數(shù)字孿生在水利水電信息化上的應(yīng)用研究

張靖翼，王美慧

（1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261000；2.天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900）

1 引言

數(shù)字孿生作為一種新興的數(shù)字技術(shù)，近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，而在水利行業(yè)中的應(yīng)用也逐漸引起了人們的關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)是利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

隨著信息化的快速發(fā)展，水利行業(yè)也逐漸實(shí)現(xiàn)了信息化建設(shè)，但在信息化的進(jìn)程中，也暴露出了一些問題，例如水利行業(yè)信息化建設(shè)存在的低層次、重復(fù)投入和人才短缺等問題，同時(shí)，水利系統(tǒng)數(shù)字化與優(yōu)化的需求也越來越迫切。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用具有廣泛的前景和深遠(yuǎn)的意義，并且隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它將會(huì)在水利信息化中發(fā)揮越來越重要的作用。

2 數(shù)字孿生概述

2.1 數(shù)字孿生的發(fā)展歷程

隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，越來越多的工業(yè)企業(yè)開始嘗試將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)和制造過程中。數(shù)字孿生技術(shù)是一種將現(xiàn)實(shí)物理世界與虛擬數(shù)字世界相結(jié)合的技術(shù)，旨在快速創(chuàng)建、更新和優(yōu)化物理實(shí)體模擬的數(shù)字孿生模型，以實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化其運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)證明它的作用無可替代，可以有效提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)核心競爭力。

數(shù)字孿生技術(shù)在水利信息化中也有著廣泛的應(yīng)用前景。在水利系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建立數(shù)字孿生模型，對水利系統(tǒng)進(jìn)行全面的仿真和模擬分析，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在水利系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中，數(shù)字孿生技術(shù)可以對水利系統(tǒng)的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，及時(shí)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行故障，保障水利系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在水利安全監(jiān)測中，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建立水利系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，對水利系統(tǒng)進(jìn)行全面的安全評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的措施，從而實(shí)現(xiàn)水利系統(tǒng)的智能化和安全運(yùn)行。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)

（1）數(shù)字化仿真

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化信息為基礎(chǔ)來對物理場所完成數(shù)字化復(fù)現(xiàn)，然后通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間之間的虛實(shí)互動(dòng)。再把3D 測繪、幾何建模、流程建模等技術(shù)融入到現(xiàn)實(shí)物理作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體對象的數(shù)字化，搭建出相應(yīng)的機(jī)理模型，最終通過物聯(lián)網(wǎng)感知接入技術(shù)使物理對象可被計(jì)算機(jī)感知、識(shí)別。

（2）數(shù)據(jù)分析診斷

將實(shí)物與數(shù)字模型相互連接，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步和傳輸，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型融入實(shí)際物理作業(yè)環(huán)境的仿真模型中，全周期的對物理作業(yè)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。同時(shí)通過實(shí)際需求，建立相應(yīng)的知識(shí)圖譜，構(gòu)建各類可復(fù)用的功能模塊，對所涉及數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對已發(fā)生或即將發(fā)生的問題做出診斷、預(yù)警及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對物理世界的狀態(tài)跟蹤、分析和問題診斷等功能。

（3）自我學(xué)習(xí)預(yù)測

數(shù)字孿生通過將實(shí)際物理行業(yè)環(huán)境感知的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與動(dòng)態(tài)行業(yè)詞典結(jié)合來進(jìn)行自我學(xué)習(xí)更新，并根據(jù)大數(shù)據(jù)中已知的物理對象運(yùn)行模式，在數(shù)字空間中預(yù)測、模擬并調(diào)試潛在未發(fā)覺的及未來可能出現(xiàn)的物理對象的新運(yùn)行模式。在建立對未來發(fā)展的預(yù)測之后，數(shù)字孿生將預(yù)測內(nèi)容以人類可以理解、感知的方式呈現(xiàn)于數(shù)字空間中。

