數字孿生水利工程建設思考研究

劉浩杰 馮 慶 褚 敏

1. 湖北省漢江興隆水利樞紐管理局 湖北 武漢 430062

2. 湖北省王英水庫管理局 湖北 咸寧 437199

水利工程建設的全面開展實施過程應當建立在智能化與自動化的建模技術保障基礎上，其中非常關鍵的就是采用數字孿生的工程模擬技術。數字孿生技術的合理采用有助于水利工程的設計方案準確呈現在虛擬結構的模型空間中，進而提供了水利工程建模設計的科學完善思路。近些年以來，各地水利工程項目規劃建設總體規模正在趨于擴大，客觀上展現了建設水利工程開展實施中的數字孿生技術良好運用價值。

1 數字孿生水利工程的內涵

數字孿生的技術本質在于構建仿真空間環境中的映射模式，進而對于特定的操作流程、物理實體或者系統設計方案進行全面的模擬再現，據此實現了準確反映上述實體與系統整個生命周期特征的目標。因此從根本上來講，數字孿生構成了仿真建模技術中的重要組成部分，數字孿生模型的構建設計方案主要依靠于智能傳感器、物理結構模型或者工程運行的資料數據，融合了多個尺度、多個學科與多個概率的仿真建模元素[1]。在當前時期的虛擬建模技術轉型發展趨勢下，對于數字孿生的信息化技術應當看做自動映射的信息集成系統，其中容納了多個層面的系統構成元素以及系統設備裝置。

具體在涉及到水利工程領域的數字孿生技術實踐運用而言，關鍵就是要構建信息化的模型構建平臺，通過采取模擬映射的技術實現思路來全面模仿特定的實體事物結構[2]。在數字孿生的技術平臺支撐下，技術人員應當能夠以智能化及自動化的實體組件運行控制，據此實現監控實體系統與設備運行的目標，確保對于工程系統的各項設備使用性能給予常規性的管理與維護。工程系統的設計模型方案應當能夠在數字孿生的技術支撐基礎上獲得必要的修正，旨在合理創新與改進工程實體結構的運行控制設計方案，促進水利工程的運維管理綜合實踐效益實現優化提高。水利工程現有的管理運維總體設計方案較為復雜，因此必須要合理采用數字孿生的工程建模輔助技術，構建全方位的流域防洪、水資源調配以及工程安全運維等方案支撐。

2 數字孿生水利工程建設的架構設計

2.1 流域防洪系統

參與流域防洪的工程系統是水利工程的核心，各主要流域如果缺少了水利工程防洪智能化的管理系統作為保障，那么流域出現大規模洪災的安全風險等級就會顯著增加[3]。具體針對于流域防洪的智能化管理系統模型在進行設計完善的實踐中，現階段的技術思路就要集中體現在準確預測流域洪災產生的風險，據此達到了準確防控流域洪災的設計目標。大型水利工程基礎設施的流域防洪自動監測系統必須要實現全方位的信息準確采集，避免預測流域洪災的數據信息存在錯誤。

2.2 水源調配系統

流域水資源只有通過水利工程實現最優化的利用分配，水資源調配與監督管理的良好綜合效益才會充分的體現。具體針對于水資源的智能化調配管理模型在進行了完善設計的前提下，關鍵就是要結合水利基礎設施的運行與使用狀況，進而做到了靈活拓寬調配水資源的區域覆蓋規模。流域水資源的優化配置科學設計方案應當全面考慮到多個層面的流域資源分配差異因素，結合實踐來進行現有管理系統的使用功能拓展[4]。

2.3 模型構建系統

近些年以來，采取智能化的水利工程虛擬模型構建設計方案已經成為了調配水資源的最佳實踐方案。水利工程的建模設計與實現思路必須要促進實現更大力度的完善優化，旨在構建立體化以及動態化的水源分配調度模型。水利工程的管理監督部門對于全過程的工程運維模型應當進行更加完善的設計，緊密結合水利工程項目建設中的流域資源調配、系統數據的接入處理、業務實踐領域的擴展等各項實踐任務，才能促進現有工程模型的功能實現完善與更新。

2.4 視頻監控系統

在大體積的水利工程結構系統中，水閘設備屬于非常關鍵的工程基礎設備。工程管理人員在自動控制水閘設備的前提下，對于水閘運行狀態應當能夠準確把握。自動化的視頻監控終端能夠采集清晰完整的視頻監控圖像，實現水利工程在視頻監控模式下的無人值守實踐技術優勢[5]。現階段自動化的水利工程網絡視頻監控設計方案正在日益趨向于實現整改優化，從而保證了水利工程的數據信息能夠得到更加完整的反饋。工程決策人員能夠判斷得到水利工程的現有安全隱患，合理糾正存在誤差的水利工程運維管理決策方案。對于自動化的水利工程而言，視頻監控系統的基本功能體現在全面采集實時性的水閘水位狀況以及水情預警等數據，并且通過連接水利工程的網絡數據中心來實現數據反饋監督。

圖1 數字孿生水利工程建設的總體框架設計

水閘自動化監控的系統設備主要應當包含泄洪道與供水閘門的現場監控管理，確保實現全方位的水閘信息數據采集，并且還要將目前采集的數據進行完整的上傳。系統值班值守人員對于水閘應當進行自動化的開啟與關閉功能調整，據此達到了節約水利工程人工成本的良好效果，促進了水閘自動化控制的良好使用效能得到最大程度的發揮。水閘基礎設施在水利工程的系統結構中占有顯著地位，水閘自動化控制管理設備亟待得到必要的優化完善。通過采取視頻監控系統的重要表現形式，應當能夠準確反映出水利工程水閘設備在不同時段的使用狀況，進而有助于水閘基礎設備的良好綜合使用效益得到最大程度的展現。

