基于數(shù)字孿生技術(shù)的河道工程智能管理方法

杜壯壯，高 勇，萬(wàn)建忠，韓 康

（江蘇省淮安市入江水道管理所，211600，淮安）

我國(guó)水資源空間分布不均，水污染問(wèn)題復(fù)雜。 為落實(shí)綠色發(fā)展理念，維護(hù)河湖健康生命，全國(guó)全面推行了河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制。 推行過(guò)程中，存在地區(qū)技術(shù)力量薄弱、河湖管理手段落后等不足。

目前，水利工程管理已從數(shù)字化走向可視化，朝著智能化管理趨勢(shì)發(fā)展。 數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)是基于物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型和虛擬模型的完整映射，從而完成對(duì)仿真對(duì)象全生命周期管理的技術(shù)。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在風(fēng)電、船舶、車(chē)間運(yùn)行等領(lǐng)域中有一定程度的探索與應(yīng)用，但在水利工程中的相關(guān)理論和應(yīng)用研究還處于初步探索階段。 本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，融合智能預(yù)測(cè)方法和可視化方法，建立河道工程管理智慧動(dòng)態(tài)可視化管理方法，以期通過(guò)現(xiàn)代化手段， 實(shí)現(xiàn)對(duì)河道工程監(jiān)測(cè)、維護(hù)、治理、修復(fù)和災(zāi)害評(píng)估與預(yù)測(cè)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)河道工程智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控和可靠運(yùn)維。

一、數(shù)字孿生技術(shù)與堤防工程管理的理論分析

1.數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生最初由美國(guó)國(guó)防部提出并利用，主要應(yīng)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)和保障。 數(shù)字孿生主要是通過(guò)在虛擬世界中模仿物理世界真實(shí)發(fā)生的一切，完成現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體的配對(duì)虛擬體（映射），利用三維圖形軟件構(gòu)建可視化模型映射現(xiàn)實(shí)中的物體。 通過(guò)充分利用系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及經(jīng)大數(shù)據(jù)技術(shù)處理后的孿生數(shù)據(jù)，完成整體系統(tǒng)狀態(tài)的仿真模擬和預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間各類(lèi)要素全生命周期的描述。 數(shù)字孿生通過(guò)依賴(lài)安裝在物體上的傳感器或模擬數(shù)據(jù)來(lái)洞察和呈現(xiàn)物體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)也將指令數(shù)據(jù)反饋到物體，最終引起物體狀態(tài)變化。 因此，數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁。

2.智能預(yù)測(cè)方法

傳統(tǒng)的河道工程管理方法一般是根據(jù)實(shí)地考察情況， 經(jīng)過(guò)分析討論，得出可行性方案，但是在水質(zhì)污染、 汛期水位變化等實(shí)時(shí)變化情況下，決策方案存在一定滯后性，給后續(xù)問(wèn)題的解決帶來(lái)很大的隱患。

河道工程涉及諸多因素，且河道管理決策方案與各個(gè)因素非線性相關(guān)，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法無(wú)法解決此類(lèi)問(wèn)題。 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)非線性信息的處理， 其中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)誤差反向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于處理海量數(shù)據(jù)， 因此將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于河道管理情況預(yù)測(cè)是可行的選擇。 根據(jù)河道基本信息、氣象、水位、人為因素、社會(huì)因素等約束條件，建立各因素與水位變化、污染物擴(kuò)散范圍、泄洪閘門(mén)應(yīng)力極限、水庫(kù)庫(kù)容量等影響河道工程的相關(guān)信息的映射關(guān)系，從而能夠?qū)赡馨l(fā)生的自然災(zāi)害、工程安全事故等突發(fā)事件先知先覺(jué)，及時(shí)作出正確反應(yīng)。 由于應(yīng)急管理的緊迫性、復(fù)雜性、社會(huì)性等特點(diǎn)，在管理過(guò)程中需要建立相應(yīng)的預(yù)防預(yù)警機(jī)制及突發(fā)事件的保障救援體系，提前做好防御措施和決策方案，促進(jìn)河道工程管理智慧化。

3.可視化管理方法

三維可視化技術(shù)通過(guò)建立實(shí)物模型，將現(xiàn)實(shí)情況下的建筑物模型轉(zhuǎn)化為帶有實(shí)物的數(shù)據(jù)表征方式的三維圖像信息。 利用直觀的視覺(jué)表達(dá)形式，可為決策者提供多角度、多層面的決策環(huán)境， 降低不確定性， 提高預(yù)見(jiàn)性。 河道工程的可視化方法主要包括河道地形和水工建筑物兩個(gè)方面。 河道地形是可視化場(chǎng)景的基礎(chǔ)部分，對(duì)觀測(cè)河道地形演變、泥沙淤積、土方開(kāi)發(fā)等至關(guān)重要。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有數(shù)字化、存儲(chǔ)、空間分析、環(huán)境預(yù)測(cè)、模擬及可視化等空間處理技術(shù)， 可將平面二維圖或者實(shí)體地形資料轉(zhuǎn)化為同比例尺的虛擬現(xiàn)實(shí)空間地形模型，并利用數(shù)字高程模型（DEM）描繪河底地形變化。對(duì)于河道水工建筑物，當(dāng)前流行的建模軟件主要包括Revit、3ds Max、Sketch Up 等。 在建模同時(shí)賦予水工建筑物虛擬模型數(shù)據(jù)信息， 使之成為信息模型， 并為模型建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物信息的實(shí)時(shí)更新。通過(guò)對(duì)地理信息模型與水工建筑物模型的融合， 建立三維河道工程三維可視化場(chǎng)景， 為建設(shè)河道工程數(shù)字孿生管理系統(tǒng)奠定場(chǎng)景基礎(chǔ)。

