數字孿生技術在水庫大壩及灌區信息化建設中的應用

馬宏偉

（北京中水科工程集團有限公司，北京 100048）

引言

目前，我國各主要水庫及灌區均建立了大壩安全監測信息的收集和管理體系[1]，可以對大壩進行數據采集和安全管理，但是，不能及時、有效地分析和診斷水壩及灌區的安全情況，不能滿足多層水庫和儲灌區域的安全管理，為此，應從工程與非工程的角度，引入新理論、新技術和新模式，改善水庫和灌區的安全管理工作。隨著物聯網、邊緣計算、云計算以及數字孿生等技術的不斷發展和進步，為水庫大壩的安全管理提出了新的設想。

數字孿生技術是將物理模型、傳感器更新、運行歷史等綜合起來的多學科、物理量、規模和概率的仿真技術。事實上，數字孿生技術是基于某種特殊設備或系統而形成的“克隆體”。

數字孿生系統以信息技術平臺為基礎，與設計圖比較，該數字孿生系統最大的特點是可以實現對物體的動力學仿真。它的“動”，是建立在本體的物理實體模型之上，還會得到來自于身體表面感應器的反饋和關于本體論的歷史資料?！皩\生體”的實時狀況以及所處的周圍環境，都會在“身體里重現”。數字孿生不僅具有“會動”的特性，還具有“全壽命”“實時/準實時”“雙向”等特征。

在其它產業中，數字孿生已經得到了廣泛的應用，與其它項目相比，水庫壩體及灌區具有從設計、施工、運營和管理等全過程，因此，必須要把數字孿生技術和大壩有機地結合起來，數字孿生技術在水利領域的應用必然會使傳統的水利管理方式發生變化，為水庫大壩及灌區管理提供了一種更為方便、科學的技術方法[2]。

1 當前水庫大壩及灌區信息化現狀

目前，我國各大港口企業普遍認為，水庫大壩及灌區由機械化進入智能化時代，并在業內形成了一股合力。2017年2月初，交通部發布《關于開展智慧港口示范工程的通知》，沿海水庫和灌區的建設，都在以人工智能為突破口參與其中，利用智能管理系統，可以極大地降低碼頭的經營管理費用，減少產品制造、貿易等環節，逐步降低水庫大壩、灌區交易和物流鏈條各個環節的費用，從而創造更多的間接效益。因此，運用現代化的智能技術已成為港口發展的必然趨勢。

隨著水庫壩址和灌區裝卸貨物種類的不斷細化，裝卸設備的科技水平不斷提高，由于裝卸過程越來越復雜，僅憑經驗是不可能實現的。國外已在水庫大壩和灌區信息平臺上進行了相應的研究，通過信息存儲、人工智能、AIS和云計算等大數據技術，持續改進水庫和灌區設施的現代化程度。我國的水庫和灌區的信息化建設平臺也在迅速發展。

2 大壩安全及灌區管理的數字孿生技術

為了實現水庫大壩及灌區的數字化運營和安全管理，開發了一套高性能、可擴展、易使用的數字孿生技術。

2.1 大壩及灌區安全數字孿生應用需求體系

根據國家、地方政府的相關政策文件及業主需求，全面部署，頂層設計，通過對水庫、油庫工程、管理和信息化建設的現狀進行調研，從工程概況、業務管理、系統應用等多方面入手，對數字孿生應用系統的發展現狀進行了深入的剖析，明確了安全監控業務的關鍵點和雙應用技術的重點。

2.2 大壩及灌區安全運行管理體系與數字孿生應用框架

綜合調研業務需求、發展趨勢，對“一頁一圖”“基本信息”“水雨情”“預報調度”“安全監測”“視頻監控”“閘門監控”等系統管理業務流程、指標體系、運行體系等方面進行了詳細闡述。

2.3 大壩及灌區安全數字孿生應用標準組件庫

基于企業內部邏輯，建立了包括BIM、GIS、傾斜攝影等多個立體顯示模塊的模塊庫。由水工建筑物、監測斷面、監測點等組成的組合式安全監測體系，包含雨量計、滲壓計、流量計、溫度計、GNSS和應力計等模塊，由水質模型、氣象預報模型、水文預報模型、調洪演算模型、防洪調度模型和大壩安全預測預警模型等構成，由彈窗、列表、餅圖、柱狀圖等構成模塊庫。集成組件開發、封裝和接口技術，實現組件、業務、應用和平臺的集成[3-4]。