（4）自我決策自治

數(shù)字化仿真、數(shù)據(jù)分析診斷和自學(xué)習(xí)形成完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過對各類智能推理結(jié)果的進(jìn)一步歸集、梳理與分析，來實(shí)現(xiàn)對物理世界復(fù)雜狀態(tài)的預(yù)判?？梢詫?shí)體設(shè)備自發(fā)地提出決策性建議和預(yù)見性改造，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整和完善自身系統(tǒng)。

2.3 數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)字孿生作為近年來的熱門技術(shù)，它的優(yōu)勢在于可以通過虛擬仿真的方式進(jìn)行產(chǎn)品生命周期的模擬和優(yōu)化，從而降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的品質(zhì)。值得注意的是，數(shù)字孿生的應(yīng)用不僅局限于制造領(lǐng)域，它還可以應(yīng)用于能源、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在運(yùn)輸領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以應(yīng)用于航空、鐵路、公路、海洋、物流等領(lǐng)域，幫助優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營。在醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)療器械等，幫助醫(yī)生診斷和治療疾病。

在水利行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)同樣能夠發(fā)揮重要的作用。由于水利系統(tǒng)相對復(fù)雜，不同的水利系統(tǒng)之間也存在差異，使得傳統(tǒng)的方法難以準(zhǔn)確描述和模擬。而數(shù)字孿生技術(shù)可以采用三維仿真技術(shù)，將實(shí)際的水利系統(tǒng)建模成為數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用模擬技術(shù)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定更加科學(xué)的規(guī)劃策略和改進(jìn)水利設(shè)施的設(shè)計(jì)。

3 水利水電信息化現(xiàn)狀及問題分析

3.1 水電行業(yè)信息化發(fā)展現(xiàn)狀

水利行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中重要的組成部分，信息化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和現(xiàn)代化水利管理的必要手段。目前，水利信息化發(fā)展已取得了顯著成果，但其整體水平仍然有待提高。在信息化進(jìn)程中，水利行業(yè)面臨多重挑戰(zhàn)，如技術(shù)水平相對較低、數(shù)據(jù)管理不規(guī)范等問題，這些都制約了水利信息化發(fā)展后續(xù)進(jìn)程。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，水利信息化發(fā)展所面臨的問題可迎刃而解。數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用不僅可以提高效率和減少成本，而且可以提高水利系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在水利信息化中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 水電信息化存在的問題

水利信息化在我國的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，但是仍然存在一些問題：

（1）信息化水平不平衡。

（2）由于水利領(lǐng)域的數(shù)據(jù)獲取途徑、考慮的因素較多，整合的困難系數(shù)也較大。

（3）水利信息化發(fā)展進(jìn)程中缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，不利于信息流通與共享。

（4）信息安全方面的保障還需進(jìn)一步加強(qiáng)，存在安全漏洞的情況也時(shí)有發(fā)生。

針對這些問題，數(shù)字孿生技術(shù)能為水利信息化建設(shè)提供有效解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)可以對水利體系進(jìn)行精準(zhǔn)建模，從而準(zhǔn)確分析、檢測水利設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提升運(yùn)維效率。此外，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以提高水利設(shè)施的監(jiān)測精度，預(yù)測設(shè)備故障發(fā)生的可能，提前制定防范措施。

3.3 水利系統(tǒng)數(shù)字化與優(yōu)化的需求

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水利系統(tǒng)信息化的需求日益增加。由于水利工程區(qū)域分布廣，設(shè)備數(shù)量眾多，傳統(tǒng)的手工記錄已經(jīng)難以勝任信息化的需求。目前，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，為水利信息化提供了一種新的解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過模擬真實(shí)的水利系統(tǒng)及其環(huán)境，以及對這些系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，提高水利系統(tǒng)的運(yùn)行效率，優(yōu)化水資源的利用。因此，水利系統(tǒng)數(shù)字化與優(yōu)化的需求日益迫切。

