基于數字孿生技術的水利工程運行管理體系構建措施

干慧瑛

（天臺縣龍溪水庫事務中心，浙江 臺州 317200）

信息技術的發展與應用，推動水利工程信息化、數字化轉型，為實現水利信息資源的全面整合與實時共享，并對工程運行狀態進行全過程把控與監管，需認識到數字孿生技術應用的必要性，針對工程運行管理，打造物理實體與虛擬體的實時交互、相互映射、高效協同的管理系統，對工程運行情況進行現代化管理。

1 水利工程運行管理問題

水利工程運行管理時需執行的管理工作內容較多，如引水工程管理、堤防管理、水閘管理、灌溉工程管理等，水利工程類型的不同，使得運行環境與功能也表現較多差異性，并有著各自的管理特點，需結合外界環境實際情況對管理形式進行優化。此外，水利工程的綜合性、系統性較強，需同時具備發電、灌溉、防洪等基本功能，且各地區、各部門對水的要求也不同，甚至會存在利益沖突，這是水利工程運行管理時需著重考慮的問題，并需打造科學且可行的運行管理機制，實現對各項管理工作的綜合決策，確保工程中水資源的合理、充分利用，提升水利工程運行效益。

物聯網、自動化以及仿真技術的完善與應用，推動水利工程管理工作數字化、智能化開展，加快工程建設步伐，促使水利信息化范圍的不斷擴大，但與水利事業實際改革需求相比，現階段水利工程的運行管理水平仍較低，且存在較多的不足：其一，缺乏完善的水利信息化基礎設施，無法在第一時間采集、獲取有價值信息。其二，水利數據整合能力弱，各部門掌握的信息資源有較大偏差，不利于數據的共享與應用，缺乏水利信息資源共享體系。其三，工程運行調度時，始終依托于現行的規章制度與準則，致使各項工作固化開展，嚴重影響資源配置效果。

2 數字孿生技術應用于水利工程運行管理的意義

物聯網、云計算、大數據多種現代化技術的推廣，以及聚類分析、機器學習等優化算法的實現，使得數字孿生技術理論研究與應用領域多元化發展，而具體應用也從產品設計轉移到產品制造與運行管理方面。水利工程運行與管理時，需同時執行多項業務，如維護、預警、調度、監測等，水利信息化也對水利業務范圍提出更多要求，應細致、全面規劃主體信息資源采集、傳輸、應用等工作。為保證規劃作業的有效、順利開展，需打造水利數據模型，動態模擬工程各種現象，并實時交互融合工程物理實體與信息空間數據信息，以保證水利工程全生命周期運行與管理時，各類運行數據的實時采集、存儲、更新與共享。由此可見，數字孿生技術思想與水利信息化實現有較多相同點，并在技術的支撐下，實現水利工程精細化管理。

3 基于數字孿生技術的水利工程運行管理體系構建

3.1 構建思路

水利工程運行管理數字孿生體系融合多樣化信息技術，包括通信、計算、感知、控制等，在此基礎上，有機結合技術與各生產要素，如管理者、物理實體、運行環境等，在虛擬空間中精準映射、實時反饋水利工程運作期間表現出的狀態、特征以及變化過程，實現工程運行管理模式的全面優化。這一期間，創造的與現實物理實體在外表、內容、性質相同的虛擬產品被稱為水利工程數字孿生體，是與物理實體整個生命周期完全一致的虛擬模型，能夠有效聯系物理與虛擬空間，對物理實體在物理世界中行為、狀態、性能等進行仿真。依托于水利工程運行管理實際和數字孿生技術應用特點，分別從目標、原則與功能三方面分析體系構建思路：

（1）構建目標。水利信息化是以水利工程為中心，對水利運行管理資源進行整合，并合理、科學配置所掌握的各類信息，實現信息資源開發與共享，促進水利業務與信息技術的有機結合。水利工程運行期間，在運行環境、狀態等方面均體現出不確定性的特點，需要確保物理、信息空間中各項要素的一致性，對此，應打造彼此交互、相互映射、高效協同的控制系統，以此起到優化配置系統內部資源的作用，還可達到系統運行按需響應、快速迭代的效果。同時，應充分融合工程運行全要素，依托于多元現代化技術，實現對用戶、數據的統一管理，增強所有要素之間的互聯互通性；融合、集成工程運行全流程，實時、跟蹤監測工程整體運行狀況；整合工程運行全業務，主要集成對象有水利業務、全局水利數據、業務關系等，以保證信息共享服務全面性、完整性。

