數字孿生技術在智慧水利工程中的應用與發展闡述

史亞平 王佳麗 徐世雄

1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司勘察分公司 江蘇 揚州 225000

2.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司 江蘇 揚州 225000

水利工程作為協調水資源為社會發展提供服務的作業，對于社會的發展具有很大的影響，所以水利工程的功能發揮就成為相關單位的作業要點。智慧水利工程作為借助先進設備以及技術對水利工程進行調節和控制的作業，能夠在保證水利工程作業質量的基礎上加快工程的作業效率，很大程度上滿足社會發展的需要。然而智慧化水利工程具有很強的技術性，作業環節需要先進的技術設備以及專業的技術人員支撐，所以智慧水利的落實還需要數字孿生技術的引進。在此背景下，就需要相關人員加強對智慧水利以及數字孿生技術的研究，科學合理地將數字孿生技術應用到智慧水利作業中，以滿足社會發展的需要。

圖1 數字孿生技術示意圖

1 數字孿生技術以及智慧水利工程概述

1.1 數字孿生技術以及智慧水利的概念

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，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。而在現階段水利工程的發展過程中，隨著社會對水利工程的需求不斷提升，智慧水利逐漸成為社會發展的關鍵[1]。智慧水利是在以智慧城市為代表的智慧型社會建設中產生的相關先進理念和高新技術在水利行業的創新應用，能夠很大程度上提升智慧水利工程的作業效率和質量，從而推動社會的發展。

1.2 智慧水利工程以及數字孿生的必要性

圖2 數字孿生技術的結構

對于數字孿生技術來說，其最主要的優勢就在于實現了現實物理系統向賽博空間數字化模型的反饋。在此背景下，專業的技術人員就能夠將現實世界發生的各項事件轉化為數字信息，并且形成帶有回路反饋的全生命跟蹤，落實真正的全生命周期概念。這樣一來，相關人員就能保證數字世界和物理世界的協調一致，并且在數字化的基礎上借助計算機等設備對現實世界的各種物理特點進行模擬研究，直接規避實際作業可能出現的隱患，深入推進科學技術的發展。而且對于智慧技術來說，智慧系統只有通過感知、建模才能夠實現對現實生產體系的準確模型化描述，所以數字孿生技術也就十分必要。而對于智慧水利工程來說，由于暴雨洪澇等水利災害容易對城市經濟、人民生命財產造成嚴重傷害和巨大損失，水利工程就需要在保證水資源合理調配的基礎上滿足災害治理的需要，技術要求較高，傳統的水利工程就難以滿足社會的發展需要，要求作業人員對現有的水利工程進行優化升級，在原有功能的基礎上進一步升級，以滿足現階段社會發展的需要。智慧水利工程作為水利工程的智能化作業，借助先進的技術設備實現了水利工程各項作業的智能化調控[2]。一方面在事前對當地的水源狀況進行調查，了解水源的潮汛、漲落潮、凌汛以及洪峰等特點，并且結合先進設備實現對其的實時監控，以方便后續水利工程的施工建設。另一方面，智慧水利工程通過利用先進的信息科學技術實現水利工程設施智能化管理和運行。針對現階段存在的洪水防洪調度、水旱災害防御以及應急推演等狀況進行預報、預警、預演以及預案，從而有效地降低水利災害對城市的影響，實現水利工程的可持續發展。

2 智慧水利工程中數字孿生技術的難點

實際作業環節，數字孿生技術雖然能在很大程度上推動智慧水利工程的發展，但是由于二者具有很強的技術性，再加上各種現實因素的影響，現階段的水利工程數字孿生技術應用還存在諸多缺陷，需要相關人員加強對其的研究。

