淺談數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理中的現(xiàn)狀分析與前景展望

彭金波

廣州市水生態(tài)建設(shè)中心 廣東 廣州 510403

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G等新技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機、GPS、GIS等軟硬件技術(shù)應(yīng)用的逐步完善，我國水利工程的運行管理水平取得了顯著的提升。數(shù)字孿生技術(shù)作為現(xiàn)實世界和虛擬世界實時交互的管理模式，能夠極大地提升數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用效率和質(zhì)量。通過高速發(fā)展的建模仿真、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立虛擬實體的數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)實體的數(shù)字化控制和優(yōu)化，為水利工程運行管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了切實可行的途徑。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的深入發(fā)展，云計算、虛擬仿真等高新技術(shù)的相繼涌現(xiàn)，使得各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在發(fā)生深刻的變革。2003年，美國密歇根大學邁克爾教授首次提出數(shù)字孿生技術(shù)的概念，就是用虛擬的方式來表示實物產(chǎn)品[1]。直到2012年，美國宇航局對數(shù)字孿生技術(shù)進行詳細的界定，即利用相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真過程將虛擬空間的信息映射到實體世界當中。數(shù)字孿生技術(shù)涉及的學科范圍很廣，包含了物理模型、運行歷史等特定的數(shù)據(jù)，可以真實地反映出設(shè)備的生命周期。數(shù)字孿生技術(shù)核心是將各種傳感器安裝到物理實體上，收集在物理實體的工作信息，然后將現(xiàn)實世界中的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬數(shù)據(jù)，這樣就可以將現(xiàn)實世界和虛擬世界進行鏡像連接。通過建立包含物體形狀、屬性和軌跡的信息處理模型，可以實現(xiàn)對實體的狀態(tài)進行評估和預測，提高對實體的精確管理和智能維護。數(shù)字孿生技術(shù)作為新興的系統(tǒng)建模與虛擬仿真技術(shù)，包含大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種新興數(shù)字技術(shù)，可以為用戶提供強大的數(shù)據(jù)采集存儲能力、分析計算能力、邏輯推演能力，利用數(shù)字技術(shù)建立虛擬實體，從而了解、分析、預測、優(yōu)化物理實體的相關(guān)信息，輔助做出科學決策。

2 水利工程運行管理中的現(xiàn)狀

2.1 綜合功能發(fā)揮不足

隨著時代的發(fā)展進步，水利工程作為承載國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅要滿足人類生產(chǎn)生活對水資源的需求保障，還要兼顧到水安全提升、水環(huán)境治理、水生態(tài)保護、水文化弘揚乃至水經(jīng)濟發(fā)展的方方面面[2]。水利工程的運行管理水平在某種程度上影響其功能效益的實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的運行管理模式目標不明確，往往只側(cè)重于某一方面的功能，從而制約其綜合功能的有效發(fā)揮、水利資源的最優(yōu)配置。

2.2 管理制度設(shè)置不優(yōu)

在現(xiàn)行水利工程管理機制中，部分重要的水利工程由水利部門組建專業(yè)隊伍負責運行管理，部分按職責劃歸相關(guān)職能部門負責，還有部分按屬地管理原則由街道或鄉(xiāng)鎮(zhèn)負責管理，多頭管理容易引起職能交叉與管理真空的問題同時存在，而且隊伍不專業(yè)、標準不統(tǒng)一、制度不健全，導致管理粗放、效率低下、效果不佳，使得該問題長期困擾著水利工程運行管理能力的現(xiàn)代化進程。

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享不暢

水利工程運行管理綜合效益的發(fā)揮需要融合全方位、多層次的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，近年來，隨著水利信息化建設(shè)的推進，某些業(yè)務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)逐步建立了一些相對獨立的信息系統(tǒng)，但其統(tǒng)籌建設(shè)與資源共享力度仍然不足，存在著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不集中或者集中而不共享的問題，各業(yè)務(wù)平臺之間的協(xié)同聯(lián)動機制不順暢，未能形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效整合與共享，不利于精準分析、科學決策。

