數(shù)字孿生技術在水利工程運行管理中的分析與探索

申 振，姜 爽，聶麟童

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾 161000）

中國水利工程建設正處于由工業(yè)水利工程時代向水資源綜合開發(fā)時代過渡的階段，穩(wěn)增長、保民生等作用愈發(fā)重要，發(fā)展也將逐步進入加速期。而以信息化幫助傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉(zhuǎn)變的“智慧水利”則是水利跨越式發(fā)展的創(chuàng)新方向和核心驅(qū)動。在2021 年召開的“數(shù)字孿生與水科技創(chuàng)新論壇”上，“數(shù)字與智慧水利”已成為水利發(fā)展的重要標志。水利行業(yè)要探索數(shù)字孿生與水融合發(fā)展新路徑，利用數(shù)字孿生等新技術提升核心能力，推進水治理體系和治理能力現(xiàn)代化，助力水利現(xiàn)代化高質(zhì)量發(fā)展[1]。

1 數(shù)字孿生技術在水利工程運行管理中的融合與應用

新形勢下，隨著社會發(fā)展和水資源的矛盾更加突出，當前水資源治理的主要矛盾已經(jīng)從根本上發(fā)生變化。經(jīng)過不斷地探索與總結，水利信息化建設的應用使得水利運行管理方式得以改進，水利運行管理水平不斷提升。但是，如何將經(jīng)典水文、水利、水質(zhì)等理論與數(shù)字信息化水利相互結合，從信息化建設整體推進的視角，為工程管理提供分析依據(jù)、科學決策，仍然是“信息水利”向“智慧水利”跨越發(fā)展中要解決的主要問題，因此，數(shù)字孿生技術應運而生[2]。該技術在物理實體和數(shù)字虛擬體之間建立了一道橋梁，將傳統(tǒng)水利監(jiān)測理論與水數(shù)字信息化水利深度融合，逐步推進水利信息監(jiān)測系統(tǒng)化由“信息水利”向“智慧水利”轉(zhuǎn)變，著力構建安全、綠色、經(jīng)濟的水利系統(tǒng)，加快推進水利行業(yè)管理方式轉(zhuǎn)變，助力水利現(xiàn)代化建設[2]。

數(shù)字孿生水利工程充分運用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等新興技術，以創(chuàng)新為動力、以需求為導向、以整合為手段、以應用為核心、以安全為保障，把水利工程運行用數(shù)字化表達，通過計算分析、優(yōu)化決策，逆向指導水利工程的運行，使水利工程運行更加高效準確、安全可靠，是實現(xiàn)水利治理體系和治理能力的現(xiàn)代化重要載體，是智慧水利建設發(fā)展的必由之路和未來選擇。

數(shù)字孿生也稱數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，其顯著特征是對實體對象的動態(tài)仿真。建設數(shù)字孿生水利工程，是通過數(shù)字化方式創(chuàng)建水利實體工程的孿生雙胞胎——虛擬動態(tài)仿真，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析、算法模型等，通過模擬、驗證、預測，控制水利工程的全生命運行周期，使得生產(chǎn)效率、運維效率更高，生產(chǎn)成本降低，有效地促進水利高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字孿生不再只是一種行業(yè)技術，而是一種新型發(fā)展模式，一條由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉(zhuǎn)型的新路徑，一股推動水利行業(yè)深刻變革的核心驅(qū)動力。

