浅谈数字孪生技术在智慧水利工程中的应用

应用

摘要：“推进智慧水利建设,是提高水利信息化水平、实现数字转型和智能升级的重要抓手,是推动新阶段水利高质量发展、全面提升水安全保障能力的重要路径,是衡量水利高质量发展的显著标志。”水利部总经济师程殿龙深刻阐述智慧水利建设的重要性。而智慧水利建设道路上,数字孪生技术在水利工程中的应用极其重要,该技术是提升水利科学化、精准化、高效化决策管理能力和水平的有力保障,是未来水利工程建设的潮流。

关键词：数字孪生技术；智慧水利工程；应用 引言

数字孪生技术运用于水利工程的本质就是结合信息化手段来辅助实施水利工程的项目建设、项目运行养护以及工程检测维修工作，进而达到了水利工程的管理实践资源节约、水利工程的运行可靠性提升目标。近年以来，构建智慧水利工程的实践工作已经趋向于全面深入，客观上表现出水利工程与人工智能技术手段融合的价值作用。数字孪生的技术手段如果能得到正确的采纳运用，则非常有益于水利工程基础设施的运行使用期限延长，并且对于水利工程的管理资源成本实现了科学的优化配置。

1数字孪生的定义

数字孪生在业界关注和研究时间不长，其概念和内涵目前没有统一的定义。标准化组织、学术界、企业等机构对数字孪生定义表述不完全一致，相信随着数字孪生研究和实践不断深入，人们赋予数字孪生的定义将更加科学准确。更多研究者趋向把数字孪生（ＤｉｇｉｔａｌＴｗｉｎ）定义为“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”。

2水利工程运行管理问题

水利工程运行管理时需执行的管理工作内容较多，如引水工程管理、堤防管理、水闸管理、灌溉工程管理等，水利工程类型的不同，使得运行环境与功能也表现较多差异性，并有着各自的管理特点，需结合外界环境实际情况对管理形式进行优化。此外，水利工程的综合性、系统性较强，需同时具备发电、灌溉、防洪等基本功能，且各地区、各部门对水的要求也不同，甚至会存在利益冲突，这是水利工程运行管理时需着重考虑的问题，并需打造科学且可行的运行管理机制，实现对各项管理工作的综合决策，确保工程中水资源的合理、充分利用，提升水利工程运行效益。物联网、自动化以及仿真技术的完善与应用，推动水利工程管理工作数字化、智能化开展，加快工程建设步伐，促使水利信息化范围的不断扩大，但与水利事业实际改革需求相比，现阶段水利工程的运行管理水平仍较低，且存在较多的不足：其一，缺乏完善的水利信息化基础设施，无法在第一时间采集、获取有价值信息。其二，水利数据整合能力弱，各部门掌握的信息资源有较大偏差，不利于数据的共享与应用，缺乏水利信息资源共享体系。其三，工程运行调度时，始终依托于现行的规章制度与准则，致使各项工作固化开展，严重影响资源配置效果。

3数字孪生技术的管理对策

3.1水利工程数字孪生系统设计思路

1）数字孪生虚拟体体系方案设计构建水利工程数字孪生软件系统架构体系和控制体系，明确目标任务，制定水利工程数字孪生体的设计方案，并列出关键技术清单。2）水利工程数字孪生数据采集与传输设计明确数据采集对象，建立数据的采集、传输和存储机制，建立水利数据元标准与数据交换格式标准，根据通用标准，制定满足特定业务数据需求的专用标准与规范。3）水利工程数字孪生模型设计在获得采集的数据之后，利用数据模型仿真技术对水利工程实体运行进行全方位、多角度建模，实现同频同步。

3.2关键技术

通过对数字孪生系统技术框架以及不同层的基本功能进行研究，能够发现水利工程运行管理时，应用的数字孪生关键技术主要针对物理实体层与虚拟层不同功能。其中，物理实体层的数据采集与共享需在多种技术的支撑下实现，应用的关键技术有分布式传感技术、数据特征提取技术、分布式云服务存储技术、现场总线技术等；虚拟层主要执行的工作为数据建模与计算，为保证建模仿真能够真实、准确映射物理实体，则需应用数据处理技术、信息接口技术、嵌入式计算技术、模拟融合与集成技术、虚拟混合现实技术、多物理多尺度建模技术、模拟仿真验证与优化技术等。

3.3系统应用的评价

具有仿真虚拟特征的数字孪生系统模型在实践运用的过程中，工程管理人员需要结合专业化的指标体系来评估模型运行效率。水利工程的管理执行人员应当运用动态评估的基本思路做法来判断各个环节过程中的水利工程设施运行效果，从而做到及时察觉与纠正现有的工程管理偏差。系统应用评价的各项数据指标都要达到完整性与科学性的程度，运用客观评估的专业技术手段来保障水利工程的平稳安全运行，合理降低与控制水利工程的管理维护成本。水利施工的企业负责人员应当运用动态化的实践思路方法来降低项目施工成本，确保跟踪各种类型水利施工材料的现有市场价格变化波动过程。水利工程管理人员目前针对水利项目图纸中的缺陷因素应当给予必要整改，确保图纸设计规划人员对此实施相应的优化完善。水利施工人员以及工程设计技术人员应当展开有序的互动配合，切实增强针对水利项目基础设施的图纸设计监管约束，结合数字化手段增进配合。

3.4创建合适的系统模型

数字化模型必须要完整包含水利工程的基础设施运行工况要点，水利工程的基础设施体系结构模型应当设定科学合理的建模边界条件。从根本上来讲，水利工程的各个时段运行工况直接取决于区域水质变化以及自然气候条件的改变，因此建模技术人员必须要展开全方位的实地调研考察，如此才能做到有效保证数字孪生技术模式下的水利工程建模参数准确性。在智能化的云平台终端支撑基础上，水利工程所在河道区域的历史数据信息将会得到更为全面的采集获取，进而有益于工程技术人员形成更加全面准确的数字化模型。接口设计与集成。从整体角度

来讲，数字孪生的水利工程建模信息化系统并非存在单一的体系框架结构，而是包含了多个层次的子系统。具有松耦合特征的数字孪生水利工程模型只有设定了科学合理的系统集成条件以及系统接口设计方案，才能充分确保经过整合加工后的水利工程信息化模型准确反映工程运行特征。建模技术人员针对系统接口的类型应当予以合理的选取，并且运用准确编号的方式来形成虚拟化的数据集成系统。工程管理决策人员针对集成处理后的水利工程基础设施运行数据应当进行综合性的判断，切实预防错误的工程管理决策方案产生。

结束语

“十四五”以来，我国水利发展已进入新阶段，“智慧水利”成为引领水利发展的核心动力和实现水利现代化的战略支撑。未来，数字孪生流域建设应深入贯彻水利与信息化融合发展理念，构建水利智能应用体系，提高水资源集约安全利用水平，实现水旱灾害防御“四预”功能，解决水与经济社会的协调和绿色发展，形成虚实结合、孪生互动的水利发展新形态，助推“数字中国”国家战略建设。

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