2.1 數據管理方面的問題

智慧水利工程相較于傳統水利工程的區別之一就在于數據的大量轉移，所以實際的發展過程中智慧水利工程就需要進行大量的信息處理。而且數據作為虛擬體模擬仿真和決策的依據，數字孿生技術要想建立起相關模型就需要通過信息技術進行大量的信息收集，以保證后續作業的開展。但是實際的作業環節，水利工程數字孿生技術在應用過程中收集到的原始資料往往會夾雜有大量的無用數據以及噪聲，造成信息的誤差，進而制約數字孿生技術的精準度。所以實際的發展過程中，數據質量就成為制約智慧水利工程數字孿生技術落實的關鍵，需要相關人員結合實際進行研究，建立起質量管理機制，以保證數字孿生技術數據獲取符合物理實際，推動水利工程智慧化的發展。

2.2 數字模型的構建問題

現階段的數字孿生技術一般是將現實世界的物質變化轉化為信息數據的技術手段，而要想對數據進行合理的應用，還需要數字孿生技術的作業人員在虛擬世界建立起數據模型，更加直觀地將水利工程展現在作業人員面前，以保證作業的需要。然而實際的數據模型建立環節技術性很強，就還存在一些難點。首先是模型邊界問題，水利工程作為對自然界水利系統的調節工程，和自然界之間的邊界一般由人員構成，所以邊界的設計就需要設計人員合理地進行設計，以保證相關作業的需要；其次是數字模型的參數率定問題，水利工程主要承擔水源調動的任務，承擔很大的水源壓力，所以為了保證水利工程的質量就需要明確其基礎參數。作業人員需要收集河道的形狀、寬度以及長度等，容易出現失誤[3]；然后是模型的選擇問題，現階段的智慧水利工程建模一般基于歷史數據用深度學習模型做局部模型的替代，但是深度學習模型存在新的輸入超過它的經驗數據范圍后，輸出的結果無法把控的狀況。也就是說深度學習模型的輸入輸出不能超越它的經驗范圍，很大程度上制約模型功能的發揮。

2.3 接口設計以及集成問題

實際作業環節，數字孿生系統一般由多個子系統構成，而且這些子系統由不同的單位承建，要想保證子系統功能的發揮，實現整個系統的穩健運行，就需要合理地進行邊界設計和接口設計。但是實際作業環節，部分企業之間的聯系不夠深入，就導致相關人員在實際的發展過程中難以和外界進行充分的交流，參數的設計也就容易出現紕漏，很大程度上制約相關作業的開展，影響子系統之間的耦合。而在集成方面，由于多數子系統來自不同的企業，部分時期就出現設計標準以及參數之間的差異，再加上企業之間缺乏溝通，就很大程度上制約子系統的結合，影響集成的落實。

2.4 系統功效評價方面的問題

數字孿生系統建設復雜，會在多個系統間產生數據交互。在工程中一般遇到的問題是數字模型和信息化系統耦合性太強，導致調試運行時互為掣肘，難以理清頭緒。而且智慧水利工程的效果評價也存在一定的難點，智慧水利工程下的設備系統同為一個整體，各個系統之間協調作業，很難對單個系統的功能進行明晰，相關人員在進行功效評價之時還存在一些難度[4]。而且數字孿生技術下的智慧水利工程一般很難出現失誤，也會制約功效的評價。再加上部分單位對于效果評價的重視程度不足，也會在一定程度上制約效果評價作業的開展。

3 數字孿生技術在智慧水利工程中的應用與發展

實際作業環節，由于數字孿生技術在智慧水利工程中的應用存在一些難度，一定程度上制約水利工程的發展，所以實際的發展過程中就需要相關人員結合實際對其進行研究，結合數字孿生技術的實際將其科學合理地應用到指揮水利工程中。

3.1 水利業務賦能

3.1.1 流域總攬，感知大規模的跨地動態

實力作業環節，智慧水利工程需要對流域狀況進行總攬，方便相關人員結合實際進行協調。數字孿生技術就能夠借助專業的技術手段建立起流域一張圖，并且整合水利工程流域內的各項數據進行整合，調查流域內的江河湖泊、電站以及重要設備位置等的分布、范圍以及類型等并進行綜合監測。然后再結合關鍵指標進行可視分析，對流域內的動態進行管理。

