數(shù)字孿生水利工程建設(shè)思考研究

劉浩杰 馮 慶 褚 敏

1. 湖北省漢江興隆水利樞紐管理局 湖北 武漢 430062

2. 湖北省王英水庫管理局 湖北 咸寧 437199

水利工程建設(shè)的全面開展實施過程應(yīng)當建立在智能化與自動化的建模技術(shù)保障基礎(chǔ)上，其中非常關(guān)鍵的就是采用數(shù)字孿生的工程模擬技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的合理采用有助于水利工程的設(shè)計方案準確呈現(xiàn)在虛擬結(jié)構(gòu)的模型空間中，進而提供了水利工程建模設(shè)計的科學(xué)完善思路。近些年以來，各地水利工程項目規(guī)劃建設(shè)總體規(guī)模正在趨于擴大，客觀上展現(xiàn)了建設(shè)水利工程開展實施中的數(shù)字孿生技術(shù)良好運用價值。

1 數(shù)字孿生水利工程的內(nèi)涵

數(shù)字孿生的技術(shù)本質(zhì)在于構(gòu)建仿真空間環(huán)境中的映射模式，進而對于特定的操作流程、物理實體或者系統(tǒng)設(shè)計方案進行全面的模擬再現(xiàn)，據(jù)此實現(xiàn)了準確反映上述實體與系統(tǒng)整個生命周期特征的目標。因此從根本上來講，數(shù)字孿生構(gòu)成了仿真建模技術(shù)中的重要組成部分，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建設(shè)計方案主要依靠于智能傳感器、物理結(jié)構(gòu)模型或者工程運行的資料數(shù)據(jù)，融合了多個尺度、多個學(xué)科與多個概率的仿真建模元素[1]。在當前時期的虛擬建模技術(shù)轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢下，對于數(shù)字孿生的信息化技術(shù)應(yīng)當看做自動映射的信息集成系統(tǒng)，其中容納了多個層面的系統(tǒng)構(gòu)成元素以及系統(tǒng)設(shè)備裝置。

具體在涉及到水利工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)實踐運用而言，關(guān)鍵就是要構(gòu)建信息化的模型構(gòu)建平臺，通過采取模擬映射的技術(shù)實現(xiàn)思路來全面模仿特定的實體事物結(jié)構(gòu)[2]。在數(shù)字孿生的技術(shù)平臺支撐下，技術(shù)人員應(yīng)當能夠以智能化及自動化的實體組件運行控制，據(jù)此實現(xiàn)監(jiān)控實體系統(tǒng)與設(shè)備運行的目標，確保對于工程系統(tǒng)的各項設(shè)備使用性能給予常規(guī)性的管理與維護。工程系統(tǒng)的設(shè)計模型方案應(yīng)當能夠在數(shù)字孿生的技術(shù)支撐基礎(chǔ)上獲得必要的修正，旨在合理創(chuàng)新與改進工程實體結(jié)構(gòu)的運行控制設(shè)計方案，促進水利工程的運維管理綜合實踐效益實現(xiàn)優(yōu)化提高。水利工程現(xiàn)有的管理運維總體設(shè)計方案較為復(fù)雜，因此必須要合理采用數(shù)字孿生的工程建模輔助技術(shù)，構(gòu)建全方位的流域防洪、水資源調(diào)配以及工程安全運維等方案支撐。

2 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的架構(gòu)設(shè)計

2.1 流域防洪系統(tǒng)

參與流域防洪的工程系統(tǒng)是水利工程的核心，各主要流域如果缺少了水利工程防洪智能化的管理系統(tǒng)作為保障，那么流域出現(xiàn)大規(guī)模洪災(zāi)的安全風(fēng)險等級就會顯著增加[3]。具體針對于流域防洪的智能化管理系統(tǒng)模型在進行設(shè)計完善的實踐中，現(xiàn)階段的技術(shù)思路就要集中體現(xiàn)在準確預(yù)測流域洪災(zāi)產(chǎn)生的風(fēng)險，據(jù)此達到了準確防控流域洪災(zāi)的設(shè)計目標。大型水利工程基礎(chǔ)設(shè)施的流域防洪自動監(jiān)測系統(tǒng)必須要實現(xiàn)全方位的信息準確采集，避免預(yù)測流域洪災(zāi)的數(shù)據(jù)信息存在錯誤。

2.2 水源調(diào)配系統(tǒng)

流域水資源只有通過水利工程實現(xiàn)最優(yōu)化的利用分配，水資源調(diào)配與監(jiān)督管理的良好綜合效益才會充分的體現(xiàn)。具體針對于水資源的智能化調(diào)配管理模型在進行了完善設(shè)計的前提下，關(guān)鍵就是要結(jié)合水利基礎(chǔ)設(shè)施的運行與使用狀況，進而做到了靈活拓寬調(diào)配水資源的區(qū)域覆蓋規(guī)模。流域水資源的優(yōu)化配置科學(xué)設(shè)計方案應(yīng)當全面考慮到多個層面的流域資源分配差異因素，結(jié)合實踐來進行現(xiàn)有管理系統(tǒng)的使用功能拓展[4]。

