數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代化水利工程中的應(yīng)用

崔雷

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院集團有限公司，天津 300000）

現(xiàn)階段，中國治水工作的中心已經(jīng)由基礎(chǔ)的水利系統(tǒng)建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂こ痰耐晟?、?yōu)化以及針對整體水利行業(yè)的強監(jiān)督、管控與治理。而智慧化技術(shù)與系統(tǒng)作為現(xiàn)代化水利工程的重點優(yōu)化方向，經(jīng)過多年建設(shè)已經(jīng)獲得了較好的發(fā)展。中國水利工程信息化系統(tǒng)中遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息化操作、集成式信息處理等功能模塊已經(jīng)初具雛形，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)逐步完善。但是，如何在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，進一步將現(xiàn)代化水利工程與信息化系統(tǒng)、經(jīng)典水文水利和水質(zhì)等多種理論進行整合，為后續(xù)水利工程的運行與管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以及科學(xué)決策，仍舊是構(gòu)建現(xiàn)代化智慧水利目標(biāo)中亟需解決的問題。

孿生技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了途徑，該技術(shù)有助于現(xiàn)實水利工程與虛擬信息化系統(tǒng)之間的相互銜接，落實經(jīng)典水文、水利以及水質(zhì)理論與水利工程信息化系統(tǒng)的有機結(jié)合，全面優(yōu)化現(xiàn)代化水利系統(tǒng)中的科學(xué)決策問題。

1 對現(xiàn)代化水利工程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的理解

數(shù)字孿生技術(shù)最早是作用于工業(yè)領(lǐng)域中的系統(tǒng)建模以及仿真應(yīng)用所被人熟知。在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的現(xiàn)代社會工業(yè)領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息便捷傳輸優(yōu)勢、大數(shù)據(jù)技術(shù)的海量數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢、云儲存的信息數(shù)據(jù)儲存優(yōu)勢等，都是工業(yè)領(lǐng)域信息化變革的基礎(chǔ)。而具備仿真應(yīng)用以及系統(tǒng)建模的數(shù)字孿生技術(shù)能夠借助數(shù)字化的技術(shù)手段構(gòu)建起與物理世界相同的數(shù)據(jù)信息“虛擬體”，從而憑借技術(shù)參與人員對相關(guān)物理實體的了解以及技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，通過操控“虛擬體”實現(xiàn)對物理實體的認(rèn)知、分析、監(jiān)控、預(yù)測、優(yōu)化與控制決策[1]。

針對建設(shè)階段以及運維階段的水利工程數(shù)字孿生技術(shù)而言，與之相對應(yīng)的信息化系統(tǒng)能夠幫助相關(guān)人員收集、了解工程運行的基本狀態(tài)，如水利線路中的管線狀態(tài)、閘閥開關(guān)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息、水質(zhì)變化趨勢等，這些表現(xiàn)在智能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息都能夠有效反映水利工程建設(shè)與運維的狀態(tài)。而基于工程建設(shè)階段所需要、所保存的設(shè)計資料，如水利工程建筑物設(shè)計圖、泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計圖等，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)勢以及水文、水利、水質(zhì)等方面的理論，輔以GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）等技術(shù)，便可以實現(xiàn)在計算機系統(tǒng)、智能移動終端系統(tǒng)中搭建水利工程仿真模型的目標(biāo)。而相關(guān)工作者可以基于虛擬模型在不同情境中的數(shù)據(jù)變化，對水利工程實體的變化規(guī)律進行預(yù)測、分析與決策[2]。

2 現(xiàn)代化水利工程中數(shù)字孿生技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計

基于現(xiàn)代化水利工程中數(shù)字孿生技術(shù)的架構(gòu)進行分析，可以將其基礎(chǔ)組成分為“虛擬體”和“物理實體”兩部分。這一過程中，虛擬體需要依賴于物理實體的真實運行狀態(tài)和初始數(shù)據(jù)信息、控制決策以及邊界約束條件等進行決策模擬仿真?，F(xiàn)代化水利工程中數(shù)字技術(shù)的架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

而物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)則需要依賴于信息化、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)進行全線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，但在實際運維過程中，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳感器、數(shù)據(jù)檢測結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)等存在不可控的風(fēng)險隱患，較易出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集異常、數(shù)據(jù)紊亂等問題[3]。在出現(xiàn)問題的情況下，物理實體的真實狀態(tài)無法得到精準(zhǔn)分析，虛擬體所進行的技術(shù)仿真以及科學(xué)決策也會出現(xiàn)細(xì)節(jié)錯誤。因此，物理實體層面還需要包含與水利工程相契合的專有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，保障數(shù)字孿生技術(shù)穩(wěn)定運行構(gòu)成中能夠?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進行精準(zhǔn)的篩選、刪減，同時還需要提供基礎(chǔ)的人機交互數(shù)據(jù)處理、修整功能。