2.4 信息化建設(shè)水平不高

水利工程運行管理對象涉及內(nèi)容十分龐雜，包括水閘、泵站、堤防、水庫、引水工程、灌溉工程、供水工程等等，不同類型工程的運行特點和管理需求各不相同，這就決定了水利工程的運行管理具有系統(tǒng)性，是一項綜合決策[3]。當前，由于水利管理決策需要的相關(guān)要素信息采集能力不足，相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施體系不夠完善，大部分水利工程仍然采用傳統(tǒng)的運行管理手段，以分散式的人力管理為主，在信息化建設(shè)方面還比較落后，導致整體運行管理效率低下、科學決策水平不足，與新時代推進水利高質(zhì)量發(fā)展的需求不相適應(yīng)。

3 水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)

3.1 建設(shè)目的

數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對整個水利工程的生命周期管理，包括物理實體控制、調(diào)度過程管理等?？梢园巡煌乃こ虡?gòu)成不同的數(shù)字模型，把各個層面的物理實體有效區(qū)域分割開來，突出重點區(qū)域，能夠?qū)Σ煌こ滩考M行精確化的分析和控制，延長使用壽命。與傳統(tǒng)的管理方式相比，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以顯著提高水利工程的管理水平。

根據(jù)水利工程的實際情況，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)的建設(shè)目標包括以下幾個方面：一是實現(xiàn)全要素、全流程管理，即利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對于水利工程中所包含的人、機、物等關(guān)鍵要素的數(shù)字化映射，通過預先制定的統(tǒng)一標準將各個要素進行模塊化構(gòu)建，并將這些信息發(fā)布在可共享的、統(tǒng)一的平臺上[4]。通過收集各個水利設(shè)施的運行情況，對整個水利工程的運行狀況進行數(shù)字化映射，從而實現(xiàn)對整個水利工程的運行狀況進行全方位的、實時的監(jiān)控，為整個水利工程的評價和優(yōu)化工作打下了堅實的基礎(chǔ)。在這個過程中所有的基礎(chǔ)資料都是由不同的對象組成，將這些資料進行歸集，并根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準進行整合，可以有效地解決基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不暢等問題，實現(xiàn)信息共享的全方位、全過程、全要素管理這一終極目標，也是提高水利信息化服務(wù)有效性與可靠性的關(guān)鍵所在。二是實現(xiàn)虛實相融，在水利工程實際運行中實際的狀態(tài)是“實”，而采用數(shù)字孿生技術(shù)建立的是“虛”。水利工程自身所包含的水利設(shè)施很多，存在著大量的實物實體，因而很難對其進行全面的管理[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以達到“以虛控實”的目的，也就是利用控制信息處理模型，對水利工程中的各個實體進行控制。把水利工程運行管理中的實體映射到信息空間的處理模式中建立交互關(guān)系，可有效解決水利工程運行管理中存在的綜合功能兼顧不足的問題，進而改進系統(tǒng)的處理能力。

3.2 實施模式

水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)主要分四個層次進行建設(shè)。第一，要從系統(tǒng)功能的視角出發(fā)，對各個部門所涉及的業(yè)務(wù)進行功能設(shè)計，并將其與數(shù)字孿生技術(shù)的特定功能對應(yīng)起來。第二，要從多個角度描述和建立運行管理要素，并運用計算機技術(shù)進行精確的建模，以不斷增強虛擬模型映射實體的能力。第三，要對各模型的關(guān)系進行分析，并建立系統(tǒng)流程圖等方法，使各模型間的聯(lián)系更加清晰，實現(xiàn)全要素、全過程的管理與控制。第四，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)的生命周期的閉環(huán)管理，為水利工程的運行管理提供依據(jù)。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理中的應(yīng)用