2 數(shù)字孿生技術在水利工程運行管理中的研究方向

2.1 助力運行管理和工程維護體系建設

水利工程因建設類型不同，運行環(huán)境和實現(xiàn)功能也各不相同，所以在運行管理上又有其各自特點，應根據(jù)工程具體擔負的社會責任靈活地調(diào)度運用。一項水利工程可能兼有防洪度汛、發(fā)電供電、農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)供水和改善環(huán)境等多方面的作用，具有很強的綜合性，各水利工程對水資源的要求不同，相互配合又彼此影響。因此，應建立可靠的水利工程運行管理機制來進行統(tǒng)籌決策，以便有限的水資源盡可能地發(fā)揮最大功能。水利工程運行管理單位針對水利工程自身運行特性，在數(shù)字孿生虛擬體中模擬各項工作任務的進程，通過分析模擬運行數(shù)據(jù)，及時掌握運行中的各種情況，發(fā)現(xiàn)工程運行缺陷和問題[3]。同時，結合外界環(huán)境變化，對運行管理及時有效地調(diào)整，實時監(jiān)測水利工程運行安全，實現(xiàn)水利工程的智能化運行。

水利工程的維護工作是一項極為重要且工作量繁重的日常管理工作，必須保質(zhì)保量地完成，一旦疏忽大意可能導致不可挽回的損失。運行管理中應保障充足的資金和設備，保證各項維護工作有序進行。然而，由于水利工程信息化體系不夠完善，信息數(shù)據(jù)采集能力尚且不足，導致水利工程的養(yǎng)護工作任務重、難度大、效率低。數(shù)字孿生技術在水利設施設備維修養(yǎng)護工作中，通過采集實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，并以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)、以數(shù)字模型為架構對水利設施設備進行分析，制定合理的解決方案，這樣既能提高養(yǎng)護水平，又能大大提高工作效率，通過信息數(shù)據(jù)對缺陷和故障做出快速反應，減少水利工程運行管理部門的人力、物力、財力投入，使水庫運行實現(xiàn)維修養(yǎng)護專業(yè)化、高效化管理，實現(xiàn)水利工程的安全穩(wěn)定運行[2]。

2.2 為建設流域水情監(jiān)測體系提供支持

數(shù)字孿生技術為水情監(jiān)測工作提供強有力的信息保障和技術支持。水情監(jiān)測的目標之一便是掌握水資源分布情況及上游降水規(guī)律等信息，通過分析驗證進而進行水資源可持續(xù)開發(fā)應用。水情的收集整理對“防汛抗旱”工作的決策意義重大，通過水情監(jiān)測及早掌握洪澇及旱情情況，可以提前制定“防汛抗旱”工作方案，并進行高效的水資源調(diào)度，最大限度地減輕洪澇或干旱對人民群眾生命財產(chǎn)造成的損害[4]。同時，通過分析和研究水情，能夠把握當?shù)氐乃Y源運動規(guī)律，預測洪旱災害發(fā)生時間及造成的損失和影響，實現(xiàn)預報、預警、預演、預案功能，提高水資源的管理和利用水平。

在傳統(tǒng)的水文、水利、水質(zhì)模型建模的基礎參數(shù)方面，由于技術能力不足，不能掌握或者得到的模型數(shù)據(jù)不準確，可以基于歷史數(shù)據(jù)和相關行業(yè)標準用傳統(tǒng)的深度學習模型作為替代。這種方法在長時間的積累中，針對某些頻發(fā)情況，可能進行經(jīng)驗性判斷，也取得較好的效果。但深度學習模型有其自身缺陷，對于已經(jīng)出現(xiàn)過的問題，在已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)學習效果良好的情況下，可以控制突發(fā)問題，但是當出現(xiàn)的問題超過其經(jīng)驗數(shù)據(jù)范圍后，輸出的結果則無法把控，也就無法對流域內(nèi)的水情預測做出準確分析。

數(shù)字孿生技術通過智能應用平臺，能夠準確掌握水情數(shù)據(jù)，針對防汛度汛、調(diào)度決策進行模擬預演并制定出最優(yōu)方案，協(xié)同推進流域內(nèi)水利工程整體調(diào)度，解決水資源分配不均問題。對水利工程的運行情況實時監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的事故及時規(guī)避或進行事故預判，實現(xiàn)水利工程運行管理的精準分析和控制。數(shù)字孿生技術通過衛(wèi)星導航定位、衛(wèi)星測高等技術進行三維動態(tài)分析，使得水資源信息測繪更宏觀、更全面、更立體。開展數(shù)字孿生流域建設，使各水利工程協(xié)同配合，整體發(fā)力，推動構建系統(tǒng)化數(shù)字信息水情監(jiān)測體系。