（2）構建原則。首先，物理對象真實反映原則。水利工程運行環境較為復雜，要求工程物理實體具備實時感知、互聯多源異構數據的能力，全面感知、融合四大要素即環境、物、機、人，與此實時，全過程采集并傳輸完整的物理實體運動、狀態等信息；其次，虛擬模型構建真實性原則，虛擬模型是水利工程物理實體在信息空間中的數字化映射，模型的分析與應用可模擬仿真、評估、決策水利工程檢查、控制、養護等，全生命周期監管、預測水利工程運行狀態；最后，孿生數據動態性原則。水利工程運行管理期間會產生大量數據，且類型多樣，并表現出多源異構、多維度等特征。利用虛擬模型分析、處理現有數據，以此得到新數據信息，被稱為衍生數據，而孿生數據則在服務系統、虛擬模型、物理實體中獲得。

（3）功能介紹。對水利工程運行管理時發生的所有行為進行模擬、評估、分析、預測，具體來說就是在虛擬環境中模擬工程運行管理行為，實現對各要素狀態、運行參數以及任務成功率加以精準掌握，確保管理計劃設計有據可依。運行管理時，對產生的數據進行分析，利用規則模擬對現行管理模式先進性加以評估，在此期間，應融合交互、迭代優化信息空間與物理空間，依據獲取的數據控制物理實體，利用數字孿生體動態化、可視化監管物理實體，以此診斷、定位、管理水利設施運行故障。打造預測模型，依托知識庫、經驗庫中的原始數據與實時監測數據，利用數據挖掘、聚類分析技術對數據進行分析與處理，預測工程后期運行狀態，并針對可能發生的運行管理問題制定相應的措施，確保工程穩定、健康運作。此外，在數據孿生技術的幫助下，可在數字孿生體中實時映射水利工程安全管理、調度管理、工程維修養護等，全過程監測數據工程狀態、行為與物理參數。而管理人員可借助各類可視化數據著手于主體信息的規劃工作，再借助統一資源管理服務平臺將可靠、便捷的服務提供給用戶。

3.2 技術架構

數字孿生技術可細分為兩部分，即虛擬體、物理實體。其中，虛擬體是在物理實體最初形態以及條件的基礎上通過模擬仿真而得到，再將決策仿真驗證后的結果映射到針對物理實體構建的信息系統中，以此起到實時監管物理實體的作用。常見的物理實體有水閘、水泵等設施。

站在廣義的角度對物理實體進行分析，同時包含數據質量管理系統、信息化系統，后者設備的功能模塊有水質監測、工程安全監測、閘泵監控等。信息系統監控得到的數據便是物理實體狀態數據，但水利工程運作期間，極易遇到通訊異常、傳感器故障等問題，無法保證系統內部數據的真實性、可靠性，也不能準確將物理實體實際狀態進行反饋，不利于虛擬體決策。對此，需為物理實體打造數據質量管理系統，科學篩選數據信息，并刪除存有異常的數據，該系統還具備數據糾正功能。

若基于廣義視角對虛擬體加以解讀，涉及到決策算法、數字模型兩項內容。其中，數字模型有河網水動模型、產匯流模型等，又包括時間序列、神經網絡等黑箱模型。但水利工程的調度與決策無法僅依靠數字模型執行，還應依托于決策算法，比如動態、線性規劃算法、粒子群算法、遺傳算法等，為數據的大規模計算提供可靠技術支撐。

3.3 關鍵技術

通過對數字孿生系統技術框架以及不同層的基本功能進行研究，能夠發現水利工程運行管理時，應用的數字孿生關鍵技術主要針對物理實體層與虛擬層不同功能。其中，物理實體層的數據采集與共享需在多種技術的支撐下實現，應用的關鍵技術有分布式傳感技術、數據特征提取技術、分布式云服務存儲技術、現場總線技術等；虛擬層主要執行的工作為數據建模與計算，為保證建模仿真能夠真實、準確映射物理實體，則需應用數據處理技術、信息接口技術、嵌入式計算技術、模擬融合與集成技術、虛擬混合現實技術、多物理多尺度建模技術、模擬仿真驗證與優化技術等。