4.1 完善流域江河湖泊和水工程監(jiān)控體系

一是完善江河湖泊感知體系建設(shè)。水文水資源信息是實現(xiàn)流域數(shù)字地圖的基礎(chǔ)資料，主要內(nèi)容包括水量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降雨量等方面的信息。要優(yōu)化行政區(qū)邊界、取退水口、地下水、生態(tài)用水等監(jiān)測站點網(wǎng)絡(luò)，做到全要素的實時在線監(jiān)測，提高信息獲取和感知能力；要把空間分辨率、航空遙感技術(shù)與陸地水文監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，推動“空天地”流域洪水綜合監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，使其覆蓋范圍、密度和精度得到進一步提升；對山洪災害監(jiān)測站網(wǎng)進行優(yōu)化，把雷達列入常規(guī)降雨監(jiān)測范圍；保證監(jiān)控斷面全部納入監(jiān)控范圍，在有必要進行視頻監(jiān)控的地方安裝監(jiān)控設(shè)備；要進一步提高水資源的采集和利用，必須弄清水資源的取、用、輸、排等各方面的基本情況[6]。二是要健全水利設(shè)施的認知機制。水利信息是流域數(shù)字地圖中的一個重要組成部分，包括水電站、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄洪區(qū)等。利用視頻、監(jiān)測、BIM等技術(shù)，對流域水利工程進行了全面的數(shù)據(jù)采集與管理；加強對水利工程建筑物和機電設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。對于新建、改擴建、除險加固水利工程，要在前期和設(shè)計階段，加大自動化監(jiān)測設(shè)備和智能管理系統(tǒng)的設(shè)計，為以后的數(shù)據(jù)采集奠定良好的基礎(chǔ)。

4.2 加強新技術(shù)應(yīng)用提升監(jiān)測技術(shù)水平

一是強化智慧感知3S技術(shù)的運用，利用衛(wèi)星和雷達等遙感技術(shù)對大范圍流域進行動態(tài)監(jiān)控和預警。采用智能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能的圖像分析，實現(xiàn)自動識別、智能監(jiān)視和自動報警。根據(jù)不同監(jiān)測的需要，合理使用無人機、無人船、機器人等設(shè)備進行深入監(jiān)測?；诰W(wǎng)絡(luò)的傳輸需求，推動新的技術(shù)如5G、物聯(lián)網(wǎng)等的應(yīng)用。二是優(yōu)化監(jiān)控設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用，加強對“一桿通”等新型監(jiān)測設(shè)備的試點和推廣，促進監(jiān)管機構(gòu)的改革和創(chuàng)新。

4.3 構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)

根據(jù)流域管理的有關(guān)職能以及水利工程運行管理新需要，在新的信息技術(shù)下采用“控制點+定位軸網(wǎng)”模型，并根據(jù)該模型進行建模。利用高分辨率的衛(wèi)星圖像，對各主要河段的水系進行了提取和合成，并對各河段的水質(zhì)參數(shù)進行了反演，實現(xiàn)了一幅地圖的綜合顯示，全面有效地掌握了各河段的水質(zhì)狀況，并將其定位在了重點污染河段。利用無人機采集到的監(jiān)控視頻、空中全景圖等資料，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和深度學習，對河湖“五清”工作進行全面、有效的技術(shù)支持。利用物聯(lián)網(wǎng)，有效整合和集中管理前端感知設(shè)備，實現(xiàn)對涉水要素的實時監(jiān)控，主要包括：水戶監(jiān)控設(shè)備、河道流量監(jiān)控站、雨量監(jiān)控站、水質(zhì)監(jiān)控站、水利工程建管視頻監(jiān)控等，為水雨情、水利工程運行，河流湖泊水質(zhì)提供長期動態(tài)監(jiān)控手段。

4.4 打造水利工程的數(shù)字孿生體

利用BIM+GIS和數(shù)字孿生技術(shù)，在重要的水庫、堤壩、蓄滯洪區(qū)、水閘、泵站等建設(shè)水利工程實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過精確地繪制關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進行三維場景的虛擬仿真，以及利用無人機傾斜拍攝等技術(shù)，可以使數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)更加真實，從而構(gòu)建高效的水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理中的前景展望

