数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

　　摘要：随着我国科学技术的快速发展，数字经济代表着我国未来经济的发展方向，是经济增长的核心要素与企业竞争的关键领域。数字孪生技术在当前水利工程运行管理中发挥着重要作用，它成为当前水利工程的研究热点，初步探索数字孪生技术在水利工程运行中的全程监视和统一调度管理，以保证水利工程的智能运行。

　　引言：

　　数字孪生概念最早源于2003年密歇根大学的迈克尔·格里夫教授在产品生命周期管理课程上提出的“等同于物理产品的虚拟数字化表达思想[1]。”这些年来，随着大数据，物联网技术的快速发展，借助新一代信息技术，推动水利资源系统配置，开发水利信息共享平台，促进我国网技术与水利业务的有效融合，是我国提出的水利信息化发展的“十三五”规划总目标之一，在水利工程运行管理中，采用数字孪生技术分析水利工程运行中存在的不足，针对实际的运行情况以及环境变化情况，对运行方案做出及时调整，有效协调水利活动，实现水利工程的智能运行。

　　一、水利工程运行管理现状

　　水利工程运行管理的内容较为复杂，主要包括水闸管理、饮水工程管理、堤防管理、水库管理、灌溉工程管理等不同类型的水利工程，水利工程的多样化导致其运行功能各不相同，管理上也都有自己的特点，这就需要根据外界环境的变化来自行调节水利工程调度运用[2]。一方面，水利工程运行有很强的综合性，一项工程可能兼顾很多方面的内容，如防洪、航运、城市供水和改善环境等多方面的功能，另一方面，各个地区上下游之间对水的要求也不尽相同，彼此之间往往有利害冲突；因此，就需要从多方面考虑，建立可靠有效的水利工程管理机制来进行综合管理，保证水资源能够发挥其应有的功效，获得最大的效益。信息化水平的不断提高，也为水利工程运行开辟了新的道路，在技术快速发展的当今社会，水利工程的全面提速有利于扩大水利信息的范围，完善水利信息相关业务的应用，使水利工程进入了一个全新的阶段，但是水利工程的发展需求与实际运转还存在较大的差距，主要表现在以下几个方面；第一，相关部门之间的信息资源不对等；由于对水利信息的整合力度不够，使各部门之间缺乏有序的共享水资源体系。第二，水利信息化基础设施不够完善；第三，水利工程的运行管理不能实现资源的最优化。

　　二、数字孪生技术与水利工程运行管理的应用分析

　　（一）单元级水利工程数字孪生系统

　　采用数字孪生技术，可帮助水利工程的全面管理，并提供技术支持。水利工程数字孪生技术采用先进的感知、计算和控制技术，通过在信息空间对物理实体多方面的角度进行建模，从而实现物理空间与信息空间的实时交互，促进信息科学决策，精准执行。单元级水利工程数字孪生技术能够对相应的监测对象进行状态感知和计算分析，形成水利工程物理世界与信息世界之间的相互交融，是具备可计算、可交互、可延展的水利工程数字孪生系统的最小单位；数字孪生技术在水利工程运行中发挥着重要作用，它采用先进的技术，通过对数据的实时分析和监控，在信息空间通过分析物理实体的状态行为进行全面构建，建立相应的数字孪生体，动态跟踪水利工程运行，比如电压的配电设备工作状态等；以闸门启闭机水利工程数字孪生系统为例，数字孪生技术通过采集闸门启闭机的信息，对各类信息进行分析处理，之后建立闸门启闭机的物理模型，对闸门启闭机进行实时监控。在闸门变动的操作过程中，如果运动模型出现了大幅度的跳跃，能够主动的切断电源，并分析原因反馈给工作人员，说明实施监控是有效的；如果监测到闸门在当前开启高度发生振动时，适当调整开启高度，高度又随着感知模块反应到虚拟模型，经过反复迭代，能够主动避免发生振动的位置；若该运行过程中出现了异常现象，对故障的位置进行精准定位，分析故障原因，并制定相应的解决措施，以此提高闸门启闭机安全运行的能力。

　　（二）系统级水利工程数字孪生系统

　　系统级水利工程孪生系统是针对单个水利工程，充分考虑各单元及水利工程运行现状，对其进行统一调度，增强各个单元及水利工程数字孪生系统间的协调运行，保证水利工程的安全，实现整体资源配置的最优化。借助无线技术等实现了对多个单元及水利工程数字孪生系统数据的自由流动，有利于提高水利工程资源配置的广度和精度；在闸门的操作运行过程中，通过对“闸门高度—水位—流量关系曲线”的分析，计算始流时可泄放的安全流量，计算闸门的开高和开孔数，如果电源数字孪生系统监测到电网停网，则会自动启用自备发电机组供电；通过使用数字孪生技术，可以对整个系统及水利工程的工作状态进行严格监测，实时分析和集中管理；对于数据分步计算与大数分布能力，结合各个组成部分进行协同优化，实现全流域范围内信息的全面感知和精准执行。

　　三、结束语

　　综合上述分析可知，数字孪生技术为现实世界与虚拟世界空间的交互融合建立了桥梁，通过对数字网络信息的实时交互，能够增强水利工程信息的全面感知能力，提高资源配置的最优化。数字孪生技术在水利工程运行管理的实施特点主要分为三个方面：第一，水利工程数字孪生体系与对应数字孪生体系方案设计；这个阶段是建构水利工程数字孪生的统一架构与控制体系。第二，水利工程数字孪生数据采集和共享设计，这一阶段是对数据采集的对象建立水利数据的科学分类和通用标准。第三，水利工程数字孪生模型设计；这一阶段是对水利工程虚拟仿真建模，使相应的孪生模型能够与水利工程实际运行相匹配，从而为功能实现有力的数据支撑。由此可以看出，数字孪生技术在水利工程设计阶段的应用，主要是通过建构虚拟的模型进行可视化呈现，这就要求相关人员能够实时监控施工过程，解决水利工程过程中存在的问题，对设计方案进行不断优化，提高工作效率。

　　参考文献：

　　[1] 蒋亚东， 石焱文. 数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用[J]. 科技通报， 2019， 35（11）：5.

　　[2] 杨楚骅， 饶凡威， 傅志浩，等. 基于BIM的水利工程施工监管平台设计与实现[J]. 人民珠江， 2022， 43（2）：7.

　　作者简介：时达，1991-05，男 广东省深圳市 ，汉族 ，工程师，研究生，研究方向：水利工程

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