數字孿生在水利水電信息化上的應用研究

張靖翼，王美慧

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

1 引言

數字孿生作為一種新興的數字技術，近年來已經廣泛應用在工業領域中，而在水利行業中的應用也逐漸引起了人們的關注。數字孿生技術是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

隨著信息化的快速發展，水利行業也逐漸實現了信息化建設，但在信息化的進程中，也暴露出了一些問題，例如水利行業信息化建設存在的低層次、重復投入和人才短缺等問題，同時，水利系統數字化與優化的需求也越來越迫切。因此，數字孿生技術在水利信息化中的應用具有廣泛的前景和深遠的意義，并且隨著數字孿生技術的不斷發展和完善，它將會在水利信息化中發揮越來越重要的作用。

2 數字孿生概述

2.1 數字孿生的發展歷程

隨著工業智能化的發展，越來越多的工業企業開始嘗試將數字孿生技術應用于生產和制造過程中。數字孿生技術是一種將現實物理世界與虛擬數字世界相結合的技術，旨在快速創建、更新和優化物理實體模擬的數字孿生模型，以實時監控和優化其運行狀態。數字孿生技術在工業領域的應用已經證明它的作用無可替代，可以有效提高生產效率和質量，降低生產成本，提高企業核心競爭力。

數字孿生技術在水利信息化中也有著廣泛的應用前景。在水利系統設計優化中，數字孿生技術可以通過建立數字孿生模型，對水利系統進行全面的仿真和模擬分析，得出最優的設計方案。在水利系統運行維護中，數字孿生技術可以對水利系統的各類運行數據進行實時監控和分析，及時預警系統運行故障，保障水利系統安全穩定運行。在水利安全監測中，數字孿生技術可以通過建立水利系統的數字孿生模型，對水利系統進行全面的安全評估，及時發現潛在危險并采取相應的措施，從而實現水利系統的智能化和安全運行。

2.2 數字孿生技術

（1）數字化仿真

數字孿生技術是以數字化信息為基礎來對物理場所完成數字化復現，然后通過物聯網實現物理空間與數字空間之間的虛實互動。再把3D 測繪、幾何建模、流程建模等技術融入到現實物理作業環境，實現物理實體對象的數字化，搭建出相應的機理模型，最終通過物聯網感知接入技術使物理對象可被計算機感知、識別。

（2）數據分析診斷

將實物與數字模型相互連接，通過實時數據同步和傳輸，將數據驅動模型融入實際物理作業環境的仿真模型中，全周期的對物理作業環境進行動態監控。同時通過實際需求，建立相應的知識圖譜，構建各類可復用的功能模塊，對所涉及數據進行系統分析，并對已發生或即將發生的問題做出診斷、預警及調整，實現對物理世界的狀態跟蹤、分析和問題診斷等功能。

（3）自我學習預測

數字孿生通過將實際物理行業環境感知的數據分析結果與動態行業詞典結合來進行自我學習更新，并根據大數據中已知的物理對象運行模式，在數字空間中預測、模擬并調試潛在未發覺的及未來可能出現的物理對象的新運行模式。在建立對未來發展的預測之后，數字孿生將預測內容以人類可以理解、感知的方式呈現于數字空間中。

（4）自我決策自治

數字化仿真、數據分析診斷和自學習形成完整的數字孿生系統，通過對各類智能推理結果的進一步歸集、梳理與分析，來實現對物理世界復雜狀態的預判?？梢詫嶓w設備自發地提出決策性建議和預見性改造，同時根據實際情況不斷調整和完善自身系統。

2.3 數字孿生在工業領域的應用

數字孿生作為近年來的熱門技術，它的優勢在于可以通過虛擬仿真的方式進行產品生命周期的模擬和優化，從而降低生產成本和提高產品的品質。值得注意的是，數字孿生的應用不僅局限于制造領域，它還可以應用于能源、醫療、農業等領域。在運輸領域，數字孿生可以應用于航空、鐵路、公路、海洋、物流等領域，幫助優化運輸系統的設計和運營。在醫療領域，數字孿生技術可以應用于醫學影像、醫療器械等，幫助醫生診斷和治療疾病。

在水利行業中，數字孿生技術同樣能夠發揮重要的作用。由于水利系統相對復雜，不同的水利系統之間也存在差異，使得傳統的方法難以準確描述和模擬。而數字孿生技術可以采用三維仿真技術，將實際的水利系統建模成為數字孿生系統，利用模擬技術進行仿真分析和優化設計，制定更加科學的規劃策略和改進水利設施的設計。

3 水利水電信息化現狀及問題分析

3.1 水電行業信息化發展現狀

水利行業是國民經濟中重要的組成部分，信息化建設是實現可持續發展和現代化水利管理的必要手段。目前，水利信息化發展已取得了顯著成果，但其整體水平仍然有待提高。在信息化進程中，水利行業面臨多重挑戰，如技術水平相對較低、數據管理不規范等問題，這些都制約了水利信息化發展后續進程。在數字孿生技術的支持下，水利信息化發展所面臨的問題可迎刃而解。數字孿生技術在水利行業的應用不僅可以提高效率和減少成本，而且可以提高水利系統的安全性和可靠性。因此，數字孿生技術在水利信息化中具有廣闊的應用前景。

