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

柳忠杨

龙口市水源工程运行维护中心  山东龙口 265700

摘要：在物联网、大数据、仿真等技术飞速发展的今天，如何利用新一代的信息技术，加快水利资源的开发，提高水利体系的整体效率，构建水利信息共享平台，促进大数据和水利业务的有机结合，是国家"十四五"水利信息化建设的总体要求。当前，水利信息化建设面临的一个重要问题就是如何在现有的基础上，将水利世界和信息世界相结合是一个亟待解决的问题。基于此，本文首先阐述了数字孪生技术的应用准则，其次分析了水利工程运行管理的现状，进而提出数字孪生技术在水利工程中的具体应用。

关键词：数字孪生技术：水利工程：应用

1数字孪生技术概述

“数字孪生”概念最初起源于航空航天飞行器的健康保障与维护领域，其后在多个学科中被提出和运用。在工业领域中，数字孪生技术是进行系统建模与仿真应用的重要形式，代表先进技术的重要发展阶段。在2012年获得了比较完整的定义：指在物理实体上进行各种传感器的部署，通过这些传感器感知物理世界的运行状态，并通过信息空间进行物理实体的构建，从而实现高效协同且实时交互的虚拟模型，这一模型是依托数字化手段构建的物理世界的虚拟体，具有优化预测及分析评估、控制决策等功能，能够为工程运维管理提供高效的服务。数字孪生技术是建设智慧流域的具体技术路线，在现代高新技术如人工智能、云计算、物联网等蓬勃发展趋势下，数字孪生技术将推动水利事业踏上智慧的新台阶。数字孪生技术在运维阶段的水利工程中，能够提供气象水情、闸阀状态等水利工程运行状态信息，为科学决策提供了有效依据。建立数字孪生水利工程建设管理平台，结合当下我国在实时数字孪生引擎方面的自主研发成果，打造创新型水利解决方案，依托仿真技术对实施水利状况展开数字化模拟，围绕水利工程建设以及运维的整个过程展开实时动态化监测分析与诊断决策，进而推动水利工程智能化运行的实现，整个过程中提升了管控的精准性与运维的可靠性。除此以外，借助GIS、物联网、三维视频融合等技术方式，在虚拟水利管理平台上充分展示管理者决策，再结合水利业务数据，最终实现对水利业务的可视化、精准化管理，为水利管理者提高运行管理水平提供技术支撑。

2数字孪生技术在水利工程中的应用特征

2.1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。

2.2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。

2.3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。

3数字孪生技术在水利工程中的具体应用

3.1规划水利工程建设与运行的智能模拟

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。

3.2在建水利工程的全生命周期管理

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。

3.3建立完善的水资源管理制度

通过数字孪生水利管理平台能够实现高效管理，建立完备的水资源管理制度，并且将制度全面贯彻落实到各个管理部门，通过对水资源进行合理化监管与分配，能够践行水资源节约和可持续发展理念，减少水资源浪费，保障水资源的安全利用。数字孪生水利管理平台的建立，有利于在未来水利工程管理建设中，全面化调动各项数据资源，展开合理分析及方案预警，规避水资源管理中存在的风险，并落实好防洪规划，避免在洪水高发期间因没有进行提前预警而引发风险事故。数字孪生平台的模拟仿真技术有利于修补防洪短板，建立健全水库建设基础设施，全面构建水资源科学调配、安全运营以及管理巡查的智慧管理体系。

4数字孪生水利工程应用发展趋势及展望

数字孪生水利建设是智慧水利的核心内容之一，充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，建设数字孪生流域，以预报、预警、预演、预案（“四预”）功能的实现提升水情测报和智能调度能力，推动水利治理方式变革，统筹发展与安全，助力实现经济行稳致远、社会安定和谐；再到2021年12月数字孪生大藤峡作为首个数字孪生项目的启动；再到2022年60个数字孪生先行先试试点启动，印发数字孪生流域、工程、四预算的技术大纲和导则和数字孪生模型平台、知识平台和数据底座的技术要求；再到2023年全国水利工作会议《深入贯彻落实党的二十大精神，扎实推动新阶段水利高质量发展》中，2023年重点工作明确，加快补齐防御短板，抓早抓细抓实灾害防御，大力推进数字孪生水利建设，支撑保障“四预”工作。2023年到十四五结束期间将是数字孪生水利建设飞速发展的黄金时期。

结语

新时期的中国特色社会主义，引领着中国进入了新的历史阶段，也为各行各业的新征程拉开了帷幕。“这是一个好的时代，也是智慧化的时代。”作为一名水利人，带着对数字孪生技术在水利工程中的应用愿景，期待为水利工程建设的进一步发展奉献一己之力。

参考文献 

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