2.3 提升水利工程運行中水資源科學管理水平

在水利工程的運行期間，要做好水資源調(diào)查分析，通過水資源合理分配及發(fā)電機組合理調(diào)度、新建擴容等方法挖掘工程節(jié)水潛能，減少水資源的消耗和浪費。同時，加強水庫勘察，及時發(fā)現(xiàn)大壩安全隱患及水資源流失問題，并將影響水利工程高效運行管理的相關問題解決，提升水利工程運行管理的工作效率和工作質(zhì)量。因此，要開展水資源精細化管理，針對出現(xiàn)的各種情況，明確水資源的使用規(guī)范和節(jié)約標準，使得生產(chǎn)效率、水資源利用率提高，水利工程運行管理更加高效、更加科學。

水利工程的運行管理中水資源的調(diào)度大多基于章程、準則或者歷史經(jīng)驗，無法達到資源分配的最優(yōu)化，運行成本隨之提高。數(shù)字孿生水利工程建設則是以安全運行、精準調(diào)度等為目標，以算據(jù)、算法、算力建設為支撐，開展運行精細化建模，可以最大程度提高流域內(nèi)水資源利用率。進行調(diào)度的過程中，水利工程、水利設施設備狀態(tài)及水情信息等，會實時地反映到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，系統(tǒng)以數(shù)字形態(tài)模擬運行，利用數(shù)據(jù)融合計算，結合實時的防洪庫容情況、水庫實時水位、入庫出庫等信息，精準決策分析，保持數(shù)字孿生虛擬體與實體工程的融合性、交互性，對水資源調(diào)度方案進行分析和調(diào)整，并提供可靠信息支撐[3]。通過運行模擬后，將最優(yōu)方案反饋到水利工程中的物理實體，以此反復迭代優(yōu)化、同頻同步融合，實現(xiàn)流域內(nèi)防洪度汛、發(fā)電供電、農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)供水和改善環(huán)境等水資源綜合利用及資源配置的整體優(yōu)化[3]。

2.4 推動水資源保護和生態(tài)區(qū)建設

在水資源的開發(fā)與利用中，應保護生態(tài)系統(tǒng)和生物物種平衡發(fā)展，保護供飲用水和土地用水綠色清潔，保護水系發(fā)展規(guī)律，減少各種因素對水資源帶來的損害，促進水資源向生態(tài)化、均衡化方向發(fā)展。因此，在水資源的開發(fā)利用中，絕不能以損害地球上的生命支持系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)為代價，必須為經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展合理使用所需的水資源，滿足全社會用水需求，綠色節(jié)約低碳供水[5]。近幾年，各行業(yè)陸續(xù)發(fā)起了用數(shù)字化手段減少資源損耗、降低成本的可持續(xù)發(fā)展計劃，人們對大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術正在成為推動生態(tài)環(huán)境建設的新力量。

空間地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為水利工程生態(tài)區(qū)的保護帶來了契機。尤其是隨著數(shù)據(jù)采集手段的完善，三維傾斜攝影系統(tǒng)、高光譜遙感系統(tǒng)等的應用，使得基于位置的海量數(shù)據(jù)獲取成為可能，基于3D 數(shù)據(jù)仿真建模的數(shù)字孿生技術在生態(tài)環(huán)境領域也得到越來越多的應用。通過利用遙感衛(wèi)星、傾斜攝影等技術獲取高精度數(shù)據(jù)，與水利、環(huán)保、土地等相關行業(yè)的業(yè)務數(shù)據(jù)整合，形成了可視化的“地理信息服務一張圖”。再通過三維實景自動建模，構建了一個與生態(tài)環(huán)境一模一樣的“數(shù)字孿生”世界。透過衛(wèi)星影像采集的數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生做比對，能夠讓困擾生態(tài)保護區(qū)多年的植被破壞、水土污染等問題幾乎“無所遁形”。

