数字孪生在水利工程建设中的探索

数字孪生在水利工程建设中的探索

吕金龙

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新疆万河升远建筑工程有限公司

摘要：现如今，随着我国经济的加快发展，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生水利工程是以物理水利工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利工程全要素和建设运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水利工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水利工程的实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。

关键词：数字孪生;水利工程建设

引言

数字孪生水利工程建设是近年来智慧水利体系建设的核心组成。论文主要围绕数字孪生水利工程建设，对数字孪生水利工程建设的方案进行了介绍，并重点探讨了基于数字孪生的水利工程建设指导思想、方法、技术框架，以及具体的应用场景。

1数字孪生技术概述

“数字孪生”概念最初起源于航空航天飞行器的健康保障与维护领域，其后在多个学科中被提出和运用。在工业领域中，数字孪生技术是进行系统建模与仿真应用的重要形式，代表先进技术的重要发展阶段。在2012年获得了比较完整的定义：指在物理实体上进行各种传感器的部署，通过这些传感器感知物理世界的运行状态，并通过信息空间进行物理实体的构建，从而实现高效协同且实时交互的虚拟模型，这一模型是依托数字化手段构建的物理世界的虚拟体，具有优化预测及分析评估、控制决策等功能，能够为工程运维管理提供高效的服务。数字孪生技术是建设智慧流域的具体技术路线，在现代高新技术如人工智能、云计算、物联网等蓬勃发展趋势下，数字孪生技术将推动水利事业踏上智慧的新台阶。数字孪生技术在运维阶段的水利工程中，能够提供气象水情、闸阀状态等水利工程运行状态信息，为科学决策提供了有效依据。建立数字孪生水利工程建设管理平台，结合当下我国在实时数字孪生引擎方面的自主研发成果，打造创新型水利解决方案，依托仿真技术对实施水利状况展开数字化模拟，围绕水利工程建设以及运维的整个过程展开实时动态化监测分析与诊断决策，进而推动水利工程智能化运行的实现，整个过程中提升了管控的精准性与运维的可靠性。除此以外，借助GIS、物联网、三维视频融合等技术方式，在虚拟水利管理平台上充分展示管理者决策，再结合水利业务数据，最终实现对水利业务的可视化、精准化管理，为水利管理者提高运行管理水平提供技术支撑。

2数字孪生在水利工程建设管理

2.1数字孪生水利工程总体技术架构

以提升工程建设管理过程中数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以数字底板、模型平台、业务应用系统为支撑，实现工程建设管理过程中数字工程与物理工程同步仿真建设，构建水利工程建设期数字孪生平台。1）物理实体：工程建设项目实体，涵盖了水利工程及其施工区域，以及对工程施工产生影响的河段等范围，同步建设覆盖区域的L3+L2级数据底板。2）基础设施：主要涵盖一体化监测感知、通信网络及云服务。3）数字孪生平台：由数据底板、模型平台等组成。4）业务应用：以水利工程建设管理需求为导向，围绕建设过程管理、工地施工管理、资产管理建设、质量监督等工作，构建孪生平台应用体系。5）标准规范保障体系：在现有基础上，逐步形成针对数字孪生工程建设的标准规范，保障各类新技术的充分应用以及孪生平台各元素的无缝衔接。6）信息安全保障体系：依据国家安全等级保护相关制度，包括强化网络安全管理、完善网络安全技术、加强网络安全监督等。

2.2守住网络安全底线

安全是底线，应完善水利网络安全体系，增强关键信息基础设施和重要数据安全保护能力，确保数字孪生水利运行安全。既要树立系统观念，强化应用思维，层层压实主管、建设、运行、使用等单位的安全责任；又要构建管理、技术、运营、保障四部分组成的水利网络安全综合防御体系。重点是确保重要数据安全，尤其是地理空间数据安全合规应用，保障数字孪生水利产生的海量数据的安全，保证水利工程控制系统类关键信息基础设施的安全。

2.3充分发挥数字孪生水利管理平台的效用

结合数字孪生技术应用于黄河治理开发管理保护中的具体情形，可知数字孪生水利管理系统至少包括以下几个方面的功能：第一，能够实现防灾减灾。这是数字孪生水利管理平台的首要目标。充分实现洪水预报，在此基础上制定科学的防汛预案，应对洪涝等灾害的产生；第二，能够实施科学的水量调度。在水域枯水期时，展开实时径流预报，展开生态模拟以及地下水观测以及水资源的实时调度。第三，能够有效推动水利工程运行管理。通过数字孪生水利系统，对水利工程运行现状能够实时了解和掌握，为防洪以及水资源统一调度决策提供有效的实时观测数据依据。第四，实现了水利管理的高效和低成本管理，办公的自动化以及信息的资源化极大提高了水利管理的效率，同时压缩了水利管理的成本，也减轻了管理人员的压力。第五，进行实时水质监测。通过设置水质监测断面展开实时监测，能够及时了解不同水域水质的变化情况。例如，针对城市居民用水进行监测，从而及时做出水质预警预报，保障居民的饮水用水安全。由此可见，数字孪生水利管理平台的功能体现在多个方面，要在水利工程建设管理中得到充分实现，就必须确保数字孪生技术应用的科学合理性，将其与水利工程管理的实际情况结合起来。

2.4规划水利工程建设与运行的智能模拟

水利工程建设是解决洪涝灾害、水资源配置、农田灌溉或供电需要，对天然径流和水文特征做出相应的改变，进行施工建设的过程。现状数字孪生水利工程建设主要以在建和已建工程的管理为主，如何在水利工程规划设计阶段将数字孪生技术运用于实际，文章探讨的观点如下：在重大水利工程规划设计的前期，以数字化手段替代传统的水利工程设计，基于物联感知设备和数据采集与分析模型，融合多源异构关键指标数据，以机器学习与高性能算力为牵引，采用数字孪生的分层分支嵌套技术，将规划水利工程对地区水文环境的影响、对土地的影响、对区域生态的影响进行全要素数字映射，并智能模拟建成后工程运行状态，深化其承洪、储水、供水或发电功能的前瞻预演能力，仿真运行并迭代优化，得出其对生态环境的综合影响最小的设计方案。其周边配套设施的设计与建设，同步在仿真运行模式下开展，以求最佳方案。

结语

数字孪生是水利高质量发展和工程建设高质量管理的重要抓手，对提升水利工程建设精细化管理水平和综合决策能力，提高水利行业监管力度具有显著意义。数字孪生在水利工程建设阶段的成功探索和应用，将对推动水利科技发展和全面创新，形成可供行业推广应用的技术体系和科技产品具有重要意义。本文探讨了数字孪生在水利工程建设管理中的应用，为智慧水利工程建设管理提供了经验，也将助力数字中国的实现。

参考文献

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