确保自动化监控经费，为实现数据采集打下较好基础。

        3.2加强新技术应用提升监测技术水平

        一是加强3S智能感知技术手段应用。使用卫星、雷达等遥感监测手段实现大尺度的动态监测预警;运用智能视频监控，通过图像智能分析，实现自动识别、智能监视与自动预警;根据监测感知需要使用无人机、无人船、机器人等监测手段;根据网络传输需要推进5G、物联网等新技术应用。

       二是创新监测设施设计。针对“一杆通”等新型监测设施，要加大试点推广力度，推动监测设施改革创新。

        3.3其他“N”个业务系统

        按照流域管理相关职责和水利高质量发展的新要求，应充分应用新信息技术手且处于绝对位置的“控制点+定位轴网”建模基准，各单位工程依据该建模基准进行建模。该建模基准的优点有:①便于各专业协同建模;②对于水电站中的管廊结构，使用“控制点+定位轴网”的建模基准可以大大提升建模的精确度和速度;③总装无需再次修改各单位工程的相对位置和绝对位置，提高总装效率。

       而对于在建水电站，由于其设计阶段和施工阶段的BIM模型绝对位置和相对位置存在变动的可能性，因此该建模基准并不适用，需要进行更深入的研究。

        3.4打造水利工程的数字孪生体

        对流域重要的水库、堤防、蓄滞洪区、水闸、泵站等水利工程运用BIM+GIS、数字孪生技术建立数字映像，并接入实时监测设备，能够对重点工程对象实现实时监控。通过打造水利工程数字孪生体，实现重要数据的精准映射，实现三维场景的仿真模拟，辅助以无人机倾斜摄影等技术能够进一步提升数字孪生体更加逼真。

        3.5水调统一调度管理系统

        南水北调东线一期工程山东段水量调度系统利用“数字孪生”技术建立了二三维一体模拟仿真平台，在计算机中建立一个与现实引调水工程相对应的数字模拟体。同时，结合工程特点，利用渠池蓄量平衡原理自主研发了“同步控制自适应平衡”调度控制模型，实现水量调度方案及实时调度过程相关要素的仿真模拟，有效提高了水量调度决策的科学化、精细化水平。

        结束语
       
在目前已经探索的应用场景中，数字孪生技术能为泵站的恒水位控制提供调参依据，数字孪生技术的应用也标志着
“
信息水利
”
向
“
智慧水利
”
迈出了关键一步。在大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术蓬勃发展的背景下，水利工程数字孪生技术必将引领水利工程运行管理进入更加智慧的新阶段。