2.3 模型構(gòu)建系統(tǒng)

近些年以來，采取智能化的水利工程虛擬模型構(gòu)建設(shè)計方案已經(jīng)成為了調(diào)配水資源的最佳實踐方案。水利工程的建模設(shè)計與實現(xiàn)思路必須要促進實現(xiàn)更大力度的完善優(yōu)化，旨在構(gòu)建立體化以及動態(tài)化的水源分配調(diào)度模型。水利工程的管理監(jiān)督部門對于全過程的工程運維模型應(yīng)當進行更加完善的設(shè)計，緊密結(jié)合水利工程項目建設(shè)中的流域資源調(diào)配、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入處理、業(yè)務(wù)實踐領(lǐng)域的擴展等各項實踐任務(wù)，才能促進現(xiàn)有工程模型的功能實現(xiàn)完善與更新。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在大體積的水利工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，水閘設(shè)備屬于非常關(guān)鍵的工程基礎(chǔ)設(shè)備。工程管理人員在自動控制水閘設(shè)備的前提下，對于水閘運行狀態(tài)應(yīng)當能夠準確把握。自動化的視頻監(jiān)控終端能夠采集清晰完整的視頻監(jiān)控圖像，實現(xiàn)水利工程在視頻監(jiān)控模式下的無人值守實踐技術(shù)優(yōu)勢[5]。現(xiàn)階段自動化的水利工程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)計方案正在日益趨向于實現(xiàn)整改優(yōu)化，從而保證了水利工程的數(shù)據(jù)信息能夠得到更加完整的反饋。工程決策人員能夠判斷得到水利工程的現(xiàn)有安全隱患，合理糾正存在誤差的水利工程運維管理決策方案。對于自動化的水利工程而言，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在全面采集實時性的水閘水位狀況以及水情預(yù)警等數(shù)據(jù)，并且通過連接水利工程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心來實現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋監(jiān)督。

圖1 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的總體框架設(shè)計

水閘自動化監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)備主要應(yīng)當包含泄洪道與供水閘門的現(xiàn)場監(jiān)控管理，確保實現(xiàn)全方位的水閘信息數(shù)據(jù)采集，并且還要將目前采集的數(shù)據(jù)進行完整的上傳。系統(tǒng)值班值守人員對于水閘應(yīng)當進行自動化的開啟與關(guān)閉功能調(diào)整，據(jù)此達到了節(jié)約水利工程人工成本的良好效果，促進了水閘自動化控制的良好使用效能得到最大程度的發(fā)揮。水閘基礎(chǔ)設(shè)施在水利工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中占有顯著地位，水閘自動化控制管理設(shè)備亟待得到必要的優(yōu)化完善。通過采取視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要表現(xiàn)形式，應(yīng)當能夠準確反映出水利工程水閘設(shè)備在不同時段的使用狀況，進而有助于水閘基礎(chǔ)設(shè)備的良好綜合使用效益得到最大程度的展現(xiàn)。

3 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的技術(shù)運用難點

3.1 模型平臺的設(shè)計與運行

現(xiàn)階段的水利工程虛擬結(jié)構(gòu)模型主要建立于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)、人工智能控制、物聯(lián)網(wǎng)等核心技術(shù)手段的保障支撐下，從而實現(xiàn)了虛擬模型平臺的優(yōu)化設(shè)計以及自動運行控制監(jiān)測目標。具體在涉及到數(shù)字孿生的工程虛擬化建模方案完善實踐中，工程建模的現(xiàn)有技術(shù)方案應(yīng)當集中體現(xiàn)在準確劃分虛擬結(jié)構(gòu)模型的各個不同層次，確保實現(xiàn)可視化的模型構(gòu)建場景展示[6]。水利工程的技術(shù)人員應(yīng)當構(gòu)建全方位與多層次的水利信息網(wǎng)，充分確保現(xiàn)有的水利信息網(wǎng)能夠完整容納多個不同流域與不同級別的水利項目基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)。應(yīng)當致力于工程信息資源網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有帶寬實現(xiàn)拓展，構(gòu)建立體結(jié)構(gòu)的水利云。水利工程現(xiàn)有的監(jiān)測站點都要促進實現(xiàn)全方位的改造優(yōu)化升級，確保對于各個關(guān)鍵性的水利監(jiān)測站配備齊全的無人船與無人機等監(jiān)測設(shè)備。

下表為水利工程建設(shè)中的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)模型框架：

表1 水利工程的數(shù)字孿生模型框架體系

圖2 模型構(gòu)建的框架圖

3.2 算法選擇以及數(shù)據(jù)資源獲取

水利工程所在流域的水質(zhì)狀況以及水流速度等因素都要得到客觀準確的反映，確保以上各項數(shù)據(jù)信息得到全面反映的重要保障基礎(chǔ)就是合理進行建模算法的選取。在目前的情況下，能夠進行水利工程的數(shù)字孿生模型運算設(shè)計方案存在多樣化的顯著發(fā)展特征，那么工程建模的技術(shù)人員應(yīng)當采取因地制宜的建模算法最佳選擇方案。應(yīng)當采取全過程的水利設(shè)施監(jiān)測方式，確保做到準確獲取實時性的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，避免存在數(shù)據(jù)資源的遺漏風(fēng)險。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信息資源的安全風(fēng)險

