淺談數字孿生技術在水利工程運行管理中的現狀分析與前景展望

彭金波

廣州市水生態建設中心 廣東 廣州 510403

隨著物聯網、大數據、5G等新技術的不斷發展，無人機、GPS、GIS等軟硬件技術應用的逐步完善，我國水利工程的運行管理水平取得了顯著的提升。數字孿生技術作為現實世界和虛擬世界實時交互的管理模式，能夠極大地提升數字化技術的應用效率和質量。通過高速發展的建模仿真、人工智能和虛擬現實技術，建立虛擬實體的數字孿生技術，實現實體的數字化控制和優化，為水利工程運行管理數字化轉型提供了切實可行的途徑。

1 數字孿生技術

網絡技術、信息技術的深入發展，云計算、虛擬仿真等高新技術的相繼涌現，使得各行業的數字化轉型正在發生深刻的變革。2003年，美國密歇根大學邁克爾教授首次提出數字孿生技術的概念，就是用虛擬的方式來表示實物產品[1]。直到2012年，美國宇航局對數字孿生技術進行詳細的界定，即利用相關數據，結合仿真過程將虛擬空間的信息映射到實體世界當中。數字孿生技術涉及的學科范圍很廣，包含了物理模型、運行歷史等特定的數據，可以真實地反映出設備的生命周期。數字孿生技術核心是將各種傳感器安裝到物理實體上，收集在物理實體的工作信息，然后將現實世界中的相關數據轉換為虛擬數據，這樣就可以將現實世界和虛擬世界進行鏡像連接。通過建立包含物體形狀、屬性和軌跡的信息處理模型，可以實現對實體的狀態進行評估和預測，提高對實體的精確管理和智能維護。數字孿生技術作為新興的系統建模與虛擬仿真技術，包含大數據技術、云計算技術、人工智能技術等多種新興數字技術，可以為用戶提供強大的數據采集存儲能力、分析計算能力、邏輯推演能力，利用數字技術建立虛擬實體，從而了解、分析、預測、優化物理實體的相關信息，輔助做出科學決策。

2 水利工程運行管理中的現狀

2.1 綜合功能發揮不足

隨著時代的發展進步，水利工程作為承載國民經濟和社會發展的基礎設施，不僅要滿足人類生產生活對水資源的需求保障，還要兼顧到水安全提升、水環境治理、水生態保護、水文化弘揚乃至水經濟發展的方方面面[2]。水利工程的運行管理水平在某種程度上影響其功能效益的實現，而傳統的運行管理模式目標不明確，往往只側重于某一方面的功能，從而制約其綜合功能的有效發揮、水利資源的最優配置。

2.2 管理制度設置不優

在現行水利工程管理機制中，部分重要的水利工程由水利部門組建專業隊伍負責運行管理，部分按職責劃歸相關職能部門負責，還有部分按屬地管理原則由街道或鄉鎮負責管理，多頭管理容易引起職能交叉與管理真空的問題同時存在，而且隊伍不專業、標準不統一、制度不健全，導致管理粗放、效率低下、效果不佳，使得該問題長期困擾著水利工程運行管理能力的現代化進程。

2.3 基礎數據共享不暢

水利工程運行管理綜合效益的發揮需要融合全方位、多層次的基礎數據，近年來，隨著水利信息化建設的推進，某些業務領域已經逐步建立了一些相對獨立的信息系統，但其統籌建設與資源共享力度仍然不足，存在著基礎數據不集中或者集中而不共享的問題，各業務平臺之間的協同聯動機制不順暢，未能形成基礎數據的高效整合與共享，不利于精準分析、科學決策。

2.4 信息化建設水平不高

水利工程運行管理對象涉及內容十分龐雜，包括水閘、泵站、堤防、水庫、引水工程、灌溉工程、供水工程等等，不同類型工程的運行特點和管理需求各不相同，這就決定了水利工程的運行管理具有系統性，是一項綜合決策[3]。當前，由于水利管理決策需要的相關要素信息采集能力不足，相應基礎設施體系不夠完善，大部分水利工程仍然采用傳統的運行管理手段，以分散式的人力管理為主，在信息化建設方面還比較落后，導致整體運行管理效率低下、科學決策水平不足，與新時代推進水利高質量發展的需求不相適應。

3 水利工程數字孿生技術系統建設

3.1 建設目的

數字孿生技術在水利工程中的應用，可以實現對整個水利工程的生命周期管理，包括物理實體控制、調度過程管理等。可以把不同的水利工程構成不同的數字模型，把各個層面的物理實體有效區域分割開來，突出重點區域，能夠對不同工程部件進行精確化的分析和控制，延長使用壽命。與傳統的管理方式相比，利用數字孿生技術可以顯著提高水利工程的管理水平。

