數字孿生技術在水利工程運行維護管理中的應用

摘要：為提高山東省濟南市臥虎山水庫至錦繡川水庫聯通工程運維管理水平與管理效率，實現精準預警與綜合性維護，通過采用高精度建模、圖模一體和MR混合現實等技術，建成了集人工智能、物聯網和大數據分析技術的智慧水務AIOT數字化平臺。平臺包含“市-域-站-機”四級數字孿生場景，模擬了泵機周邊水流和設備運行情況，并包含竣工圖模一體聯動交付、線上線下協同AR巡檢、MR元空間泵機安拆培訓等特色應用，支撐工程竣工及運維快捷管理，實現運維管理數據精益賦能、運維管理在線協同。實際應用表明：平臺可提高約60%物聯網設備對接速度，減少約90%人工統計工作量，整體效率提升20%。

關鍵詞：工程運維管理； 人工智能； 物聯網； 大數據； 數字孿生

中圖法分類號：TU992.03文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.028

文章編號：1006-0081（2024）S2-0104-04

0引言

傳統的人工管理模式不能滿足日益增長的水務需求及其復雜的運營環境。智慧水務系統提供了一種高效、精確、可持續的管理方式，通過數字孿生、BIM、人工智能、物聯網等技術，提高了水資源的利用效率，并降低了運營成本。系統可做到現場實時可控，實現智慧水務系統的自動化決策和優化，并為水質監測、供水保障等提供更好的服務，具有重要的社會和經濟價值。然而，目前在水質監測、供水調度等方面，智慧水務系統領域的大數據分析和挖掘技術應用尚不成熟，安全性和隱私保護問題有待解決，存在水務系統無法與水務管理部門、企業以及用戶進行良好協同互動，系統與外部環境集成和優化效率差等問題。

在水利工程管理與信息化手段結合方面，陳利、李海霞［1-2］在水務領域信息化、智能化與大數據分析結合方面提出了一些方向性意見，可在一定程度上指導后續水務系統信息化轉型工作的開展。張惠莉［3］在水務系統安全生產標準化建設探究上給出了方向，建立了安全生產標準化相關指標。王權森、徐智勇等［4-5］針對數字孿生與水務系統結合方面，指出了實現思路以及面臨的挑戰，但對信息化技術與水務系統綜合應用的研究深度不足。

本文以山東省濟南市臥虎山水庫至錦繡川水庫連通調水工程為例，研究智慧水務的發展趨勢和相關政策法規，探討其在提升水資源利用效率、改善水環境質量和保障供水安全方面的重要作用。

1工程概況

臥虎山水庫至錦繡川水庫連通調水工程位于山東省濟南市歷城區，工程起點在臥虎山水庫北岸，終點為錦繡川水庫西岸，管道沿水庫環路北側、河道及灘地內鋪設，全長16.36 km。臥虎山水庫至錦繡川水庫連通調水工程的實施，將有效改善濟南南部地區供水狀況，提升城市的水資源利用效率［6］。

目前，對臥虎山水庫自動化管理模式已有一定的研究，大多側重于研究水庫環境、水文狀況或利用普通軟件系統改善管理模式［7-11］，將數字孿生技術應用該工程運維管理的研究較少。本文重點研究通過信息化手段提高臥虎山水庫至錦繡川水庫聯通工程運維管理水平與管理效率。

2平臺體系架構

智慧水務AIOT數字孿生平臺通過采用高精度建模、圖模一體和MR混合現實等先進技術，系統建立“市-域-站-機”四級數字孿生場景，真實呈現了項目地形面貌，并模擬了泵機周邊水流和風流運行情況，構架見圖1。平臺具備調取監控、泵組、風機、液位等多種功能模塊數據的能力，可根據不同層級應用場景實時調取信息，并能夠及時有效報警，以防止危險事故的發生。此外，系統還能夠進行故障定位，實現精準維修，采用了多頁面可視化數據駕駛艙，以更好地展示數據狀態和重點告警信息，提供直觀的展示效果，大大提高了檢修的便捷性。系統將建立綜合性、全面性運維體系，提升“兩庫三站一連通”的智慧化可視度和運行管理水平［12］。

在APP端，移動端數字孿生運管平臺用于輔助運管人員的日常維護和檢修工作，建設集成了竣工圖模一體聯動交付、線上線下協同AR巡檢、MR元空間泵機安拆培訓等特色應用，能與PC端主運管平臺交互聯動，快速查看現場設備信息與預警通知；支撐工程竣工及快捷運維管理，實現運管數據精益賦能、運維管理在線協同。

智慧水務AIOT數字化平臺是一個集成人工智能、物聯網和大數據分析技術的智能化平臺，本著實用性、整體性、可靠性、可擴展性、開放性和標準化等設計原則，實現對水務系統的全面監控和管理，提升了工程運行效率，并為決策提供準確的數據支撐［13］。

3平臺關鍵技術

數字孿生、BIM+AR、BIM+AI、物聯網等技術的融合應用與智慧水務一體化綜合管理仿真場景的構建，有助于健全水務系統管理機制，提升一體化管理水平。該平臺將數字孿生技術與物聯網、AI算法相結合，開發了高精度數字孿生智慧水務平臺。將多源異構數據與高精度數字孿生模型相結合，對數據進行智能化分析，并在模型中展現，打造水務智慧“大腦”，提高現場管理效率。