虛擬機基于實際應(yīng)用需求層面而言應(yīng)具備數(shù)字模型和決策算法兩方面功能。其中數(shù)字模型中包含水利工程產(chǎn)匯流模型、水質(zhì)模型、黑箱模型等，能夠?qū)λこ痰膶嶋H運行狀態(tài)進行精準(zhǔn)的分析與預(yù)測。而決策算法主要包含傳統(tǒng)的線性規(guī)劃算法、動態(tài)規(guī)劃算法、遺傳算法、粒子群算法、智能算法等，能夠滿足水利工程數(shù)據(jù)信息規(guī)模大、計算復(fù)雜等需求[4]。

3 現(xiàn)代化水利工程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的要點

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

數(shù)據(jù)信息是數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代化水利工程中發(fā)揮真正效用的依據(jù)和基礎(chǔ)，虛擬體中的數(shù)字模型往往需要數(shù)字化系統(tǒng)為其提供數(shù)十個甚至上百個采集點所采集到的數(shù)據(jù)作為初始建模條件或便捷約束條件[5]。然而在實際情況中，水利信息化系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)存在隨機誤差以及噪聲的情況，無法作為建模的原始條件。因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量管理是水利工程數(shù)字孿生虛擬體決策準(zhǔn)確性與科學(xué)性的先決條件，也是現(xiàn)代水利工程系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)的重要指標(biāo)。數(shù)據(jù)質(zhì)量管理系統(tǒng)需要具備基本的數(shù)據(jù)容錯管理機制，其需要利用能夠真實反映物理實體狀態(tài)的數(shù)據(jù)引導(dǎo)虛擬機進行數(shù)字建模以及后續(xù)的一系列操作。

3.2 數(shù)字模型的構(gòu)建

針對數(shù)字模型的構(gòu)建，需要明確的是建模過程中的邊界約束條件問題。事實上，大部分的水利工程在自然界中并不具備天然的邊界，其實際建設(shè)情況、運行工況與工程之外的自然系統(tǒng)（如水系）之間存在較強的融合關(guān)系。因此，在建立數(shù)字模型之前，首先需要明確水利工程中的邊界條件，只有保障了邊界約束條件的合理性與科學(xué)性，才能夠保證虛擬體數(shù)字模型全面反映出最真實的水利工程情況。

數(shù)字模型的參數(shù)問題。水利工程中如河流長度、水質(zhì)數(shù)據(jù)、河道斷面形狀等都屬于水利工程的基礎(chǔ)參數(shù)，但針對閥門過流系數(shù)、河道糙率等則需要相關(guān)技術(shù)人員進行人工設(shè)定與調(diào)整[6]。現(xiàn)階段，相關(guān)工作人員無需進行過于繁雜的實際計算，只需要將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到指定的計算端口中，便可以借助智能算法對這部分參數(shù)進行整體率定。例如，相關(guān)工作人員可以利用信息化系統(tǒng)中儲存的既往水利工程數(shù)據(jù)，利用智能化算法對其進行一鍵率定，在同一時間內(nèi)完成多個閘門過流系數(shù)的率定。

模型選用問題。在既往的建模過程中，針對參數(shù)質(zhì)量不高、模型效果不好的問題，可以利用歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)軟件的深度模型技術(shù)建模，以僅替代局部建模。這種簡單的應(yīng)急模式確實能夠在特定的情況下取得較好的效果，但由于深度學(xué)習(xí)模型技術(shù)所構(gòu)建模型的質(zhì)量與可參考性不受控制。這意味著大云物移時代背景下，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強對傳統(tǒng)水文水利模型技術(shù)以及回歸分析技術(shù)的關(guān)注，采取必要的應(yīng)急措施，避免過度依賴歷史數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

模型計算時效性問題。針對數(shù)據(jù)較多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型，單核運算無法全面滿足數(shù)字孿生技術(shù)決策的時效性需求。因此需要加強對多核計算的考量，全面優(yōu)化模型的建立與求解速度[7]。除此之外，在模型的設(shè)計方面，也需要基于計算機儲存、CPU（Graphics Processing Unit，中央處理器）等方面的能力，多采用矩陣的概念，利用GPU 優(yōu)化數(shù)字孿生技術(shù)計算速度。針對決策算法方面，需要考慮能夠全面支持并行性計算的算法模式，如遺傳算法等。