5.1 實現(xiàn)全生命周期管理

水利工程是一種具有明顯物理特性的物理實體，它可以通過數(shù)字孿生技術(shù)來進行水利工程的運營和管理。利用數(shù)字孿生技術(shù)將水利工程中的人、環(huán)境、信息等要素進行虛擬映射，利用實時信息傳輸技術(shù)，實現(xiàn)對水利工程的全生命周期管理，真實、客觀地反映水利工程的實際運行狀況，實現(xiàn)對水利工程中所包含的閘門、機電設(shè)備以及通信設(shè)備等設(shè)施設(shè)備的監(jiān)控和管理。通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，將傳感器和維修歷史數(shù)據(jù)進行整合，利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習等技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)進行分析和預測，有效地防止設(shè)備的失效，延長系統(tǒng)的使用壽命。同時，通過對數(shù)字孿生技術(shù)的建模進行預測，可以為設(shè)備的維修養(yǎng)護工作提供基礎(chǔ)，使整個系統(tǒng)能夠有計劃、有重點地進行。

5.2 實現(xiàn)自動化信息管理

新時期對水利工程的運行管理水平提出了更高的要求，為了保證水利工程運行的穩(wěn)定性、可靠性，也為了確保水資源的可持續(xù)利用，我國正不斷推進水利工程運行管理的數(shù)字化、智能化發(fā)展。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以對各種數(shù)據(jù)進行有序地收集、歸類，并根據(jù)統(tǒng)一地規(guī)范進行精確的管理，方便對數(shù)據(jù)進行歸檔、整理，為以后的數(shù)據(jù)分析和共享提供基礎(chǔ)資料。同時，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準與格式可以有效地解決信息不一致、標識不一致等問題，提高了數(shù)據(jù)利用的效率。從當前水利工程的運營與管理狀況來看，信息處理過程太過單一，僅停留在一個單一設(shè)備或系統(tǒng)，其綜合性、系統(tǒng)性、精確度和有效性都還不足。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立的管理平臺，可以對整個運行流程進行規(guī)劃和設(shè)計，實現(xiàn)自動化的信息管理，為決策者提供有效的決策支持。

5.3 構(gòu)建數(shù)字化模型體系

將數(shù)字孿生技術(shù)運用到水利工程的運行管理中，可以更好地了解和掌握水利設(shè)施的實際狀況，有關(guān)部門可進一步探討推動建設(shè)水利工程的數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)，進而提升水利系統(tǒng)的運行管理水平。數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，比如針對水閘開關(guān)狀態(tài)、氣象水情、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、水質(zhì)監(jiān)測、洪澇風險分析、應(yīng)急調(diào)度管理等信息進行實時監(jiān)督，全面反映實際工程狀態(tài)。根據(jù)工程設(shè)計參數(shù)，如水工建筑物設(shè)計圖、閘泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，運用經(jīng)典的水文、水利、水質(zhì)分析理論，再加上地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技術(shù)，可以借助計算機輔助建立相應(yīng)的虛擬模型，從而對物理實體的動態(tài)變化進行更加精準的判斷，并且做出科學的決策。

6 結(jié)語

水利工程作為國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全、穩(wěn)定、高效的運行事關(guān)重大，客觀需求提升與管理水平不足之間的矛盾日益凸顯，新技術(shù)催生了新思路，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建運行管理體系，全過程監(jiān)管水利工程運行，從而為統(tǒng)一調(diào)度、管理決策提供支持，就是一種有效的解決途徑。大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)的今天，數(shù)字孿生技術(shù)將會是推動新時期水利高質(zhì)量發(fā)展的實施路徑和最重要標志之一。通過對目前水利工程運行管理狀況及數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用進行較為詳細的研究和探討，以期為提升水利決策管理的科學化、精準化、高效化能力和水平提供支撐，推動水利系統(tǒng)運行管理向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展。