數字孿生技術在現代化水利工程中的應用

崔雷

（河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300000）

現階段，中國治水工作的中心已經由基礎的水利系統建設轉變為了水利工程的完善、優化以及針對整體水利行業的強監督、管控與治理。而智慧化技術與系統作為現代化水利工程的重點優化方向，經過多年建設已經獲得了較好的發展。中國水利工程信息化系統中遠程監控、信息化操作、集成式信息處理等功能模塊已經初具雛形，業務應用系統已經逐步完善。但是，如何在現有的技術基礎上，進一步將現代化水利工程與信息化系統、經典水文水利和水質等多種理論進行整合，為后續水利工程的運行與管理提供數據基礎以及科學決策，仍舊是構建現代化智慧水利目標中亟需解決的問題。

孿生技術的出現，為解決這一問題提供了途徑，該技術有助于現實水利工程與虛擬信息化系統之間的相互銜接，落實經典水文、水利以及水質理論與水利工程信息化系統的有機結合，全面優化現代化水利系統中的科學決策問題。

1 對現代化水利工程中應用數字孿生技術的理解

數字孿生技術最早是作用于工業領域中的系統建模以及仿真應用所被人熟知。在科學技術日益發展的現代社會工業領域中，物聯網技術的信息便捷傳輸優勢、大數據技術的海量數據處理優勢、云儲存的信息數據儲存優勢等，都是工業領域信息化變革的基礎。而具備仿真應用以及系統建模的數字孿生技術能夠借助數字化的技術手段構建起與物理世界相同的數據信息“虛擬體”，從而憑借技術參與人員對相關物理實體的了解以及技術應用經驗，通過操控“虛擬體”實現對物理實體的認知、分析、監控、預測、優化與控制決策[1]。

針對建設階段以及運維階段的水利工程數字孿生技術而言，與之相對應的信息化系統能夠幫助相關人員收集、了解工程運行的基本狀態，如水利線路中的管線狀態、閘閥開關狀態、結構應變信息、水質變化趨勢等，這些表現在智能系統中的數據信息都能夠有效反映水利工程建設與運維的狀態。而基于工程建設階段所需要、所保存的設計資料，如水利工程建筑物設計圖、泵站結構設計圖等，結合數字孿生技術優勢以及水文、水利、水質等方面的理論，輔以GIS（Geographic Information System，地理信息系統）、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等技術，便可以實現在計算機系統、智能移動終端系統中搭建水利工程仿真模型的目標。而相關工作者可以基于虛擬模型在不同情境中的數據變化，對水利工程實體的變化規律進行預測、分析與決策[2]。

2 現代化水利工程中數字孿生技術的架構設計

基于現代化水利工程中數字孿生技術的架構進行分析，可以將其基礎組成分為“虛擬體”和“物理實體”兩部分。這一過程中，虛擬體需要依賴于物理實體的真實運行狀態和初始數據信息、控制決策以及邊界約束條件等進行決策模擬仿真。現代化水利工程中數字技術的架構設計如圖1 所示。

圖1 數字孿生技術架構設計

而物理實體的狀態數據則需要依賴于信息化、物聯網數據集成系統進行全線監控與數據采集，但在實際運維過程中，監控與數據采集系統中的傳感器、數據檢測結構、數據傳輸結構等存在不可控的風險隱患，較易出現數據采集異常、數據紊亂等問題[3]。在出現問題的情況下，物理實體的真實狀態無法得到精準分析，虛擬體所進行的技術仿真以及科學決策也會出現細節錯誤。因此，物理實體層面還需要包含與水利工程相契合的專有數據管理系統，保障數字孿生技術穩定運行構成中能夠對異常數據進行精準的篩選、刪減，同時還需要提供基礎的人機交互數據處理、修整功能。

虛擬機基于實際應用需求層面而言應具備數字模型和決策算法兩方面功能。其中數字模型中包含水利工程產匯流模型、水質模型、黑箱模型等，能夠對水利工程的實際運行狀態進行精準的分析與預測。而決策算法主要包含傳統的線性規劃算法、動態規劃算法、遺傳算法、粒子群算法、智能算法等，能夠滿足水利工程數據信息規模大、計算復雜等需求[4]。

3 現代化水利工程中應用數字孿生技術的要點

3.1 數據質量管理

數據信息是數字孿生技術在現代化水利工程中發揮真正效用的依據和基礎，虛擬體中的數字模型往往需要數字化系統為其提供數十個甚至上百個采集點所采集到的數據作為初始建模條件或便捷約束條件[5]。然而在實際情況中，水利信息化系統所采集的數據存在隨機誤差以及噪聲的情況，無法作為建模的原始條件。因此，數據質量管理是水利工程數字孿生虛擬體決策準確性與科學性的先決條件，也是現代水利工程系統數字孿生系統建設的重要指標。數據質量管理系統需要具備基本的數據容錯管理機制，其需要利用能夠真實反映物理實體狀態的數據引導虛擬機進行數字建模以及后續的一系列操作。

3.2 數字模型的構建

針對數字模型的構建，需要明確的是建模過程中的邊界約束條件問題。事實上，大部分的水利工程在自然界中并不具備天然的邊界，其實際建設情況、運行工況與工程之外的自然系統（如水系）之間存在較強的融合關系。因此，在建立數字模型之前，首先需要明確水利工程中的邊界條件，只有保障了邊界約束條件的合理性與科學性，才能夠保證虛擬體數字模型全面反映出最真實的水利工程情況。