2.4 大壩及灌區安全數字孿生支撐平臺

采用標準化、模塊化、可視化和智能化的開發思路，建立了水庫大壩安全監控系統的總體框架，并通過圖形化的編輯方法，根據具體工程的實際工作要求，在可視化環境下進行組件組裝，減少了開發人員的工作量，提高了工作效率，達到了低成本、高效率、用途廣泛的目的。該支撐平臺能夠支持三維可視化數字化場景，包括空間數據、BIM模型數據、業務數據、感知數據和多媒體數據等多種數據資源的無縫整合，并實現了與現實生活的動態映射。

3 數字孿生技術在水庫大壩及灌區運行管理中的應用研究

3.1 應用分析

在信息技術飛速發展的今天，大數據、云計算、物聯網等技術已經成為信息技術發展的一個重要方向。數字孿生技術是目前智能領域中一個新的研究熱點，也是復雜系統的智能化操作與維修中的一個重要課題。水庫大壩及灌區的運營管理，涉及到監測、預警、調度和維護等業務，也涉及到對資源的收集、儲存等方面的規劃。以此為基礎，構建一個數據中心，實現數據的整個生命周期采集、存儲、交換、更新和共享。在這一過程中，數字孿生技術可以為水庫及灌區的整體管理提供有力的技術支撐。

隨著信息技術、自動化和通訊技術的飛速發展，信息資源短缺、數據整合能力差、開發利用效率低下等問題正在逐步得到改善。

3.2 運行機制

在信息空間中，利用幾何、物理、行為、規則等多種不同的方式，建立了一個基于數學、行為和規則的數學模型。在此基礎上，通過對狀態感知、分析、決策、執行等過程的閉環管理，實現了實體空間與信息空間的實時互動。

3.3 單元級水庫大壩及灌區數字孿生系統

每個庫壩及灌區的數字孿生系統都能感知、計算、分析相應的監控對象和環境，水庫、灌區的物質世界和信息世界能夠相互交融，具有可感知、可計算、可交互、可擴展和可自主決策的最小單元。運用現代信息技術，實現了對水閘、水輪發電機組、輸水隧洞、水渠、雨情和水情等物理實體從幾何、狀態、行為、變化等方面進行全要素重建，即通過構建相應的數字孿生系統，對水利工程實際空間的運行狀況、變化趨勢（如水位變化、電壓變化、配電設備等）進行實時跟蹤，利用大數據、機器學習等技術，對數據進行實時分析與處理，并根據實際情況，做出有效決策。

本文以閘門啟閉機水庫及灌區數字孿生系統為實例，利用感知模塊獲取閘門啟閉機的各種信息，其中包括閘門啟閉機的外形、啟閉力、啟閉行程和閉合速度、啟閉機功率狀態、空間尺度、閘門振動等，對閘門開閉器的幾何模型、物理模型、行為模型等進行分析。在閘門運動過程中，如果閘門運動模式出現了明顯的跳高或提高，則會自動切斷，并向工作人員匯報故障的原因。在檢測到開啟高度的振動時，可以向閘門開啟裝置發出控制指令，調節打開高度，調整后的狀態會被反饋到虛擬模型中，反復計算，避免出現震動。通過使用支持向量機、動態貝葉斯等數據挖掘技術以及知識庫、經驗庫等，對閘門啟閉機的安全性能進行了研究。

3.4 系統級水庫大壩及灌區數字孿生系統

系統級的水庫和儲罐數字孿生系統，基于其所有的單位級數對系統，利用狀態感知、信息交互、即時分析等方法，改進了水庫及灌區的管理和決策能力，從而達到資源的總體分配。采用現場總線、以太網、無線網絡等技術，實現了多個單位層次的數字孿生系統的互聯和互操作，并實現了各功能模塊間的數據自動流通，從而使水庫和儲灌區域的資源優化配置得到更好的發揮。系統級水利數字孿生系統綜合考慮了各單位級水庫及灌區數字孿生系統的數據及其相互關系，實現了對各模塊的統一調度，提高了各單位級數字孿生系統的協同工作能力，確保了水利項目的安全。