3.3 接口設(shè)計與集成

數(shù)字孿生技術(shù)是多個子系統(tǒng)的集成，這些系統(tǒng)通常會有不同的單位進行獨立設(shè)計與建設(shè)，只有探尋到更合理的邊界與接口，方能夠保障整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在水利工程建設(shè)過程中，信息化系統(tǒng)與模型之間的系統(tǒng)應(yīng)具備松耦合的特征，其兩者之間既需要存在一定的銜接關(guān)系，又要具備相對獨立、清晰的邊界與數(shù)據(jù)接口，以便于在數(shù)據(jù)模型更替或是信息化系統(tǒng)升級的情況下，其中的一方不會對另一方的穩(wěn)定運行造成影響[8]。

3.4 系統(tǒng)功效評價

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利工程信息化系統(tǒng)程序建設(shè)相對復(fù)雜，其需要在不同的子系統(tǒng)之間進行大量的數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)代化水利系統(tǒng)的運行過程中最常見的問題便是運行過程中數(shù)字模型與信息化系統(tǒng)之間互為掣肘，難以對其中一方進行獨立調(diào)整與操控，這主要由于其兩者之間的耦合性太強。想要在保障數(shù)字孿生系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的情況下使數(shù)字模型與信息化系統(tǒng)之間相輔相成、相互獨立，便需要在設(shè)計開發(fā)與建設(shè)過程中以“三可”為原則，分別是可觀察、可操作（可執(zhí)行）、可追溯。

4 現(xiàn)代化水利工程中數(shù)字孿生技術(shù)的典型應(yīng)用場景

某水利工程中，相關(guān)技術(shù)人員以數(shù)字孿生技術(shù)為依托，輔以三維空間影像技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)、工程地質(zhì)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，構(gòu)建了適用于該水利水電工程的內(nèi)外一體化數(shù)字智能采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中主要表現(xiàn)出了以下3 個方面的優(yōu)勢。

首先是高質(zhì)量的工程地質(zhì)三維數(shù)字化采集應(yīng)用效果。依托于數(shù)字孿生技術(shù)，該水利工程充分運用智能移動終端、電子羅盤以及GIS、GPS 等眾多新型技術(shù)，內(nèi)外部作業(yè)數(shù)據(jù)，輔以物聯(lián)網(wǎng)程序系統(tǒng)實現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)采集、水利勘探等不同工作的協(xié)同作業(yè)。同時整合了水利工程地質(zhì)大數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建起與之相對應(yīng)的專家預(yù)判輔助功能，在系統(tǒng)運行過程中進一步升華了地質(zhì)數(shù)據(jù)的使用價值，有效地加強了內(nèi)外部地質(zhì)勘察工作的實際工作效率與質(zhì)量。

其次是借助工程地質(zhì)信息管理模塊優(yōu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。水利工程的建造與運行過程中涉及大量的數(shù)據(jù)信息，且不同信息元素的種類十分繁雜、數(shù)據(jù)增長速度也較為迅猛，處理與應(yīng)用難度較大。依托于數(shù)字孿生技術(shù)的現(xiàn)代化水利工程系統(tǒng)，能夠?qū)⒉煌绞讲杉颢@取到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一儲存，以水利工程系統(tǒng)運行需求為主，構(gòu)建起大數(shù)據(jù)服務(wù)中心以及相應(yīng)服務(wù)模塊，如圖2 所示。

圖2 水利工程信息管理與服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

最后是完善的水利工程三維建模與分析。依托于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建起具有直觀性、可更改性的三維化可視模型，在有需要的情況下，幫助相關(guān)工作人員基于模型信息對水利工程的具體情況進行測算與模擬，完成虛擬工程與物理實體的及時交互。

5 結(jié)束語

綜上，在現(xiàn)階段既有的應(yīng)用場景與應(yīng)用經(jīng)驗中，數(shù)字孿生技術(shù)的確能夠為水利工程泵站中的恒水位控制提供基礎(chǔ)參數(shù)，進而達(dá)到解決引水環(huán)通中閘泵群最優(yōu)調(diào)度決策的目標(biāo)。

結(jié)合案例可知，數(shù)字孿生技術(shù)有利于引領(lǐng)傳統(tǒng)水利向著更智能、先進的現(xiàn)代水利過渡，在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)全面發(fā)展的宏觀背景下，充分發(fā)揮以數(shù)字孿生技術(shù)為代表的新興技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，勢必會將水利工程運行管理帶領(lǐng)邁入更加智能、先進的新階段。