數字孿生技術在引洮供水工程中的應用

曹文杰，許 健

(甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

當前社會經濟穩定高速發展對水資源保障提出了更高的要求，水利事業需要從信息化向智慧化轉變[1]，而引調水工程作為水利行業的關鍵組成部分，對其智慧化建設的研究也備受關注。數字孿生技術作為解決“信息水利”向“智慧水利”跨越過程中科學決策問題的重要手段，是我國水利工程智慧化發展的重要動力[2]。該技術通過為物理實體構建數字虛體，運用其虛實交互、以虛控實等特點，推進物理場景與虛擬場景的融合[3]，解決傳統水利工程中信息不對稱、決策依賴經驗、管理方式繁雜等關鍵問題。因此，數字孿生技術能夠為新階段水利行業提供強力驅動和有力支撐。

對于數字孿生水利建設，諸多學者們進行了大量研究，劉國慶等人基于江蘇省河流水系特點和水利管理工作實際需求提出江蘇省數字水網建設思路[4]，王育杰等人基于三門峽水利樞紐情況提出數字孿生三門峽水利樞紐設計研究[5]，胡斯曼等人基于數字孿生技術城市水管理框架開發城市水管理應用[6]，黃喜峰等人面向山洪小流域“四預”的建設要求提出構建數字孿生山洪小流域數據底板的關鍵技術及方法[7]。以上都是針對水利建設提出與數字孿生相結合的方法，本文將根據引洮供水工程情況提出數字孿生引洮工程的建設方案。

引洮供水工程作為我國“人民治水，百年功績”治水工程項目之一，總供水人口超過600萬，是一項解決水資源短缺問題的跨區域調水工程。該工程從洮河流域向定西、會寧等地區調水，為這些極度缺水的地區的人民提供生活用水、工業供水、畜牧、農業灌溉用水以及生態環境用水，對于當地的經濟社會發展具有重大意義。本文探究數字孿生技術與傳統引洮供水工程結合，對引洮供水工程數字化建模和可視化分析，構建數據底板、知識庫、模型平臺等，最終建成數字孿生平臺，支持工程完成數字化模擬、智慧化運維和精準化決策功能，建設起具有工程安全檢測、決策可視化和“四預”功能的數字孿生智慧引洮工程。

1 引洮供水工程已有信息化基礎

在數字孿生建設中，物理實體的屬性數據是構建虛擬體的基礎。數據的采集、傳輸、處理需要完善的全域感知設施、通信網絡設施和智能計算設施，引洮供水工程在經過一期、二期的信息化建設后，已經建設完成了十二大系統的構建[8]，如圖1所示，并且在此基礎上建設全域監控監測、在一定程度上具備了建設數字孿生的基礎。

圖1 引洮供水工程信息化系統

1.1 全域感知設施

全域感知設施承載著數據采集的功能，在關鍵節點設置水位計、水質監測儀、壓力傳感器等設備，對供水過程中水資源的水位、流量、水質、壓力進行采集，完成引洮供水工程的水情監控、水質檢測。工程建設過程中采用統一的監控設備，在水庫、泵站、大壩、閘閥門、水源地監測等關鍵位置布設高清攝像頭，匯聚為統一的監測匯集平臺，完成工程安全監測、視頻圖像采集和閘、閥門監測。

1.2 通信網絡設施

網絡通信系統承載著數據傳輸的功能，為工程勘測，現場施工、后期運營提供數據感知和交互支持[9]。引洮供水工程在建設過程中根據實地情況，考慮到了安全性和穩定性，采用控制專網、業務內網和業務外網等多種融合通信方式[10]，在網絡安全的體系下構建了信息通信網絡平臺，通過該平臺實現監測數據、運行數據的傳輸以及工程建設單位以及管理單位之間的信息交互。

1.3 智能計算設施

智能計算設施服務于數據引擎，針對數據采集、挖掘、服務以及可視化模擬仿真引擎的數據資源管理平臺建設，是數據計算分析的硬件基礎。在此基礎上，構建虛擬仿真平臺，對引洮供水工程數據資源、水利數據資源、計算資源進行整合，提高資源利用率。建設完善的本地備份系統，根據業務建設異地備份，最大程度保障數據的安全性。

2 距離數字孿生要求的差距

對照水利部印發的《數字孿生流域建設技術大綱》，根據數字孿生工程模塊建設要求，在對于引洮供水工程數字孿生建設過程中[11]，數字孿具體應用場景在工程管網水系、隧洞、干支渠系等各類要素的動態和實時數字化，實現渠道物理流場水面、水位、流量一體化感知孿生等。雖然引洮供水工程信息化建設已經具備了一定的基礎，但仍需要進一步改進和完善，以適應數字孿生平臺的要求。具體來說，引洮供水工程信息化建設中以下需要改進。

(1)數據處理的效率和智能化程度不夠。數字孿生平臺需要處理大量數據，并需要進行實時分析和預測，對數據處理效率和智能化程度要求較高。引洮供水工程現有的數據處理系統難以滿足數字孿生平臺的要求。