二、基于數(shù)字孿生技術(shù)的河道工程智能管理方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和智能決策，完成對(duì)河道工程的智能可視化管理。 如圖1 所示。

1.數(shù)據(jù)感知

廣泛、充分的源數(shù)據(jù)是智慧管理的基礎(chǔ)。 通過(guò)各類(lèi)傳感器、水位儀、溫度儀、氣象站以及影像設(shè)備，獲取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括水文氣象數(shù)據(jù)、建筑物維護(hù)數(shù)據(jù)、影像監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三種類(lèi)型。 水文氣象數(shù)據(jù)包括水位、降雨量、風(fēng)速、溫度、濕度、水質(zhì)元素含量等；建筑物維護(hù)數(shù)據(jù)包括建筑物模型數(shù)據(jù)、 結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變量等；影像監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括河道水位、 環(huán)境、儀器使用、人為因素監(jiān)督等。 通過(guò)預(yù)設(shè)的傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備，快速可靠的存儲(chǔ)、分析、預(yù)測(cè)、決策等成為可能， 用戶(hù)可以實(shí)時(shí)獲得最新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界與虛擬物理空間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)和互動(dòng)。

2.數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)

利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ)將實(shí)時(shí)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。 目前流行的數(shù)據(jù)庫(kù)包括Oracle、SQL、MySQL 等。 將各類(lèi)型數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)一一建立映射關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及相互調(diào)用。

3.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理作為數(shù)字孿生系統(tǒng)關(guān)鍵部分，是解決河道工程管理滯后性問(wèn)題的主要方式。 結(jié)合實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)， 引入智能預(yù)測(cè)方法，對(duì)歷史數(shù)據(jù)中水位、溫度、濕度等進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練和網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并對(duì)其中非線性映射的權(quán)重進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練修正，直到預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)期精度為止。 通過(guò)訓(xùn)練好的預(yù)報(bào)模型，對(duì)新感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

例如，通過(guò)分析歷史泄洪閘門(mén)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，建立變形數(shù)據(jù)與使用壽命之間的非線性關(guān)系，根據(jù)當(dāng)前感知數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)泄洪閘使用壽命，為泄洪閘定期維護(hù)提供技術(shù)支持。

水污染是河道治理的一大難題。通過(guò)視頻資料及傳感器提供的濕度、水位、污染物出現(xiàn)位置等數(shù)據(jù)，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)分析， 結(jié)合智能預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)污染物擴(kuò)散范圍以及擴(kuò)散速率，從而提前謀劃制定污染物治理應(yīng)急方案，防止污染物泄漏或治理不徹底。

泄洪閘主要功能是汛期泄洪，與水位變化及各水系流量息息相關(guān)。 通過(guò)監(jiān)測(cè)各泄洪閘前水位實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)， 參考學(xué)習(xí)以往泄洪調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)前水位信息、降水、氣溫等因素， 預(yù)測(cè)下一階段水位變化趨勢(shì)， 為快速制定防洪調(diào)度方案提供技術(shù)支持。

4.智能決策

傳統(tǒng)的決策方案一般是應(yīng)對(duì)已發(fā)生的問(wèn)題，結(jié)合已有調(diào)度經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策， 這樣不僅會(huì)降低決策方案的科學(xué)性，且具有滯后性。 采用數(shù)字孿生技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)決策方案可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自主反饋， 且根據(jù)對(duì)感知數(shù)據(jù)的處理形成的智能管理方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)河道工程的運(yùn)維管理。 當(dāng)河道工程情況預(yù)測(cè)值超出臨界值或警戒值時(shí)， 可預(yù)先進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警， 為維護(hù)治理河道中的薄弱環(huán)境提供依據(jù)， 實(shí)現(xiàn)河道工程智能可視化管理。

三、結(jié) 論

引入數(shù)字孿生技術(shù)，基于智能預(yù)測(cè)方法和可視化管理方法，針對(duì)河道工程管理方法的落后性和決策結(jié)果的滯后性，建立基于數(shù)字孿生的河道工程可視化智能管理方法。 通過(guò)源數(shù)據(jù)感知、存儲(chǔ)、后處理和智能決策，建立真實(shí)河道工程與虛擬物理空間的映射關(guān)系，將傳統(tǒng)“事情發(fā)生—解決問(wèn)題” 的思路轉(zhuǎn)變?yōu)?“預(yù)測(cè)事情發(fā)生—提供解決問(wèn)題方案”， 增強(qiáng)了河道工程安全、綠色維護(hù)管理的科學(xué)性和前瞻性，從而實(shí)現(xiàn)河道工程管理數(shù)字化、可視化、智能化。