數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務應用探究

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：丁瑤（1989—），女，天津人，工程師，主要從事水利信息化咨詢工作。

摘 要：數(shù)字孿生技術(shù)為水閘工程建設打開新局面，對數(shù)字孿生流域建設具有重大意義。闡述了數(shù)字孿生水閘工程建設的必要性與業(yè)務需求，梳理了數(shù)字孿生水閘工程體系總體框架，并介紹了數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務的應用場景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；水閘工程；防洪調(diào)度

中圖分類號：TV675 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

國家“十四五”規(guī)劃綱要明確要求，構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提高水情測報和智能調(diào)度能力[1]。數(shù)字孿生水利是面向新階段水利高質(zhì)量發(fā)展需求，為水利決策管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支持，實現(xiàn)水利業(yè)務與現(xiàn)代信息技術(shù)融合發(fā)展的智慧水利實施措施[2]。數(shù)字孿生流域建設是建設智慧水利體系實現(xiàn)“預報、預警、預演、預演”的業(yè)務核心和關(guān)鍵，而數(shù)字孿生水閘工程建設是數(shù)字孿生流域建設的基本單元，數(shù)字孿生流域正處于起步階段，數(shù)字孿生水閘工程作為數(shù)字孿生流域的一部分，明確數(shù)字孿生水閘業(yè)務需求，梳理數(shù)字孿生水閘工程建設框架，加快利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，提高水閘工程的智慧化水平，在促進業(yè)務協(xié)同、創(chuàng)新工作模式、提升服務效能方面不斷取得突破。因此，數(shù)字孿生水閘工程對數(shù)字孿生流域建設及智慧水利體系建設意義重大。

1 數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務的需求分析

1.1 水旱災害防御調(diào)度需求

水旱災害防御調(diào)度需要對水閘工程的氣象、水雨情、工情監(jiān)控信息進行查詢、綜合分析決策，與上下級單位進行綜合會商并下達調(diào)度指令、調(diào)度情況反饋等。通過數(shù)字孿生水閘工程建設，能夠滿足基于數(shù)字化場景展示洪水演進過程、水閘調(diào)度過程等，實現(xiàn)人機互動的同步仿真預演，輔助支撐防洪調(diào)度、水資源調(diào)度等業(yè)務工作，不斷提升綜合效益，為水閘工程聯(lián)合調(diào)度管理提供智能化、科學化技術(shù)支持。

1.2 工程運行管理需求

水閘工程安全運行管理工作極為重要，但當前還有較多的水閘工程尚未建設工程安全監(jiān)測、運行管理以紙質(zhì)表格記錄為主，效率較低，亟需針對水閘工程運行管理薄弱環(huán)節(jié)，開展數(shù)字孿生水閘工程建設，加強工程安全預警分析、巡視巡查、維修養(yǎng)護等功能應用，實現(xiàn)水閘工程運行管理智能化應用。

2 總體框架設計

數(shù)字孿生水閘工程建設遵循智慧水利、數(shù)字孿生水利工程建設總體框架，主要包括實體工程、信息基礎(chǔ)設施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系、保障環(huán)境（圖1）[3]。

2.1 實體工程

實體工程包括水閘工程、堤防、河口等實體工程及其保護范圍。

2.2 信息基礎(chǔ)設施

信息基礎(chǔ)設施主要包括監(jiān)測感知體系、通信網(wǎng)絡、自動化控制系統(tǒng)、信息保障環(huán)境。其中，監(jiān)測感知體系包含水文監(jiān)測信息、工程安全監(jiān)測信息等；通信網(wǎng)絡按功能分為業(yè)務網(wǎng)、工控網(wǎng)等不同網(wǎng)絡，而業(yè)務網(wǎng)分為信息管理區(qū)和互聯(lián)網(wǎng)服務區(qū)，工控網(wǎng)分為實時控制區(qū)和過程監(jiān)控區(qū)；自動化控制系統(tǒng)包含對工程閘門、泵站、船閘、發(fā)電機組等進行自動化控制，可通過數(shù)據(jù)外發(fā)、傳感器檢測、視覺識別等方式實時監(jiān)測被控制設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)；信息保障環(huán)境包含機房環(huán)境、計算存儲資源及會商調(diào)度中心建設。

2.3 數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生平臺包括數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺及孿生引擎。通過數(shù)據(jù)底板搭建水閘工程及其管理范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型、正射影像圖、傾斜攝影、水下地形及BIM模型；利用數(shù)據(jù)引擎匯聚各類信息，完成數(shù)據(jù)的匯集、歸類、清洗和治理，集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)上為數(shù)字化場景建設和模型平臺、知識平臺調(diào)用數(shù)據(jù)提供接口服務；模型平臺建設支撐水閘安全管理、調(diào)度等業(yè)務應用的水利專業(yè)模型，搭載智能識別模型通過模型模擬仿真引擎進行標準化、通用化處理，將模型計算應用融入數(shù)字孿生場景；知識平臺通過知識引擎融入水利對象關(guān)聯(lián)關(guān)系、工程安全知識庫、業(yè)務規(guī)則等水利知識，實現(xiàn)水利知識共享和迭代更新。