4 關鍵技術

在技術路線的選擇上，綜合運用了物聯網、3S技術、云計算和大數據等先進技術，實現了對水庫大壩及灌區安全管理的統一。

4.1 基于混合存儲架構的大數據存儲方案

經過多次的實驗與對比，最后選定了MongoDB的DB分布式內存，以及MySQL，用于基于關系的數據和時間。提出了兩種混合數據存儲器方案，即原始的數據存儲器和結果的存儲器。本系統采用ETL技術，將各個水庫、灌區域的原始資料、水文氣象資料和地形地貌資料等數據收集起來，然后歸檔。建立了一個基于MapReduce的Hadoop分布式計算體系結構，主要內容有：水文預報模型、調度演算模型、氣象預報模型、回歸分析模型、相關性分析模型、浸潤線分析模型、滲透坡降分析模型和模型容量擴展接口。利用集群模型對結果進行分析，把得到的資料匯集在一個復合內存里進行備份。采用微服務集群訪問的方式，實現了心跳管理、負載平衡和服務權限管理。應用WebAPI，為水庫管理、水資源管理、流域管理以及其他服務機構提供數據服務[5]。

4.2 多級緩存熱點數據交互方法

為了提高速度，通過緩沖暫時將數據保存內存中。為了提高系統的性能和使用效率，減少重復訪問和計算過程的消耗，需要對高頻熱點數據進行高速緩存。

在大數據環境中，利用Redis集群緩存技術，可以減少數據的平均損耗，可以訪問數據簇，能快速發現高頻異常數據，并能對熱點信息進行統計和分析。

4.3 BIM+GIS融合技術

BIM+地理信息系統集成技術問題研究，利用三維BIM模型和3D地圖技術，實現了BIM數據的數字孿生。利用當前國內主要的GIS軟件，可以無損地接入BIM的主流數據，準確地與GIS系統進行BIM數據匹配。實現了BIM數據與三維實體模型的無縫對接，并以GIS為平臺，以BIM+GIS為基礎，為BIM+GIS的應用提供技術支持和平臺支持。

5 創新點及社會效益分析

利用該數字孿生技術，對目前已有的水庫大壩和灌區信息系統實現了創新。

1）建立了與現實一致又高效的實時監控系統和數字孿生系統，并將這些信息融合在一起，進行分析、判斷，制定出合理的計劃。對水庫壩址、儲灌區域進行調度、管理，節約人力、物力和時間。

2）利用人工智能技術和云計算技術，搭建平臺，打通后方管理平臺、水庫大壩和灌區區域的信息屏障，基于云端的數字孿生技術，對多個異質信息進行統一、同步和預處理，實現了身份識別系統、RFID、雷達、AIS、CCTV、機械設備和船用設備等信息的同步、預處理。

3）基于4G/5G通信技術，以智能手機為終端，將庫區、大壩、灌區、閘門、現場機房和控制室等關鍵節點連接起來，形成一個統一的“數字孿生”體系。在雷達、視覺深度處理、工業總線、激光雷達以及毫米波雷達等手段支持下，極大地提高了“數字孿生”的感知和整合功能，并把實時數據與信息系統結合起來。

4）搭建云服務平臺，與操作維護人員的手機APP相連，提高水壩本身的智能監控功能；從參與大壩安全監督管理的角度出發，采用“數字孿生”技術，為不同的用戶提供數據和控制界面。最后，在不增加現有基礎設施和運營費用的情況下，進行最優整合，提高水庫整體大壩、儲灌區及其相關水系的服務效率。

5）通過對系統內應力應變、滲流滲壓、變形監測、動態監測乃至水雨情的各種信息的收集和整理，并保障消息的實時性與可靠性，通過系統提前進行預判和管理，解決了以往水庫大壩及灌區依靠人的視覺和經驗來管理的比較落后的模式。

6 結語

數字孿生技術實現了對水庫大壩及灌區全生命周期、實時和準實時的雙向信息傳輸，提出了水利信息化的新思路、新技術、新模式。數字孿生技術在水庫大壩及灌區的應用還處于起步階段，為了能與現實接軌，要在理論、技術和信息化方面進行探索，在信息化的認識和方法創新上，都要與GIS、BIM技術緊密結合。本文所開發的“數字孿生”技術平臺，對中國大壩及灌區安全管理和運營具有一定的參考價值。