平臺將BIM+AR建筑信息融合應用，在重點設施、管線明顯處張貼AR二維碼，如泵機、閥門等重點設施，管理人員可快捷獲取設備AR三維模型，并通過AI交互獲取設備，構件的名稱、尺寸、標高等運檢重點信息。平臺基于BIM+AI識別多源信息交互應用，研發了基于移動端的電子圖紙與BIM信息模型AI自動匹配功能，基于Unity 3D引擎平臺實現了電子圖紙區域與模型匹配吻合，基于C#語言驅動，實現了手機或Pad端查看電子圖紙，觸控任一區域即可激活BIM信息模型，得到虛擬現實效果。

4平臺功能分析

4.1LOD400級數字孿生BIM高精度模型

平臺采用LOD400及以上鋼筋級BIM高精度建模，搭配GIS，構建高精度的BIM數字孿生模型，依據圖紙并結合現場實際情況，實現“模型+實景”的全面展示。

4.2“市-域-站-機”四級數字孿生架構

以數字化場景、智慧化運營、精準化決策為主線，構建“市-域-站-機”4層平臺，打造多系統運維“一張圖”管理體系，實現事前預防、事中預警、事后分析的可視化線性水務工程指揮調度平臺，見圖2。

4.3數字孿生警情閉環處置

通過對泵站內部、外部及輸水管線區域的智能化設備進行孿生檢測，采用高精度數字孿生仿真出警情效果，實現對泵組運行狀態、風機運行狀態、管線狀態、液位報警、漏水等生產項的高效監測及處置（圖3）。

4.4AR增強現實可視化巡檢

應用AR增強現實技術及AR二維碼識別技術，在泵站內部的重點設施明顯處張貼AR二維碼，通過移動端設備掃描二維碼，可快捷獲取設備AR三維模型，并得到設備、構件的名稱、尺寸、標高等運檢重點信息（圖4）。

4.5圖模一體化竣工圖紙模型聯動交付

應用圖模一體化技術，在查看竣工圖紙的同時，觸控任一區域，即可在電子圖紙上呈現出3D建筑設計，并可對其進行旋轉、縮放，控制圖紙顯隱，點擊“管線”可顯示出對應的載體信息（圖5）。

4.6MR數字孿生培訓

應用MR混合現實技術，對重點設備等高精度數字孿生模型進行構件細化與動態分解，支持點擊構件即顯示其名稱、尺寸、標高等重要信息，以第一人稱視角進行虛擬空間下的模擬培訓（圖6）。

4.7智慧一張圖

聯動泵站內、外及沿線的智能化預警設備，對機組狀態、水庫數據等進行數據分析與閉環管理，打造多系統運維“一張圖”管理體系，實現事前預防、事中預警、事后分析。

4.8多端協同

運用數字孿生、BIM+AI、大數據、5G及物聯網等技術，以數字場景、智慧運維、精準決策為主線，構建分級管理權限客戶端，形成駕駛艙級監管，建立“后臺+前端+移動端”三位一體的多端協同綜合處置平臺。

5應用成果

平臺將數字孿生技術與水務運維進行有效結合，打造山東省首個基于LOD400級數字孿生智慧水務平臺，做到風險早識別、早預警，大大提高了泵站運維的穩定性與可靠性。通過對數字孿生、物聯網、AI算法等技術的應用，實現了泵站級的數字孿生精細化管理，為全水域的數字孿生管理平臺奠定基礎。

平臺運用智慧物聯技術，提高約60%的物聯網設備對接速度，統一管理網絡通信組件，提升物聯數據傳輸穩定性；打造全數字化管控平臺，實現便捷管理、分級授權和加強風險管控，減少約90%人工統計工作，實現現場的管理、協同、預警等，使整體效率提升20%。

6結語

本文以臥虎山水庫至錦繡川水庫連通調水工程智慧水務AIOT數字化平臺為案例，介紹了數字孿生、人工智能、物聯網等技術在水務運維管理中的應用經驗，并對當前智慧水務運營平臺的現狀、面臨的挑戰以及未來的發展方向進行了分析。對數字孿生、AR巡檢、MR培訓等先進技術在水務運營管理過程中的應用進行了有效探索，可為未來智慧水務發展提供參考。

對于數字孿生技術應用于水利工程運維管理，可通過引入機器學習和人工智能等技術，實現模型的自動優化，提高建模精度和預測能力。利用先進的傳感技術、無線通信和大數據分析等技術，對水庫進行實時監測并分析水庫的運行狀態、結構健康度和環境數據等，提供智能化的故障診斷、預測維護和優化調度建議，實現水務運維管理的安全高效運行。

參考文獻：

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［7］曾焱，程益聯，江志琴，等.“十四五”智慧水利建設規劃關鍵問題思考［J］.水利信息化，2022（1）：1-5.

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［9］李森，王冬梅，劉淑萍.臥虎山水庫增容對周邊環境影響分析［J］.山東水利，2020（2）：1-2.

［10］趙延勇，王冉.臥虎山水庫：水生態系統的一顆明珠［J］.走向世界，2016（51）：34-36.

［11］李炳，商超，王新.臥虎山水庫大壩自動化監測系統改造設計［J］.山東水利，2022（4）：8-10.

［12］許建國.基于數字孿生的供水協同決策支持平臺建設與應用［J］.給水排水，2022，58（10）：185-190.

［13］許雪喬，劉杰，林甲，等.再生水廠運營數字化轉型的賦智方案及工程實踐［J］.給水排水，2022，58（1）：137-143.

（編輯：李慧）