(2)信息共享和協同工作機制有待完善。數字孿生平臺需要實現信息的共享和協同工作，要求不同部門和單位之間的信息交流和協作更加緊密，引洮供水工程現有的信息共享和協同工作機制還需要進一步完善和提升，。

(3)缺乏數字化場景的構建和優化。數字孿生平臺需要構建現實工程的各個數字化場景，并應用于物理世界，以適應不同的應用場景和需求。對照數字孿生工程建設要求，引洮供水工程的業務應用與可視化結合不高，需要加強數字化場景的構建和優化。

3 數字孿生建設方案

數字孿生引洮供水工程服務于項目的建設和運營期，配套引洮一期、二期的信息化建設，統籌考慮規范整體，從水務信息化、可視化、智慧化的整體視角、以引洮供水需求為主體，配套水利部的建設要求，建設穩定性、可靠性、準確性、實時性數字孿生系統。引洮供水工程數字孿生系統架構[12]如圖2所示。

圖2 系統架構

3.1 數據底板

數據底板的構建是引洮供水工程物理實體與虛擬體交互映射的基礎，數據底板包括引洮工程水庫、渠道、隧道、大壩、河流等相應對象的基礎數據、監測數據、業務管理數據以及共享數據[13]、涵蓋引洮供水工程的全過程和全周期。建設數據底板對已有數據資源體系進行梳理，梳理數據底板建設需求，計算對象標準定義節點編碼、節點編碼、節點名稱、節點類型等特有的特征值、參數曲線、模型參數對應的數據字段[14]，根據不同的數據類型采用不同級別的數據建設指標，對數據來源和生產感知檢測以及部門共享的數據進行分類。按照一數一源的接入標準將數據匯集在原始數據庫。原始數據按照行業標準進行處理，提高數據一致性、完整性。通過數據質檢、數據融合、數據美化后進行存儲，根據不同數據類型選擇不同存儲方式。以數據的安全性和規范性作為標準，建設數據底板，滿足數字孿生平臺的準確性和實時

3.2 孿生引擎

數字孿生引擎包括數據引擎、知識引擎、仿真模擬引擎[17]，滿足數據加載、模型計算、實時渲染以及大容量、低時延、高性能的要求。為引洮供水工程提供實時監測、預測分析和智能優化等功能。

(1)數據引擎。數據引擎的工作主要是對數據進行清洗、存儲、優化[15]，對引洮供水工程運行過程中采集到的水利數據和監控數據進行統一編碼，使數據格式化和規范化。

(2)知識引擎。知識引擎是幫助工程工作管理人員準確化決策的基礎，對知識資源進行整合、理解、分析、推理和存儲，使系統可以模擬人類的思維方式。知識引擎通過對知識資源的理解和推理來處理相關的數據。知識引擎的優越性決定著整個系統的智能化和精準化的水平。

(3)仿真模擬引擎。仿真模擬引擎建設引洮供水工程的虛擬化場景，為數據底板提供數據加載、場景管理、仿真建模、空間分析、仿真計算、三維渲染、特效處理、模型輕量化等服務能力[15]，實現從水源到目標的全流程模擬。提供模型版本管理、參數配置、組合裝配、加載調用、計算跟蹤、訓練優化、模型迭代等服務能力[13]，實現面向不同業務、不同場景、不同目標模型靈活配置和調用。

3.3 模型平臺

引洮供水工程模型平臺中包括水利專業模型、智能識別模型、可視化模型[16]。

(1)水利專業模型。數字孿生引洮供水工程建設需要的水利專業模型包括水資源調度模型、水資源配置模型、工程安全檢測預警模型等專業水力模型，滿足水資源“四預”的業務應用體系和應急調度的要求，保障引洮供水工程安全運行。

(2)智能識別模型。智能識別模型主要依托視頻監測體系，利用已有的視頻監測，應用機器學習等方法補充AI智能識別，遙感識別、人臉識別和音頻識別等功能。對設施運行、安全隱患、水環境和閘門調度進行監測。

(3)可視化模型。可視化模型可分為靜態可視化模型、動態可視化模型和AR仿真模型。依托數據底板中地理空間數據、監測數據和水利專業模型，集成BIM模型，利用圖表、地圖、圖形和動畫、視頻、虛擬現實等方式[11]，對引洮供水工程的數據進行靜態展示和分析以及供水工程全段動態的的仿真模擬和演示。

3.4 知識庫

知識庫在共享水利部等水利相關的知識庫的基礎上，包括工程安全知識庫、業務規則庫和工程預報調度方案庫[18]。

(1)工程安全知識庫。工程安全知識庫對引洮供水工程施工隱患、安全防范、隱患事故案例、事件處置案例、工程專項檢查、專家經驗、相關規范標準、技術標準等工程安全知識匯聚存儲。涵蓋安全標準、規范、法規等基礎知識以及工程安全檢測、評估、監測、預警等方法和技術知識，保障工程安全可靠的進展維護。

(2)業務規則庫。業務規則庫包括引洮供水工程施工規范、機械操作規范、供水安全監測規程、工程安全檢測、工程安全檢測規程，涵蓋施工、運行、維護全規程，并不斷進行更新迭代。