根據水利工程的實際情況，結合數字孿生技術的技術優勢，水利工程數字孿生技術系統的建設目標包括以下幾個方面：一是實現全要素、全流程管理，即利用物聯網等相關技術實現對于水利工程中所包含的人、機、物等關鍵要素的數字化映射，通過預先制定的統一標準將各個要素進行模塊化構建，并將這些信息發布在可共享的、統一的平臺上[4]。通過收集各個水利設施的運行情況，對整個水利工程的運行狀況進行數字化映射，從而實現對整個水利工程的運行狀況進行全方位的、實時的監控，為整個水利工程的評價和優化工作打下了堅實的基礎。在這個過程中所有的基礎資料都是由不同的對象組成，將這些資料進行歸集，并根據統一的數據標準進行整合，可以有效地解決基礎數據不暢等問題，實現信息共享的全方位、全過程、全要素管理這一終極目標，也是提高水利信息化服務有效性與可靠性的關鍵所在。二是實現虛實相融，在水利工程實際運行中實際的狀態是“實”，而采用數字孿生技術建立的是“虛”。水利工程自身所包含的水利設施很多，存在著大量的實物實體，因而很難對其進行全面的管理[5]。利用數字孿生技術，可以達到“以虛控實”的目的，也就是利用控制信息處理模型，對水利工程中的各個實體進行控制。把水利工程運行管理中的實體映射到信息空間的處理模式中建立交互關系，可有效解決水利工程運行管理中存在的綜合功能兼顧不足的問題，進而改進系統的處理能力。

3.2 實施模式

水利工程數字孿生技術系統主要分四個層次進行建設。第一，要從系統功能的視角出發，對各個部門所涉及的業務進行功能設計，并將其與數字孿生技術的特定功能對應起來。第二，要從多個角度描述和建立運行管理要素，并運用計算機技術進行精確的建模，以不斷增強虛擬模型映射實體的能力。第三，要對各模型的關系進行分析，并建立系統流程圖等方法，使各模型間的聯系更加清晰，實現全要素、全過程的管理與控制。第四，實現數字孿生技術系統的生命周期的閉環管理，為水利工程的運行管理提供依據。

4 數字孿生技術在水利工程運行管理中的應用

4.1 完善流域江河湖泊和水工程監控體系

一是完善江河湖泊感知體系建設。水文水資源信息是實現流域數字地圖的基礎資料，主要內容包括水量、水位、流量、水質、泥沙、降雨量等方面的信息。要優化行政區邊界、取退水口、地下水、生態用水等監測站點網絡，做到全要素的實時在線監測，提高信息獲取和感知能力；要把空間分辨率、航空遙感技術與陸地水文監測技術相結合，推動“空天地”流域洪水綜合監控系統的建設，使其覆蓋范圍、密度和精度得到進一步提升；對山洪災害監測站網進行優化，把雷達列入常規降雨監測范圍；保證監控斷面全部納入監控范圍，在有必要進行視頻監控的地方安裝監控設備；要進一步提高水資源的采集和利用，必須弄清水資源的取、用、輸、排等各方面的基本情況[6]。二是要健全水利設施的認知機制。水利信息是流域數字地圖中的一個重要組成部分，包括水電站、泵站、水閘、堤防、灌區、蓄洪區等。利用視頻、監測、BIM等技術，對流域水利工程進行了全面的數據采集與管理；加強對水利工程建筑物和機電設備運行狀態的實時監控。對于新建、改擴建、除險加固水利工程，要在前期和設計階段，加大自動化監測設備和智能管理系統的設計，為以后的數據采集奠定良好的基礎。

4.2 加強新技術應用提升監測技術水平

一是強化智慧感知3S技術的運用，利用衛星和雷達等遙感技術對大范圍流域進行動態監控和預警。采用智能的視頻監控系統，利用智能的圖像分析，實現自動識別、智能監視和自動報警。根據不同監測的需要，合理使用無人機、無人船、機器人等設備進行深入監測。基于網絡的傳輸需求，推動新的技術如5G、物聯網等的應用。二是優化監控設備的創新應用，加強對“一桿通”等新型監測設備的試點和推廣，促進監管機構的改革和創新。