2.4 業(yè)務應用

數(shù)字孿生水閘業(yè)務應用以實體水閘工程業(yè)務需求為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生平臺為支撐融合感知、數(shù)據(jù)、計算、模型、智能等方面信息技術(shù)于一體，通過實時感知、精準預警、高效調(diào)度，全面提高水閘工程安全運行管理與調(diào)度決策水平。

2.5 網(wǎng)絡安全體系

網(wǎng)絡安全體系依據(jù)《水利網(wǎng)絡安全保護技術(shù)規(guī)范（SL/T 803—2020）》等標準規(guī)范進行建設，主要包括管理體系、安全技術(shù)體系、安全運營體系和監(jiān)督檢查體系，用于加強數(shù)據(jù)安全保護，全面保障數(shù)字孿生水閘工程系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全。

2.6 保障環(huán)境

保障環(huán)境建設主要包括各項管理制度、運維保障及標準規(guī)范。

3 數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務應用探究

數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務應用以服務水閘工程安全運行管理與綜合調(diào)度為目標，通過搭建數(shù)字孿生水閘工程場景，以虛擬模型映射物理實體的方式，對水閘實體和業(yè)務現(xiàn)象進行模擬和預測，以物理水閘工程為單元、時空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學模型為核心、水利知識為驅(qū)動，對物理水閘工程全要素和安全運行全過程進行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預演，實現(xiàn)與實體水閘工程同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，為水閘工程綜合決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 數(shù)據(jù)底板

建設水閘工程的數(shù)字高程模型、正射影像圖、傾斜攝影、水下地形及BIM模型，同時集成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)，共同形成水閘工程的數(shù)據(jù)底板。

3.2 專業(yè)模型

根據(jù)水閘工程業(yè)務工作需求建設水閘工程業(yè)務模型，包括防洪調(diào)度模型與工程安全模型。

3.2.1 防洪調(diào)度模型

開發(fā)水利工程水閘防洪調(diào)度模型，為防洪形勢預判、水旱災害防御會商提供數(shù)據(jù)支撐。

洪水預報：根據(jù)洪水形成和運動規(guī)律，利用過去和實時水文氣象資料，預報未來一定時段的水閘上游及管理范圍洪水發(fā)展情況。

防洪調(diào)度：根據(jù)實時水雨工情及預見期內(nèi)來水過程，模擬預測水閘工程在不同防洪調(diào)度方案下的調(diào)度過程。

3.2.2 工程安全模型

基于工程安全機理理論，開發(fā)工程安全模型，實現(xiàn)工程變形分析、滲流滲壓分析、應力應變分析，同時基于數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)異常識別、工程安全預測預警、工程安全狀態(tài)評估、機電設備故障診斷分析和預警預測。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：對各類采集的原始數(shù)據(jù)進行物理量轉(zhuǎn)換計算、測量評查、數(shù)據(jù)檢驗、數(shù)據(jù)補插、標準化處理等，為工程運行安全性態(tài)分析模型提供數(shù)據(jù)支撐。

安全運行分析：利用變形、滲流、應力、機電設備狀態(tài)統(tǒng)計模型等，分析工程運行狀態(tài)及運行過程中外部環(huán)境信息影響規(guī)律。

趨勢預測預報：利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)序列建立工程運行安全趨勢預測預報模型，實現(xiàn)工程變形、滲流等預測預報。

異常預警：利用工程運行安全趨勢預測預報結(jié)果，與工程運行安全警戒值擬定模型的閾值和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行差異分析，依據(jù)一定預警規(guī)則，提出單測點超限值和多測點超限域分級預警。

3.3 水利知識

根據(jù)水閘工程特點，水利知識主要構(gòu)建工程安全規(guī)則和調(diào)度規(guī)則兩部分內(nèi)容，為業(yè)務應用提供知識支撐。

3.3.1 工程安全規(guī)則

構(gòu)建包括工程調(diào)度運用規(guī)程、機電設備運行操作規(guī)程、工程安全監(jiān)測資料整編規(guī)程、工程安全現(xiàn)場檢查、工程安全應急預案在內(nèi)的工程安全規(guī)則，并結(jié)合實際情況不斷更新。