4 數(shù)字孿生在水利信息化中的應(yīng)用

4.1 數(shù)字孿生在水利系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在水利行業(yè)中，通過模擬水利系統(tǒng)的運(yùn)行過程，幫助設(shè)計(jì)人員對水利系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測水利系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，快速發(fā)現(xiàn)故障，提高水利設(shè)施的運(yùn)行效率。還可用于水利巡查和安全監(jiān)測，提高水利系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4.2 數(shù)字孿生在水利系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用

在水利系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中，通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬模型，可實(shí)現(xiàn)對水利系統(tǒng)運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)警等功能，提供了更加全面、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的運(yùn)維手段。

首先，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水利設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測和模擬仿真。通過對水利設(shè)施的3D 建模，數(shù)字孿生技術(shù)可以將真實(shí)設(shè)施與虛擬模型相結(jié)合，構(gòu)建完整的數(shù)字孿生模型。在數(shù)字孿生模型中，可以對水利系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)測，預(yù)測潛在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)采取行動(dòng)進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化，從而提高水利設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性。

其次，數(shù)字孿生技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對水利系統(tǒng)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)預(yù)警和診斷。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以對水利系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提供運(yùn)行分析和故障診斷支持，為運(yùn)維人員提供科學(xué)的決策依據(jù)，提高水利系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

總之，數(shù)字孿生技術(shù)在水利系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用，可以提供更全面、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測和分析支持，為水利設(shè)施的安全運(yùn)行提供更加有力的保障。未來數(shù)字孿生技術(shù)將繼續(xù)在水利行業(yè)信息化中扮演重要的角色，助力水利行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。

4.3 數(shù)字孿生在水利安全監(jiān)測中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的安全監(jiān)測工作存在著很多問題。例如，很多監(jiān)測手段僅僅能夠提供一些簡單的數(shù)據(jù)信息，難以達(dá)到事前預(yù)警、事中控制和事后評估的全過程監(jiān)測。因此提升水利安全監(jiān)測的智能化程度成為了當(dāng)前亟待解決的問題。在水利安全監(jiān)測中，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水利系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模擬和重現(xiàn)，可以建立各種復(fù)雜的模型，包括水文模型、水力學(xué)模型、水文水力聯(lián)合模型等，利用復(fù)雜的算法和大量的計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)對水利系統(tǒng)的快速建模和仿真。通過這些模型的運(yùn)行獲取到各種指標(biāo)、數(shù)據(jù)和結(jié)論，從而達(dá)到提升監(jiān)測的準(zhǔn)確性和及時(shí)性的目的。

數(shù)字孿生技術(shù)在水利安全監(jiān)測方面還可以實(shí)現(xiàn)對水庫、河道、水電站等各種重要的水利設(shè)施的智能化監(jiān)測。通過在設(shè)施上安裝各種傳感器，實(shí)時(shí)收集設(shè)施內(nèi)部的各種信息和數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用數(shù)字孿生技術(shù)中的深度學(xué)習(xí)、人工智能等算法，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析和處理，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)水利系統(tǒng)出現(xiàn)的各種異常情況，從而達(dá)到及時(shí)預(yù)警和應(yīng)急控制的目的。

5 結(jié)語

在水利信息化現(xiàn)狀中，存在著信息、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)缺乏等問題。這些問題限制了水利信息化領(lǐng)域的發(fā)展，并給水利事業(yè)的正常運(yùn)行帶來了很大的不利影響。因此，在這樣的背景下，數(shù)字孿生技術(shù)具有發(fā)展的必要性和應(yīng)用的迫切性。

數(shù)字孿生技術(shù)在水利系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用可以讓設(shè)計(jì)者通過對水利系統(tǒng)的數(shù)字化建模，快速地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)字孿生技術(shù)在水利系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用則可以通過高精度數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際系統(tǒng)的仿真模擬，快速分析故障原因并進(jìn)行故障排除。在水利安全監(jiān)測中，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過數(shù)字化監(jiān)測數(shù)據(jù)快速計(jì)算水利系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，并提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測警報(bào)。這些應(yīng)用可以提高水利系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，為水利事業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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