數字孿生技術在引調水工程運行管理中的應用

霍建偉，李永勝，張軍琿，陳見長，郭冬冬

(云河(河南)信息科技有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

隨著物聯網、大數據、5G、數字孿生等技術的發展和無人機等硬件的成熟應用，如何充分利用新技術，推進引調水工程運行管理的數字化、智能化水平，已經成為當前引調水工程信息化研究的熱點。數字孿生作為實現物理世界和虛擬世界數據實時交互、融合的一種有效方法，得到了廣泛的關注和重視。借助數字孿生技術，對數字孿生和引調水工程運行管理進行理論融合分析，構建引調水工程運行管理數字孿生系統，能夠增強引調水工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學決策能力和精準執行能力，大幅提高引調水工程的智能化運行管理水平。

1 引調水工程運行管理現狀

引調水工程運行管理涉及業務領域較多，工作內容比較復雜，包括工程運行監視、工程巡檢、工程安全監測、水量調度管理、設施設備運維等，各項工作都有很強的系統性和綜合性。

“十三五”期間，重大引調水工程的建設全面提速，擴大了水利信息化范圍，完善了相關業務的應用，顯著提升了引調水工程信息化、智能化水平。但是和國家信息化發展戰略的總體要求及水利改革發展需求相比，當前引調水工程運行管理信息化、智能化水平仍存在一些差距和不足，主要表現在以下方面。

一是由于環境、交通、網絡、資金等問題，引調水工程基礎數據自動化采集設施不夠完善，一些基礎數據的采集還需要依賴人工作業。

二是引調水工程各業務相關部門存在嚴重的數據資源不對等現象，各業務領域數據存在大量的信息孤島，無法充分利用大數據、人工智能等技術進行數據整合、分析和優化、輔助決策。

2 數字孿生與引調水工程運行管理融合理論分析

2.1 數字孿生

數字孿生概念最早源于2003年密歇根大學的邁克爾·格里夫教授在產品生命周期管理課程上提出的“等同于物理產品的虛擬數字化表達”思想[1_2]。在2012年美國國家航空航天局(NASA)正式給出了數字孿生的明確定義：數字孿生是充分利用物理模型、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，在虛擬信息空間完成對物理實體的映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[3]。具體講就是將各種傳感器部署到物理實體上，通過感知物理世界的運行狀態，在信息空間構建和物理實體相互映射、實時交互、高效協同的虛擬模型。這個模型能夠反應這個物理實體的幾何參數、物理屬性、運行規律等，模型具有評估、優化、預測等功能，基于物理實體和虛擬模型能夠提供智能運行、精準管控和可靠運維服務[4_5]。

2.2 數字孿生與引調水工程運行管理融合分析

針對引調水工程運行監視業務，利用數字孿生理論，基于GIS+BIM技術，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數據，在信息空間中對引調水工程物理實體進行刻畫，構建相應的引調水工程虛擬模型，虛擬模型與物理實體在空間位置、幾何、物理、行為、規劃等方面有準確的映射關系；并且虛擬模型和物理實體通過服務可以實現數據的實時交互，從而實現引調水工程運行管理過程的可視化全景監視。

針對引調水工程水量統一調度管理，通過建立二三維一體模擬仿真平臺，實現水量調度方案及實時調度過程相關要素的仿真模擬，有效提高水量調度決策的科學化、精細化水平。

通過以上分析可知，數字孿生及時為物理實體和虛擬模型的交互融合搭建了橋梁，借助數字孿生技術構建引調水工程數字孿生系統，促成了多源異構數據的集成、交換和共享，能夠實現引調水工程物理空間和信息空間的實時交互、迭代優化，在全局范圍內增強引調水工程信息全面感知能力、深度分析能力、科學決策能力和精準執行能力。

3 數字孿生技術在引調水工程運行管理中的應用

3.1 基于GIS+BIM構建數字孿生底座

在某引調水工程中基于GIS+BIM技術，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數據，構建了引調水工程數字孿生底座，實現了直觀展示引調水工程全景及工程重要區域建筑物工程信息模型，同時為其他系統數據集成提供虛擬模型支持(見圖1)。

圖1 工程運維駕駛艙

基于數字孿生底座和物聯網融合集成技術，集成了引調水工程概況信息、水雨情監測信息、流量監測信息、水質檢測信息、各類報警信息、視頻監控信息、工程運行信息等。同時，深度整合大數據、AI等技術，為引調水工程的數據可視化、仿真分析、交互、智能決策提供了平臺支撐。

3.2 水調統一調度管理系統

南水北調東線一期工程山東段水量調度系統利用“數字孿生”技術建立了二三維一體模擬仿真平臺，在計算機中建立一個與現實引調水工程相對應的數字模擬體。同時，結合工程特點，利用渠池蓄量平衡原理自主研發了“同步控制自適應平衡”調度控制模型，實現水量調度方案及實時調度過程相關要素的仿真模擬，有效提高了水量調度決策的科學化、精細化水平(見圖2)。

(1)調度方案模擬 (2)實時調度監視圖2 二三維一體模擬仿真平臺

4 結 語

數字孿生技術當前正處于飛速的發展過程中，越來越多的行業領域也正在利用數字孿生技術給行業發展提質增效。引調水工程是國民經濟發展的重要基礎設施，本文針對當前引調水工程運行管理存在的問題，結合數字孿生技術，進行了兩者在運行監視、水量統一調度管理等業務領域融合的理論研究。研究成果在某引調水工程運行管理中進行了應用，增強了引調水工程運行管理的科學性和前瞻性，提高了引調水工程運行管理的信息化、可視化與智能化水平。