3.4 運行機制

單元級水利工程孿生系統：各單元級系統都可感知、計算分析相對應的監測對象與環境，以此融合、交互水利工程的虛擬空間與物理空間，是水利工程孿生系統的最小單元，擁有多元功能，如延展、計算、感知、自動決策等。借助信息技術，全過程采集、整合系統運行數據，還可對運行狀態進行實時監測，以此為依據，分別從狀態、行為、集合等方面對信息空間中的各類物理實體如水輪發電機組、閘門啟閉機、河渠等進行重建，以此得到水利工程數字孿生體，實現對水利工程物理實體實際情況以及變化趨勢的實時、全方位監測，如配電設備運行狀態、水位變化等。與此同時，利用大數據技術打造對應的數據模型，系統化分析、處理所掌握的數據信息，為外部復雜環境變化的應對決策制定提供數支持，并采取“以虛控實”的手段實現對物理實體的管控。

比如，針對閘門啟閉機設計的孿生系統，先打造相應的感知模塊，實現對閘門啟閉機運行期間產生的各類信息進行采集，如閘門震動、空間尺度、閘門開啟與下降牽引力等，科學、細致分析與處理采集數據，為設備打造多種數據模型，包括行為模型、物理模型、幾何模型等，操控閘門時，可全過程、跟蹤監測、管控閘門啟閉機整體情況。當閘門狀態變化時，通過觀察、分析閘門運作模型，了解閘門高度，如果有非正常變化狀況，系統會自動切斷電源。若閘門出現振動，系統可在第一時間向閘門下達指令，以此調控閘門高度，再借助感知模塊將處理后的閘門狀態呈現到虛擬模型上，通過反復迭代，避開振動位置。

系統級水利工程孿生系統：系統級孿生系統針對所有單元級系統，對其進行分析、交互與感知，促使水利工程決策、組織能力得以提升，確保資源配置合理性。利用多元網絡技術，如以太網、現場總線等，建立起各單元及系統之間的聯系，達到互聯互通的效果，還可實現相互操控，使水利工程所有功能模塊中產生的數據自動流動，極大程度地提高水利工程資源配置深度與廣度。系統通過分析、整理單元級系統運行信息，統一調度各模塊，確保單元級系統協作效率，增強水利工程運作安全性。

3.5 應用場景

梯級泵站恒水位控制參數率定。某調水工程為梯級泵站，并建設有明渠實現水資源的輸送，但未安裝調蓄設備，為保持前池水位的恒定，下級泵站變頻機組需自動調頻。借用PID對調頻行為進行控制，在此之前，需科學、合理選取調節步長以及其他參數，包括比例、積分、微分，規避系統振蕩、超調。但由于泵站運行時無法高頻率執行啟停機試驗，因此，率定參數僅可進行有限次數試驗，嚴重影響調控效果。

對此，決定使用數字孿生技術，依據渠道設計圖紙和泵組特性曲線，打造渠段、泵組數字模型，實現渠段、上下級泵站的有機整合，再分析原始數據，著手于渠系水動模型、泵組模型的優化，確保模型可準確反應渠系與泵站的性能。還需利用數字模型優選調節步長與各參數，并在物理系統中對所選取數據進行驗證。

系統同樣利用Python語言開發，使用PySwmm打造渠道出水口、進水口、水源模型，依據特性曲線搭建變頻泵組模型，將泵組模型與PID控制器嵌入到PySwmm的單步時間步長St中，對各項參數進行設定，將St作為時間步長模擬仿真恒水位調節過程，實現對前池水位變化情況的實時掌握。

應用成果：模擬仿真下級泵站前池恒水位控制參數率定，在此期間，各項參數的設定值如下：比例0.003、積分0.002、微分0.000 01、調節步長60，前池水深6.61 m。啟動上級泵站后，下級泵站的前池水位會上升，當運行時長達3 h時，恒水位控制器會發揮其自動調節功能，確保前池水深始終保持在設定水深范圍內。

4 結論

水利工程運行管理時，通過應用數字孿生技術打造虛擬模型，實現對工程物理實體的精準仿真，以此處理引水環通中閘泵群最優調度的決策問題，還可對泵站恒水位進行全面管控。與此同時，構建數字孿生系統，完善工程運行管理體系，依托于人工智能、云計算、物聯網等現代化技術，推動“信息水利管理”向“智慧水利管理”的高速變革。