(3)工程預報調度方案庫。工程預報調度方案庫包含對引洮供水工程的風險評估、預警指標、閾值和響應措施，包括工程安全預案、工程調度預案、緊急供水預案等預報調度預案，隨著工程的進行，方案庫不斷的修正更改。

4 數字孿生關鍵技術

4.1 數據采集技術

對于數字孿生引洮供水工程來講，大量的實時數據是非常重要的，可以迅速準確建立模型并進行實時監測。因此，數據采集技術尤為重要。各種物理實體的物理量、環境參數和設備狀態可以通過傳感、定位、遙感、監督技術形成空天地一體化監測手段來收集傳輸，傳輸到數字孿生系統進行分析和建模。

4.2 仿真建模技術

數字孿生的核心是建立物理實體的虛擬映射。仿真與建模技術用于描述實體的物理特性、行為規律和交互關系。它可以基于物理原理、數學模型和統計算法，構建精確的模型，以實現對實體的仿真、預測和優化。

4.3 大數據分析與機器學習

引洮供水工程建設和運行期間會差生巨量的數據，大數據分析和機器學習技術會為數字孿生平臺提供處理復雜數據的能力，從數據中學習和推斷出系統的行為和性能，從而發現模式、提取特征和優化決策。

4.4 邊緣計算與云計算

大量實時的數據是數字孿生的基礎，對這些數據的復雜的計算和模擬需要高性能的計算資源。邊緣計算和云計算技術提供了高性能的計算資源和存儲能力，使得數字孿生系統可以在本地邊緣設備或云平臺上進行大規模的計算和分析。

4.5 可視化與交互技術

數字孿生引洮供水工程數據經過處理的結果需要以直觀、清晰的方式展現給工程人員和管理者。可視化技術在此發揮了關鍵作用，它可以將數字模型、仿真結果和原始數據轉化為直觀的圖形或圖像，并允許用戶通過交互的方式進行深入的分析。這種呈現方式能夠幫助用戶更好地理解工程的運行狀態和各項參數的變化趨勢，以可視化的方式展現給工作人員，可以更好地理解和決策。

4.6 數據安全技術

數字孿生引洮供水工程中收集處理的數據存在重要的不可擴散的水利數據，安全性和準確性是至關重要的，需要保證數據不被擴散以及被隨意修改，因此數據加密、身份核驗、權限控制、網絡安全等安全技術尤為重要，可以保護數字孿生系統的數據和模型免受未經授權的訪問和濫用。

5 數字孿生業務應用

業務應用是管理人員與數字孿生引洮供水工程的人機交互層，根據引洮供水工程的業務需求提供面向管理人員的各種業務應用。數字孿生引洮供水工程的業務應用包括工程安全監測系統、決策可視化系統、水資源“四預”系統。

5.1 工程安全監測系統

工程管理監測系統是對工程建設和運行期間的安全問題檢測、評估、預警，匹配工程安全數據庫，對引洮供水工程主體建設的大壩、閘門、隧道、水庫的等設施的變形、滲流、應力應變持續監測，對安全風險提前預報，隱患事故提前處置。

5.2 決策可視化系統

決策可視化系統是利用測繪結果、地理信息數據、感知數據和虛擬現實技術對引洮供水工程現實場景的數字場景展示，通過圖層管理、地圖標繪、圖片輸出、圖表展示等常見的手段對引洮供水工程的模型計算結果和工程安全各項關鍵指標進行可視化輸出，便于管理人員迅速了解情況，找到工程安全、水資源調度中的安全隱患，為方案評估。

5.3 水資源“四預”系統

在數字孿生仿真平臺的基礎上，使用渠系退水水動力模型及仿真模擬模型模型，為供水過程中的仿真模擬提供細化、量化、動態、直觀的計算分析[16]，實現引洮供水水資源“四預”功能。水資源“四預”系統主要包括水資源預測預報、水資源預警、水資源預演、水資源預案和水資源監督管理等模塊[15]。

6 結語

引洮供水工程作為甘肅省重大水利項目，供水受益人口超過600萬、灌溉面積近50萬hm2，為甘肅六分之一人口解決飲水困難問題。數字孿生引洮供水工程的建設運行的過程中，圍繞著工程的業務應用需求，通過構建數字孿生全域感知體系，數據底板、知識平臺、運行中樞、孿生體系實現工程的全域全周期管控。全方位輔助工程施工、調水、工程運行，建立“四預”體系。降低分配水設施耗能60%以上，水資源利用率提高20%以上，降低管理成本40%以上[19]，解決管理點眾多、運行管理工程量大難度高等問題，更好的解決了甘肅的用水供水問題。

數字孿生引洮供水工程建設是甘肅省智慧水利建設的重要一環，是貫徹落實水利信息化智慧化發展的重要舉措。目前數字孿生引洮供水工程建成后需要與上層部門充分對接，共享數據，提高安全性。同時對于數字孿生建設中的數字底板、水利知識平臺、數字孿生引擎的建設仍需繼續完善，補充模型庫、完善知識平臺，提高數據處理、數據服務的能力，數字孿生水利建設在未來的水利發展中一定會發揮出更大的作用。