在當前時期的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢下，網(wǎng)絡(luò)信息資源普遍存在著程度較為顯著的信息安全隱患。因此，充分發(fā)揮數(shù)字孿生的建模技術(shù)最大化實踐作用，目前需要做到緊密結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息化模型的數(shù)據(jù)安全管理與維護。工程項目的運行安全監(jiān)督管理各項工作必須要體現(xiàn)出更大的總體實施力度，切實維護數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型安全性。對于直接關(guān)系到水利工程安全穩(wěn)定運行的信息數(shù)據(jù)資源應(yīng)當采取必要的加密訪問措施，從而做到了有效防范工程核心數(shù)據(jù)的丟失風(fēng)險產(chǎn)生，增強針對于水利工程現(xiàn)有各項信息數(shù)據(jù)的安全保障約束力度。

4 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的未來完善措施

首先是完善數(shù)字孿生的工程建模設(shè)計算法。數(shù)字孿生的工程建模算法目前表現(xiàn)為多樣化的基本發(fā)展傾向，水利工程現(xiàn)有的建模技術(shù)方法只有得到了合理科學(xué)的選擇和采用，工程立體化的空間結(jié)構(gòu)模型才能顯示出最佳的建模技術(shù)效果。在此前提下，工程設(shè)計人員必須要針對于數(shù)字孿生的模型算法進行合理的優(yōu)化選擇，避免表現(xiàn)為工程建模計算方法的實踐運用誤差[7]。構(gòu)建水利工程體系結(jié)構(gòu)的虛擬建模設(shè)計方案應(yīng)當采取明確清晰的框架結(jié)構(gòu)，重點應(yīng)當體現(xiàn)在水利基礎(chǔ)設(shè)施的安全運行保障力度提高。

其次是積極拓展水利工程的信息化模型覆蓋空間范圍。構(gòu)建水利工程現(xiàn)有的智能化與一體化結(jié)構(gòu)模型主要依靠于數(shù)字孿生的技術(shù)手段，從而決定了正確采取水利工程的結(jié)構(gòu)建模算法具有非常顯著的作用。水利工程現(xiàn)有的信息化模型應(yīng)當促進實現(xiàn)建模技術(shù)領(lǐng)域的擴大發(fā)展，確保水利工程能夠全面納入到虛擬建模的科學(xué)決策保障范圍。因此在自動化的水利工程建設(shè)以及工程管理實施情況下，現(xiàn)階段的關(guān)鍵完善思路就要體現(xiàn)在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享保障體系，通過實施一體化的水利工程信息共享網(wǎng)絡(luò)建設(shè)舉措來提升水利工程的安全運維管理成效性。水利工程設(shè)備目前存在的重大安全缺陷應(yīng)當?shù)玫脚挪榕c解決，避免水利工程的管理運維人員存在忽視的心理態(tài)度。

第三是嚴格確保一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)安全。現(xiàn)階段的水利工程智能化控制模型必須要依靠于一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采取一體化的網(wǎng)絡(luò)資源維護與更新模式來保障水利工程的現(xiàn)有信息資源完整性。從總體角度來講，一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源共享機制具有降低水利工程成本以及優(yōu)化配置工程資源的良好實施效果，有助于水利工程設(shè)備的安全風(fēng)險得到全面的排查整改。網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)的實踐措施應(yīng)當貫穿融入在現(xiàn)代化的水利工程管理實踐工作，旨在保證水利工程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息完整性，避免威脅到水利工程的穩(wěn)定運行。水利工程的自動化與智能化數(shù)據(jù)信息共享保障機制應(yīng)當?shù)玫奖M快的建立完善，通過采取一體化的水利工程網(wǎng)絡(luò)資源共享平臺來支撐水利工程的效益提高。

5 結(jié)束語

經(jīng)過分析可見，數(shù)字孿生技術(shù)手段的正確采用將會顯著促進當前時期的水利工程綜合使用效能發(fā)揮，同時促進了水利工程的實踐資源得到科學(xué)的優(yōu)化分配利用。現(xiàn)階段的水利工程建設(shè)以及運維管理設(shè)計思路正在逐步獲得更新完善，水利工程的運維設(shè)計成本應(yīng)當?shù)玫礁屿`活的節(jié)約控制，采取數(shù)字孿生的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實施方案來支撐水利工程的安全等級提升。具體在水利工程的數(shù)字孿生技術(shù)實踐運用中，完善思路應(yīng)當集中于建模算法的選擇與適用，并且還要關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)虛擬化模型的數(shù)據(jù)安全，切實防范水利工程的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)遭受到安全隱患威脅。