3.2 水電信息化存在的問題

水利信息化在我國的發展取得了長足的進步，但是仍然存在一些問題：

（1）信息化水平不平衡。

（2）由于水利領域的數據獲取途徑、考慮的因素較多，整合的困難系數也較大。

（3）水利信息化發展進程中缺乏標準和規范體系，不利于信息流通與共享。

（4）信息安全方面的保障還需進一步加強，存在安全漏洞的情況也時有發生。

針對這些問題，數字孿生技術能為水利信息化建設提供有效解決方案。數字孿生技術可以對水利體系進行精準建模，從而準確分析、檢測水利設施的運行狀態，優化設計方案、提升運維效率。此外，通過數字孿生技術，可以提高水利設施的監測精度，預測設備故障發生的可能，提前制定防范措施。

3.3 水利系統數字化與優化的需求

隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，水利系統信息化的需求日益增加。由于水利工程區域分布廣，設備數量眾多，傳統的手工記錄已經難以勝任信息化的需求。目前，數字孿生技術的發展，為水利信息化提供了一種新的解決方案。數字孿生技術可以通過模擬真實的水利系統及其環境，以及對這些系統進行實時的數據監測和分析，提高水利系統的運行效率，優化水資源的利用。因此，水利系統數字化與優化的需求日益迫切。

4 數字孿生在水利信息化中的應用

4.1 數字孿生在水利系統設計優化中的應用

數字孿生技術在水利行業中，通過模擬水利系統的運行過程，幫助設計人員對水利系統進行優化設計。同時實時監測水利系統的運行狀態，快速發現故障，提高水利設施的運行效率。還可用于水利巡查和安全監測，提高水利系統的安全性和可靠性。

4.2 數字孿生在水利系統運行維護中的應用

在水利系統運行維護中，通過數字孿生技術構建虛擬模型，可實現對水利系統運行過程的動態監測、預測和預警等功能，提供了更加全面、精準、實時的運維手段。

首先，數字孿生技術可以實現水利設施的遠程監測和模擬仿真。通過對水利設施的3D 建模，數字孿生技術可以將真實設施與虛擬模型相結合，構建完整的數字孿生模型。在數字孿生模型中，可以對水利系統的動態運行情況進行全面監測，預測潛在的問題和風險，并及時采取行動進行修復和優化，從而提高水利設施的安全性和穩定性。

其次，數字孿生技術還可以實現對水利系統運行過程的實時預警和診斷。通過數字孿生技術，可以對水利系統各個環節的運行情況進行實時監測，并通過預警系統及時發現問題和風險，同時提供運行分析和故障診斷支持，為運維人員提供科學的決策依據，提高水利系統的運行效率和可靠性。

總之，數字孿生技術在水利系統的運行維護中的應用，可以提供更全面、精準、實時的監測和分析支持，為水利設施的安全運行提供更加有力的保障。未來數字孿生技術將繼續在水利行業信息化中扮演重要的角色，助力水利行業實現數字化和智能化轉型。

4.3 數字孿生在水利安全監測中的應用

傳統的安全監測工作存在著很多問題。例如，很多監測手段僅僅能夠提供一些簡單的數據信息，難以達到事前預警、事中控制和事后評估的全過程監測。因此提升水利安全監測的智能化程度成為了當前亟待解決的問題。在水利安全監測中，數字孿生技術可以實現對水利系統的實時模擬和重現，可以建立各種復雜的模型，包括水文模型、水力學模型、水文水力聯合模型等，利用復雜的算法和大量的計算資源，實現對水利系統的快速建模和仿真。通過這些模型的運行獲取到各種指標、數據和結論，從而達到提升監測的準確性和及時性的目的。

數字孿生技術在水利安全監測方面還可以實現對水庫、河道、水電站等各種重要的水利設施的智能化監測。通過在設施上安裝各種傳感器，實時收集設施內部的各種信息和數據。同時，利用數字孿生技術中的深度學習、人工智能等算法，對這些數據進行智能化分析和處理，實時發現水利系統出現的各種異常情況，從而達到及時預警和應急控制的目的。

5 結語

在水利信息化現狀中，存在著信息、數據、標準缺乏等問題。這些問題限制了水利信息化領域的發展，并給水利事業的正常運行帶來了很大的不利影響。因此，在這樣的背景下，數字孿生技術具有發展的必要性和應用的迫切性。

數字孿生技術在水利系統設計優化中的應用可以讓設計者通過對水利系統的數字化建模，快速地進行系統優化設計。數字孿生技術在水利系統運行維護中的應用則可以通過高精度數字模型，實現對實際系統的仿真模擬，快速分析故障原因并進行故障排除。在水利安全監測中，數字孿生技術可以通過數字化監測數據快速計算水利系統的狀態參數，并提供實時的監測警報。這些應用可以提高水利系統的安全性、穩定性和運行效率，為水利事業的發展打下堅實的基礎。

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