數字模型的參數問題。水利工程中如河流長度、水質數據、河道斷面形狀等都屬于水利工程的基礎參數，但針對閥門過流系數、河道糙率等則需要相關技術人員進行人工設定與調整[6]。現階段，相關工作人員無需進行過于繁雜的實際計算，只需要將相關數據輸入到指定的計算端口中，便可以借助智能算法對這部分參數進行整體率定。例如，相關工作人員可以利用信息化系統中儲存的既往水利工程數據，利用智能化算法對其進行一鍵率定，在同一時間內完成多個閘門過流系數的率定。

模型選用問題。在既往的建模過程中，針對參數質量不高、模型效果不好的問題，可以利用歷史數據以及相關軟件的深度模型技術建模，以僅替代局部建模。這種簡單的應急模式確實能夠在特定的情況下取得較好的效果，但由于深度學習模型技術所構建模型的質量與可參考性不受控制。這意味著大云物移時代背景下，相關技術人員應加強對傳統水文水利模型技術以及回歸分析技術的關注，采取必要的應急措施，避免過度依賴歷史數據的深度學習技術。

模型計算時效性問題。針對數據較多、結構較為復雜的模型，單核運算無法全面滿足數字孿生技術決策的時效性需求。因此需要加強對多核計算的考量，全面優化模型的建立與求解速度[7]。除此之外，在模型的設計方面，也需要基于計算機儲存、CPU（Graphics Processing Unit，中央處理器）等方面的能力，多采用矩陣的概念，利用GPU 優化數字孿生技術計算速度。針對決策算法方面，需要考慮能夠全面支持并行性計算的算法模式，如遺傳算法等。

3.3 接口設計與集成

數字孿生技術是多個子系統的集成，這些系統通常會有不同的單位進行獨立設計與建設，只有探尋到更合理的邊界與接口，方能夠保障整體系統的穩定運行。在水利工程建設過程中，信息化系統與模型之間的系統應具備松耦合的特征，其兩者之間既需要存在一定的銜接關系，又要具備相對獨立、清晰的邊界與數據接口，以便于在數據模型更替或是信息化系統升級的情況下，其中的一方不會對另一方的穩定運行造成影響[8]。

3.4 系統功效評價

基于數字孿生技術的水利工程信息化系統程序建設相對復雜，其需要在不同的子系統之間進行大量的數據交互。現代化水利系統的運行過程中最常見的問題便是運行過程中數字模型與信息化系統之間互為掣肘，難以對其中一方進行獨立調整與操控，這主要由于其兩者之間的耦合性太強。想要在保障數字孿生系統運行穩定性的情況下使數字模型與信息化系統之間相輔相成、相互獨立，便需要在設計開發與建設過程中以“三可”為原則，分別是可觀察、可操作（可執行）、可追溯。

4 現代化水利工程中數字孿生技術的典型應用場景

某水利工程中，相關技術人員以數字孿生技術為依托，輔以三維空間影像技術、大數據技術、物聯網技術和云計算技術、工程地質、數據庫技術等，構建了適用于該水利水電工程的內外一體化數字智能采集處理系統。該系統在實際應用過程中主要表現出了以下3 個方面的優勢。

首先是高質量的工程地質三維數字化采集應用效果。依托于數字孿生技術，該水利工程充分運用智能移動終端、電子羅盤以及GIS、GPS 等眾多新型技術，內外部作業數據，輔以物聯網程序系統實現了野外數據采集、水利勘探等不同工作的協同作業。同時整合了水利工程地質大數據資源，構建起與之相對應的專家預判輔助功能，在系統運行過程中進一步升華了地質數據的使用價值，有效地加強了內外部地質勘察工作的實際工作效率與質量。

其次是借助工程地質信息管理模塊優化基礎數據服務。水利工程的建造與運行過程中涉及大量的數據信息，且不同信息元素的種類十分繁雜、數據增長速度也較為迅猛，處理與應用難度較大。依托于數字孿生技術的現代化水利工程系統，能夠將不同方式采集或獲取到的數據進行統一儲存，以水利工程系統運行需求為主，構建起大數據服務中心以及相應服務模塊，如圖2 所示。

圖2 水利工程信息管理與服務結構圖

最后是完善的水利工程三維建模與分析。依托于數字孿生技術構建起具有直觀性、可更改性的三維化可視模型，在有需要的情況下，幫助相關工作人員基于模型信息對水利工程的具體情況進行測算與模擬，完成虛擬工程與物理實體的及時交互。

5 結束語

綜上，在現階段既有的應用場景與應用經驗中，數字孿生技術的確能夠為水利工程泵站中的恒水位控制提供基礎參數，進而達到解決引水環通中閘泵群最優調度決策的目標。

結合案例可知，數字孿生技術有利于引領傳統水利向著更智能、先進的現代水利過渡，在云計算、大數據、物聯網等新技術全面發展的宏觀背景下，充分發揮以數字孿生技術為代表的新興技術在水利工程中的應用，勢必會將水利工程運行管理帶領邁入更加智能、先進的新階段。