3.3.2 調(diào)度規(guī)則

基于知識圖譜技術(shù)，解析水閘工程的啟用條件、來水情況、控制需求、運行方式等內(nèi)在邏輯關(guān)系，制定運行調(diào)度規(guī)則，并結(jié)合實際情況不斷更新。

3.4 業(yè)務應用

數(shù)字孿生水閘工程以防洪聯(lián)合調(diào)度、工程運行管理、綜合決策支持為重點功能，同時兼顧數(shù)字博物館與移動應用，業(yè)務應用基于數(shù)字孿生場景，以專業(yè)模型與水利知識服務為支撐，通過數(shù)據(jù)底板融合和挖掘分析各類數(shù)據(jù)資源，全面掌握水閘工程綜合信息，建設形成邏輯嚴密、功能全面、界面友好、協(xié)同高效的綜合決策支持平臺，提供數(shù)字化、可視化、智能化的業(yè)務應用系統(tǒng)。

3.4.1 數(shù)字孿生場景

通過工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM模型及可視化模型，建設水閘工程及其管理范圍的自然背景、流場動態(tài)、水閘工程及水閘工程機電設備可視化場景，提供水閘工程的數(shù)字化實時渲染和可視化呈現(xiàn)，用于精準化的工程安全運行管理與工程調(diào)度業(yè)務交互式數(shù)字孿生工作。

自然背景：數(shù)字化自然背景針對多源、多維、多時空分辨率、不同坐標系地理空間數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對水閘管理區(qū)域范圍內(nèi)的影像、地形、河流、道路、建筑、工程、模型模擬結(jié)果等對象進行三維可視化渲染。

流場動態(tài)：針對水閘工程管理范圍內(nèi)的河道開展數(shù)字化流場動態(tài)建設，打造河流的動態(tài)流動仿真模擬，輔助由物理世界向數(shù)字虛擬世界的動態(tài)數(shù)字化映射。

水閘工程：針對水閘工程實體開展水閘工程BIM模型建設，通過水閘工程結(jié)構(gòu)信息、傾斜攝影等進行模擬仿真，輔助構(gòu)建虛擬化水閘工程可視化模擬場景。

水閘機電設備：針對水閘工程的閘門開閉、水閘設備運行態(tài)勢等要素信息進行仿真模擬，同時結(jié)合專業(yè)模型算法，對水雨情、水量、有功出力、變形、滲流、發(fā)電負荷等關(guān)鍵指標進行多維度綜合分析，對異常態(tài)勢進行實時預警告警，為水閘工程安全運行提供可視化支撐。

3.4.2 防洪聯(lián)合調(diào)度

以數(shù)字孿生水閘工程為底座，利用專業(yè)模型與知識服務，融合多源數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)氣象水文耦合及預報調(diào)度一體化的全面準確預報、及時精準預警、人機互動的同步仿真預演，同時，提供調(diào)度指令下達及調(diào)度執(zhí)行情況反饋等功能，為水閘工程聯(lián)合調(diào)度管理決策提供智能化、科學化技術(shù)支持。

3.4.3 工程運行管理

以數(shù)字化場景、工程安全監(jiān)測為依托，充分融合數(shù)字孿生水閘工程的數(shù)字映射和仿真模擬技術(shù)，重點聚焦汛期、強降雨等特殊時期，開發(fā)工程安全預警分析、巡視巡查、維修養(yǎng)護、運行管理等功能，滿足水閘工程安全穩(wěn)定運行管理業(yè)務工作需求。

3.4.4 數(shù)字博物館

立足水閘文化，充分利用水閘工程文化資源，面向公眾用戶建設水閘工程數(shù)字博物館。基于水閘工程數(shù)字化場景，建設線上一站式水閘文化數(shù)字博物館，詮釋水閘工程的發(fā)展歷史，實現(xiàn)水閘水文化展示、數(shù)字保護、文化傳承的目標。

3.4.5 移動應用

開發(fā)移動應用用于提高監(jiān)測效率和科學化管理水平，實現(xiàn)與PC端的全方位業(yè)務匯聚和應用連接，實現(xiàn)信息多端同步、多屏互動、協(xié)同辦公。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生水閘工程是數(shù)字孿生流域建設的重要組成部分，數(shù)字孿生水閘工程業(yè)務應用探究為數(shù)字孿生水閘工程建設提供了具體思路。按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提高能力”的要求，明確需求，堅持數(shù)字賦能，依托大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，通過數(shù)字孿生水閘工程動態(tài)掌握流域工程全貌，實現(xiàn)精準定位、影響分析、形勢預判，更好支撐上下游、左右岸、干支流聯(lián)防聯(lián)控聯(lián)治。

參考文獻

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[3] 謝文君，李家歡，李鑫雨，等.《數(shù)字孿生流域建設技術(shù)大綱（試行）》解析[J].水利信息化，2022（4）：6-12.