数字孪生技术在水利工程中的应用

数字孪生技术在水利工程中的应用

李云飞

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摘要：数字孪生技术在水利上应用虽起步较晚，但目前已经是水利工程信息化研究的热点。借助数字孪生技术，实时仿真监控全面感知运行状态可充分发挥工程效益，数字孪生技术的趋势推演功能将提升水利工程深度分析水平，将大幅提高水利工程现代化管理水平。本文介绍数字孪生技术在水利工程中的实践与应用，从实际应用的角度阐述了要实现水利数字孪生需要具备的条件、数字孪生技术在水利工程中的作用、根据现存自动化系统进一步搭建数字孪生等，并就数字孪生技术未来在水利系统中实际应用的发展方向。

关键词：数字孪生技术；自动控制；水利工程

1数字孪生技术

数字孪生技术即根据真实存在对象的历史数据、物理模型和传感器数据等信息，构建数字化的仿真模型，在虚拟化的网络空间中完成镜像映射，并真实地反映其运行特征的信息技术，是利用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。数字孪生技术被广泛地应用于产品设计、制造、医学分析、工程建设等领域，例如智慧水利工程建设，具有良好的实践应用效果。在数字孪生技术的应用过程中，主要利用计算机的软件终端设备构建真实、立体的虚拟模型，同时利用自动感知技术为模型运作提供数据更新，利用智能推理逻辑对信息进行计算、分析和预测，完成数据挖掘、积累、仿真建模和结论分析等过程，实现整个数字孪生系统的模拟运转，从而实现对现实物理的全面真实的模拟和对后续发展情况的科学预测。

2数字孪生技术在水利工程中的应用现状

现状数字孪生水利工程建设主要以在建和已建工程的管理为主，依据《“十四五”智慧水利建设规划》明确的“十四五”期间智慧水利体系1.0版，在构建覆盖重点河流和重点区域的L2级数据底板基础上，优先选择了12个重大水利工程，具体包括小浪底水利枢纽、丹江口水利枢纽、岳城水库、尼尔基水利枢纽、南水北调工程、三峡水利枢纽、澧水（江垭水库）、澧水（皂市水库）、万家寨水利枢纽、南四湖二级坝工程、大藤峡水利枢纽、太浦闸泵站，先行开展数字孪生工程建设，建成L3级数据底板。旨在构建工程“四预”功能智慧体系，实现数字工程和物理工程同步仿真运行，提升工程安全高效稳定运行水平，提高管理能力。

3 数字孪生技术在水利工程中的应用特征

3.1 全息可视

数字孪生水利工程的建设提供了一种全新的人机交互模式，通过虚拟现实与物理场景或孪生场景的空间叠加，提升可视化效果，实现虚实互动、真实映射，为使用者与管理者提供沉浸、精准的交互体验。旨在解决直观、美观、便捷、真实的问题，尤其在高工作强度、危险和恶劣等工作环境下，取代人工现场踏勘，在全息孪生场景内实施调度等管理内容，也能实时掌握工程运行状态，使工程安全稳定运行。

3.2 数据集成

数字孪生水利工程的建设提升了数据集成能力，突破时间维度和物理维度，有机融合展示不同来源、格式、特点性质的数据，旨在集成真实的过去和真实的当下，应用大数据分析和人工智能等技术，预测‘真实’的未来。

3.3 业务融合

数字孪生水利工程的建设打破了各等级、各部门和各行业管理业务协同的专业壁垒。政务云和云计算技术为业务融合提供了泛在便捷的协同、存储与算力资源，通过将数据、模型、知识等资源及其管理、表达、驱动这些资源引擎组成的服务平台可视化，提供在网络空间虚拟再现真实水利工程能力，为工程安全智能分析预警、防洪兴利智能调度等业务应用提供支撑。

4 数字孪生技术在水利工程中的应用

4.1 规划水利工程建设与运行的智能模拟

水利工程建设是解决洪涝灾害、水资源配置、农田灌溉或供电需要，对天然径流和水文特征作出相应的改变，进行施工建设的过程。现状数字孪生水利工程建设主要以在建和已建工程的管理为主，如何在水利工程规划设计阶段将数字孪生技术运用于实际，文章探讨的观点如下：

在重大水利工程规划设计的前期，以数字化手段替代传统的水利工程设计，基于物联感知设备和数据采集与分析模型，融合多源异构关键指标数据，以机器学习与高性能算力为牵引，采用数字孪生的分层分支嵌套技术，将规划水利工程对地区水文环境的影响、对土地的影响、对区域生态的影响进行全要素数字映射，并智能模拟建成后工程运行状态，深化其承洪、储水、供水或发电功能的前瞻预演能力，仿真运行并迭代优化，得出其对生态环境的综合影响最小的设计方案。其周边配套设施的设计与建设，同步在仿真运行模式下开展，以求最佳方案。

4.2 在建水利工程的全生命周期管理

针对水利工程建设期，采用全生命周期管理模式保障施工建设质量和安全。人、物、环境的从物理世界到虚拟世界的高精度、高保真的同步态势映射，通过与AR、VR、MR等灵境技术的融合，进行建设管理、图档管理、安全监测等方面，对人、机、物、料实时监管，以保障工程质量和施工安全。将人工智能、传感技术、虚拟现实等高科技技术植入到建筑、机械、人员穿戴设施、场地进出关口等各类物体中，形成“物联网”，再与“互联网”整合在一起，实现工程管理干系人与工程施工现场的整合。以一种“更智慧”的方法来改进工程各干系组织和岗位人员相互交互的方式，提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。将数据在虚拟现实环境下与物联网采集到的工程信息进行数据挖掘分析，提供过程趋势预测及专家预案，实现工程施工可视化智能管理，从而逐步实现绿色建造和生态建造。

4.3 系统模型构建

数字化模型构建要包括水利工程的设备设施运行情况的全部数据，才能保证数字孪生流域管理系统的真实有效。由于水利工程的运行情况会随着区域水质变化、自然条件变化而不断改变，因此，管理人员对水利工程流域的自然情况，例如闸门、流量、速度、河势、河道土层性质、坝体断面形态等各项参数进行全方位地实地调研，保证建模参数的真实性和准确性。同时，针对目标流域的历史水文情况、气候情况、洪涝灾害情况等数据参数也要进行全面的收集和录入，为数据建模提供更加全面的参数支持，进一步提升数字孪生流域的真实性和准确性。最后，管理人员要根据具体的工程阶段进行针对性地模型构建，例如水源模型、进水后渠段模型、变频泵组模型、出水口渠段模型等等，提升模型仿真的准确性。

结语

数字孪生技术能够利用动态化、立体化建模对水利工程的系统运行状态进行精确反映、预测和管理，能够极大地提升水利工程的治理质量和效率。在水利工程建设管理过程中，充分利用数字孪生技术、大数据技术、通信技术、物联网技术等先进的信息技术，在抵御洪涝灾害、保障水利工程安全运行、水资源管理和调度、水利监督等水利管理业务中全面开展数字孪生流域建设，建成多功能、高效率的智慧水利工程，进一步提升我国的防洪救灾能力和治理水平，保障洪涝灾害中人民的人身财产安全，为进一步提升我国水利建设质量、保护水域生态提供了重要的推动作用。

参考文献

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[2]黄立锴. 浅谈数字孪生技术在智慧水利工程中的应用[J]. 珠江水运,2022,(16):46-48.

[3]李锴,张晶. 数字孪生技术在水利工程中的应用[J]. 电子技术,2022,51(08):186-187.