數字孿生技術在智慧水利建設中的應用

王松岳，陳鳳琴，朱照遠

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250014；3.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250100）

近年來，水利行業一直嘗試用更現代的方法突破傳統管理瓶頸，追求高效、精準、便捷的治水方式。物聯網、云計算、人工智能、數字孿生等技術的日臻成熟，使得“智水”技術環境不斷完備，水利高質量發展與“智”結合成為大勢所趨。在眾多“智水”新技術中，不論是從政策支持力度還是技術本身優勢來看，數字孿生技術都是一種高效、便捷、可靠的方式。探索數字孿生技術與水利工程融合發展的最佳路徑，加快水利治理體系和治理能力的智慧化建設，助力水利高質量發展，是水利科技工作者當下的迫切任務。

1 數字孿生技術機理分析

1.1 數字孿生技術運行機制

經過多年的建設和發展，我國的水利工程形成了完整的運行體系，對數字化管理的需求更加迫切。數字孿生作為一種全新的思維模式，結合具體的應用場景，能夠為水利工程的管理運維注入智能。數字孿生技術在水利工程中的運行機制是利用數字孿生技術融合狀態感知、云計算、人工智能等技術，在虛擬空間中構建與現實世界中的實體水利工程相對應的數字孿生模型，使其與物理實體在信息、行為、規則上具有精準的映射，并且能夠進行實時交互，從而提供科學的決策方案，推動水利工程的精準管理，實現以數字孿生技術為基礎的“狀態感知—實時分析—科學決策—精準執行”的閉環，如圖1 所示。

圖1 數字孿生技術在智慧水利中的運行機制

應用數字孿生技術，將真實的實體世界與虛擬的信息空間進行交互融合，并以此為基礎，實現水利工程管理的智能優化，以提升水利工程整體感知、深度分析、科學決策和精確實施的能力。

1.2 數字孿生技術實施步驟

根據數字孿生技術的應用特點，將數字孿生技術的實現過程分為3 個步驟：

1）方案設計。該階段主要是構建與水利工程相對應的數字孿生體的軟件系統和控制體系，明確在不同的水利業務中所需要建立的水利工程數字孿生體以及虛擬模型設計方案，要求數字孿生體可以在虛擬空間中體現模型構建對象的幾何、物理、行為等信息，實現數據的感知接入與融合，明確數字孿生體與物理實體間的關聯關系。

2）數據采集。該階段主要是確定數據收集的采集對象，根據數字孿生模型的數據要求構建數據的采集、傳輸和存儲機制，統一數據的科學分類、編碼格式、交換標準等，并以通用標準為依據，構建出與水利工程需求相匹配的數據集。此外，還應建立信息融合機制的規范和數據共享機制的規范，以降低數據的冗余，加速信息的整合。

3）模型設計。該階段是在獲得相關數據的基礎上，建立多尺度、多耦合的水利模型，實現模擬結果與實際結果的有效匹配，并實現信息的實時同步。其主要構建內容包括：虛擬工程建模、信息協同建模、可視化建模、運行過程行為建模、管理決策建模、仿真實驗建模等。

1.3 數字孿生技術應用領域

數字孿生技術的應用可以分為3 個方面，如圖2 所示。

圖2 數字孿生技術應用領域

1）水利工程運行。在虛擬空間中，對各任務的執行進行仿真，使用多種模擬參數，盡可能地將任務執行過程可能出現的各種狀況進行模擬監測。與此同時，還可以對水利工程的運行狀況進行智能化監控，并以實際的運行情況為依據，及時調整水利工程的管理方案，對所有的水利活動進行有效的協調和優化，以促進水利工程的智能化運行。

2）水利設備運維。利用實時監測的數據、歷史數據、孿生數據以及相關的水利設施設備數據，借助信息處理分析、模擬仿真演練等智能分析技術，對正在運行的水利設備進行狀態監測，對在運行過程中可能出現的故障問題進行及時預警處理，針對水利設備出現的故障，依據虛擬空間中的數字孿生模型，制定合理的維修方案，以實現出現問題設備的精準維修，從而保障水利工程的可靠運行。

3）風險預警。通過智能服務平臺，綜合考慮多方面的因素，對各部門的聯合調度進行有效協同，制定出最優決策。數字孿生技術提供了工程運行期間的狀態感知，反映出現實水利工程的運行狀態，有助于對可能出現的意外狀況進行及時規避，提前實施預防措施，減少風險的不利影響。

2 建 議

2.1 完善流域空間地理信息

數字孿生技術的關鍵是對實體場景進行建模，為更好地發揮數字孿生技術的應用，需要針對不同區域采用不同精度和類型的數據，相關部門應完善流域空間地理信息，將二三維空間地理數據、BIM 模型及傾斜攝影等數據通過專題圖層進行服務發布，方便數字孿生平臺調用，從而支持數字孿生技術的應用發展。

2.2 完善數據底板服務能力

作為數字孿生流域的算法構建部分，數據底板匯聚了基礎數據、管理數據、運行數據、監測數據以及地理空間數據，從而支撐數據、模型、知識等3 個平臺引擎的建設。但數據底板的數據往往來源于不同單位，這就對數據的統一性和真實性提出了更高的要求。通過建設以數據匯集、數據治理、數據共享為基礎的數據支撐平臺，可以更好地落實“一數一源、一源多用”的數據方針，支撐數字孿生技術的快速發展。

2.3 完善水利信息基礎設施

遵循“整合已建、統籌在建、規范新建”的要求，加強水利工程對資源的整合，實現數據利用的最大化，構建水利信息基礎設施體系，為水利工程的運行提供完善的基礎支撐環境。