水資源保護問題只是國家生態(tài)保護領域的一個縮影。針對十八大以來大力倡導的生態(tài)環(huán)境建設方針，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到應用服務開發(fā)貫穿數(shù)字孿生全產(chǎn)業(yè)鏈的服務能力，通過將空間地理信息數(shù)據(jù)與環(huán)保、林業(yè)、水利、測繪等各個行業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)的整合，借助實景三維建模技術，從而實現(xiàn)對大氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量等的實時監(jiān)測、治理。

3 數(shù)字孿生技術在水利工程運行管理中的具體設計

3.1 整體構想

針對單一水利工程，基于所有單元級水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)的狀態(tài)感知、信息交互、實時分析，提高對水利工程運行管理的實時控制、精確掌控和科學決策能力，實現(xiàn)水利工程資源利用效率的提升。水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)對各個模塊進行統(tǒng)一調(diào)度，進而提高各個單元系統(tǒng)間的協(xié)作效率，保證水利工程的安全運行，其運行機制如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)整體設計

3.2 仿真控制

水利工程數(shù)字孿生技術主要分為物理實體和數(shù)字孿生體。物理實體提供水利工程的實際運行數(shù)據(jù)給數(shù)字孿生體，進行信息的同頻同步；數(shù)字孿生體以物理實體的真實狀態(tài)為基準條件或約束條件進行模擬運行。經(jīng)驗證，決策后的執(zhí)行方案將會反饋到物理實體的信息化系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)運行控制[2]。水利工程數(shù)字孿生技術以水利工程實時在線監(jiān)測系統(tǒng)為其雛形，通過對相應信息的分析決策，使物理實體和數(shù)字孿生體相融合，其運行機制如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)運行機制

3.3 水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)設計思路

1）數(shù)字孿生虛擬體體系方案設計

構建水利工程數(shù)字孿生軟件系統(tǒng)架構體系和控制體系，明確目標任務，制定水利工程數(shù)字孿生體的設計方案，并列出關鍵技術清單。

2）水利工程數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集與傳輸設計

明確數(shù)據(jù)采集對象，建立數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲機制，建立水利數(shù)據(jù)元標準與數(shù)據(jù)交換格式標準，根據(jù)通用標準，制定滿足特定業(yè)務數(shù)據(jù)需求的專用標準與規(guī)范[3]。

3）水利工程數(shù)字孿生模型設計

在獲得采集的數(shù)據(jù)之后，利用數(shù)據(jù)模型仿真技術對水利工程實體運行進行全方位、多角度建模，實現(xiàn)同頻同步[3]。

3.4 水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)相關技術

數(shù)字孿生在水利工程運行管理的應用中主要包括兩個層面的相關技術。數(shù)據(jù)采集與共享層面主要包括現(xiàn)場工業(yè)總線技術、數(shù)據(jù)采集傳感技術、高帶寬光纖技術、無線網(wǎng)絡技術、工業(yè)以太網(wǎng)技術、各級終端云服務器存儲技術等。數(shù)據(jù)建模計算層面主要包括模型集成與融合技術，多物理、多尺度建模技術，模擬仿真技術，數(shù)據(jù)處理技術，信息接口技術，數(shù)據(jù)驗證與優(yōu)化技術等。

4 結語

“十四五”以來，我國水利發(fā)展已進入新階段，“智慧水利”成為引領水利發(fā)展的核心動力和實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的戰(zhàn)略支撐。未來，數(shù)字孿生流域建設應深入貫徹水利與信息化融合發(fā)展理念，構建水利智能應用體系，提高水資源集約安全利用水平，實現(xiàn)水旱災害防御“四預”功能，解決水與經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)和綠色發(fā)展，形成虛實結合、孿生互動的水利發(fā)展新形態(tài)，助推“數(shù)字中國”國家戰(zhàn)略建設。