3.1.2 實現水利樞紐以及重點設備的精細化管控

在數字孿生技術的支持下，相關人員就能夠對水利工程的樞紐、壩體、地形地貌以及電站機組等在計算機上進行模擬，建立起專業的模型，實現對其的動態化掌控。而且數字孿生技術還能夠針對水利工程區域內的天氣狀況、流量、降水量以及工程參數等信息進行收集，并且通過專業的模型計算方法對工程的閘門與泵站等設備實現遠程控制，進一步落實設備的精細化管理。

3.1.3 水庫蓄水調度的科學分析

相較于傳統的水利工程來說，智慧水利工程的特點之一是落實了工程作業的智能化管理，技術性很強。數字孿生技術就能借助專業的設備將各項數據集中到計算機中，幫助水利單位建立起水庫監測管理系統。在此基礎上，該系統就能夠對水利工程的來水預報、水量分配以及水量調度等分析，確定水利工程可能遇到的作業狀況，并且結合水利工程的實際承載能力確定平衡蓄水和泄洪等作業，在對水利進行協調的同時降低水利工程的壓力[5]。而且該技術下相關人員還能夠對水庫調蓄能力不足、水位超限等異常態勢進行可視化預警告警，提升水庫運行監管力度。

3.2 數字孿生底座賦能

3.2.1 三維超大范圍數字孿生流域態勢呈現

數字孿生技術擁有超高的渲染能力，借助三維渲染核心，就能夠實現跨地域、跨流域以及超大范圍的水利態勢實時渲染，將水利工程中的水庫、閘門以及流域狀況等要素進行精細化的復現，將水庫的各項功能直觀地展現在相關人員眼前，方便進行后續的作業。而且渲染還能夠實時地模擬四季、天氣、晝夜以繼日照的變化，在計算機上模擬出水利工程的實際運行外界環境，高擬真復現物理環境效果，并支持與真實世界同步，進一步深化工程的智慧化。

3.2.2 多源數據高效融合

數字孿生技術本身由多個子系統組成，而且智慧水利工程涉及面較廣，所以數據的整合也就成為現階段社會發展的關鍵，需要相關人員結合實際進行研究，以保證相關作業的順利落實。現階段的數字孿生技術支持BIM、傾斜攝影、無人機航拍、高精度高程等多類型地圖數據高效集成，就能夠借助各項技術以及設備對區域內的地質狀況進行資料收集，在降低作業難度的基礎上更加完善地進行資料收集，滿足實時數據監測需求[6]。而且該技術還能夠和監控系統相結合，進一步收集作業環節存在的隱患，實現多源數據的智能關聯分析，為用戶決策研判提供全面、客觀的數據支持和依據。

3.3 基礎平臺賦能

3.3.1 通信融合

數字孿生技術還能夠實現通信融合，實際的發展過程中，該技術還支持視頻會議、廣播以及實景指揮等技術的應用，進而實現各個系統之間的互聯互通，滿足數據交換的需要，進一步提升通信指揮效能。

3.3.2 數據分析

針對園區現有多源、異構、海量數據，可提供豐富的可視化分析手段，結合專業分析算法和數據模型，按照業務需求進行多維度并行分析；支持數據實時顯示、態勢歷史回溯、上卷/下鉆/切片等數據分析支持，輔助用戶深度挖掘數據價值，為管理決策提供科學、全面的依據。

4 結語

現階段水利工程的發展過程中，由于社會對水資源的需求不斷提升，傳統的水利工程管理技術就難以滿足社會發展需要，在此基礎上作業人員就需要結合先進技術，將數字孿生技術引進到水利工程中，實現智慧水利工程的建設。然而數字孿生技術以及智慧水利工程的技術性很強，二者的落實還存在一些難度，在此背景下，作業人員就需要通過結合實際對數字孿生技術的應用進行研究，保證相關作業的順利開展。