4.3 構建天空地一體化水利感知網

根據流域管理的有關職能以及水利工程運行管理新需要，在新的信息技術下采用“控制點+定位軸網”模型，并根據該模型進行建模。利用高分辨率的衛星圖像，對各主要河段的水系進行了提取和合成，并對各河段的水質參數進行了反演，實現了一幅地圖的綜合顯示，全面有效地掌握了各河段的水質狀況，并將其定位在了重點污染河段。利用無人機采集到的監控視頻、空中全景圖等資料，結合歷史數據和深度學習，對河湖“五清”工作進行全面、有效的技術支持。利用物聯網，有效整合和集中管理前端感知設備，實現對涉水要素的實時監控，主要包括：水戶監控設備、河道流量監控站、雨量監控站、水質監控站、水利工程建管視頻監控等，為水雨情、水利工程運行，河流湖泊水質提供長期動態監控手段。

4.4 打造水利工程的數字孿生體

利用BIM+GIS和數字孿生技術，在重要的水庫、堤壩、蓄滯洪區、水閘、泵站等建設水利工程實時監測系統。通過精確地繪制關鍵數據，進行三維場景的虛擬仿真，以及利用無人機傾斜拍攝等技術，可以使數字孿生技術系統更加真實，從而構建高效的水利工程數字孿生技術系統。

5 數字孿生技術在水利工程運行管理中的前景展望

5.1 實現全生命周期管理

水利工程是一種具有明顯物理特性的物理實體，它可以通過數字孿生技術來進行水利工程的運營和管理。利用數字孿生技術將水利工程中的人、環境、信息等要素進行虛擬映射，利用實時信息傳輸技術，實現對水利工程的全生命周期管理，真實、客觀地反映水利工程的實際運行狀況，實現對水利工程中所包含的閘門、機電設備以及通信設備等設施設備的監控和管理。通過建立相應的數據庫，將傳感器和維修歷史數據進行整合，利用數據挖掘和機器學習等技術，對這些數據進行分析和預測，有效地防止設備的失效，延長系統的使用壽命。同時，通過對數字孿生技術的建模進行預測，可以為設備的維修養護工作提供基礎，使整個系統能夠有計劃、有重點地進行。

5.2 實現自動化信息管理

新時期對水利工程的運行管理水平提出了更高的要求，為了保證水利工程運行的穩定性、可靠性，也為了確保水資源的可持續利用，我國正不斷推進水利工程運行管理的數字化、智能化發展。利用數字孿生技術可以對各種數據進行有序地收集、歸類，并根據統一地規范進行精確的管理，方便對數據進行歸檔、整理，為以后的數據分析和共享提供基礎資料。同時，統一的數據標準與格式可以有效地解決信息不一致、標識不一致等問題，提高了數據利用的效率。從當前水利工程的運營與管理狀況來看，信息處理過程太過單一，僅停留在一個單一設備或系統，其綜合性、系統性、精確度和有效性都還不足。在此基礎上，利用數字孿生技術建立的管理平臺，可以對整個運行流程進行規劃和設計，實現自動化的信息管理，為決策者提供有效的決策支持。

5.3 構建數字化模型體系

將數字孿生技術運用到水利工程的運行管理中，可以更好地了解和掌握水利設施的實際狀況，有關部門可進一步探討推動建設水利工程的數字孿生技術系統，進而提升水利系統的運行管理水平。數字孿生技術在水利工程運行管理中的應用優勢顯著，比如針對水閘開關狀態、氣象水情、結構應力、水質監測、洪澇風險分析、應急調度管理等信息進行實時監督，全面反映實際工程狀態。根據工程設計參數，如水工建筑物設計圖、閘泵站的結構設計圖，運用經典的水文、水利、水質分析理論，再加上地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技術，可以借助計算機輔助建立相應的虛擬模型，從而對物理實體的動態變化進行更加精準的判斷，并且做出科學的決策。

6 結語

水利工程作為國民經濟發展的基礎設施，其安全、穩定、高效的運行事關重大，客觀需求提升與管理水平不足之間的矛盾日益凸顯，新技術催生了新思路，應用數字孿生技術構建運行管理體系，全過程監管水利工程運行，從而為統一調度、管理決策提供支持，就是一種有效的解決途徑。大數據、云計算、物聯網、人工智能等新技術的不斷涌現的今天，數字孿生技術將會是推動新時期水利高質量發展的實施路徑和最重要標志之一。通過對目前水利工程運行管理狀況及數字孿生技術系統應用進行較為詳細的研究和探討，以期為提升水利決策管理的科學化、精準化、高效化能力和水平提供支撐，推動水利系統運行管理向著數字化、信息化、智能化方向發展。