3 數字孿生水利工程建設的技術運用難點

3.1 模型平臺的設計與運行

現階段的水利工程虛擬結構模型主要建立于網絡大數據、人工智能控制、物聯網等核心技術手段的保障支撐下，從而實現了虛擬模型平臺的優化設計以及自動運行控制監測目標。具體在涉及到數字孿生的工程虛擬化建模方案完善實踐中，工程建模的現有技術方案應當集中體現在準確劃分虛擬結構模型的各個不同層次，確保實現可視化的模型構建場景展示[6]。水利工程的技術人員應當構建全方位與多層次的水利信息網，充分確保現有的水利信息網能夠完整容納多個不同流域與不同級別的水利項目基礎運行數據。應當致力于工程信息資源網絡的現有帶寬實現拓展，構建立體結構的水利云。水利工程現有的監測站點都要促進實現全方位的改造優化升級，確保對于各個關鍵性的水利監測站配備齊全的無人船與無人機等監測設備。

下表為水利工程建設中的數字孿生結構模型框架：

表1 水利工程的數字孿生模型框架體系

圖2 模型構建的框架圖

3.2 算法選擇以及數據資源獲取

水利工程所在流域的水質狀況以及水流速度等因素都要得到客觀準確的反映，確保以上各項數據信息得到全面反映的重要保障基礎就是合理進行建模算法的選取。在目前的情況下，能夠進行水利工程的數字孿生模型運算設計方案存在多樣化的顯著發展特征，那么工程建模的技術人員應當采取因地制宜的建模算法最佳選擇方案。應當采取全過程的水利設施監測方式，確保做到準確獲取實時性的工程監測數據資源，避免存在數據資源的遺漏風險。

3.3 網絡信息資源的安全風險

在當前時期的網絡技術創新與轉型發展趨勢下，網絡信息資源普遍存在著程度較為顯著的信息安全隱患。因此，充分發揮數字孿生的建模技術最大化實踐作用，目前需要做到緊密結合網絡信息化模型的數據安全管理與維護。工程項目的運行安全監督管理各項工作必須要體現出更大的總體實施力度，切實維護數字孿生的網絡結構模型安全性。對于直接關系到水利工程安全穩定運行的信息數據資源應當采取必要的加密訪問措施，從而做到了有效防范工程核心數據的丟失風險產生，增強針對于水利工程現有各項信息數據的安全保障約束力度。

4 數字孿生水利工程建設的未來完善措施

首先是完善數字孿生的工程建模設計算法。數字孿生的工程建模算法目前表現為多樣化的基本發展傾向，水利工程現有的建模技術方法只有得到了合理科學的選擇和采用，工程立體化的空間結構模型才能顯示出最佳的建模技術效果。在此前提下，工程設計人員必須要針對于數字孿生的模型算法進行合理的優化選擇，避免表現為工程建模計算方法的實踐運用誤差[7]。構建水利工程體系結構的虛擬建模設計方案應當采取明確清晰的框架結構，重點應當體現在水利基礎設施的安全運行保障力度提高。

其次是積極拓展水利工程的信息化模型覆蓋空間范圍。構建水利工程現有的智能化與一體化結構模型主要依靠于數字孿生的技術手段，從而決定了正確采取水利工程的結構建模算法具有非常顯著的作用。水利工程現有的信息化模型應當促進實現建模技術領域的擴大發展，確保水利工程能夠全面納入到虛擬建模的科學決策保障范圍。因此在自動化的水利工程建設以及工程管理實施情況下，現階段的關鍵完善思路就要體現在構建網絡數據的共享保障體系，通過實施一體化的水利工程信息共享網絡建設舉措來提升水利工程的安全運維管理成效性。水利工程設備目前存在的重大安全缺陷應當得到排查與解決，避免水利工程的管理運維人員存在忽視的心理態度。

第三是嚴格確保一體化的網絡數據資源系統安全。現階段的水利工程智能化控制模型必須要依靠于一體化的網絡數據系統，采取一體化的網絡資源維護與更新模式來保障水利工程的現有信息資源完整性。從總體角度來講，一體化的網絡數據資源共享機制具有降低水利工程成本以及優化配置工程資源的良好實施效果，有助于水利工程設備的安全風險得到全面的排查整改。網絡安全建設的實踐措施應當貫穿融入在現代化的水利工程管理實踐工作，旨在保證水利工程的網絡數據信息完整性，避免威脅到水利工程的穩定運行。水利工程的自動化與智能化數據信息共享保障機制應當得到盡快的建立完善，通過采取一體化的水利工程網絡資源共享平臺來支撐水利工程的效益提高。

5 結束語

經過分析可見，數字孿生技術手段的正確采用將會顯著促進當前時期的水利工程綜合使用效能發揮，同時促進了水利工程的實踐資源得到科學的優化分配利用。現階段的水利工程建設以及運維管理設計思路正在逐步獲得更新完善，水利工程的運維設計成本應當得到更加靈活的節約控制，采取數字孿生的水利基礎設施建設實施方案來支撐水利工程的安全等級提升。具體在水利工程的數字孿生技術實踐運用中，完善思路應當集中于建模算法的選擇與適用，并且還要關注于網絡虛擬化模型的數據安全，切實防范水利工程的關鍵信息數據遭受到安全隱患威脅。