數字孿生水閘工程業務應用探究

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：丁瑤（1989—），女，天津人，工程師，主要從事水利信息化咨詢工作。

摘 要：數字孿生技術為水閘工程建設打開新局面，對數字孿生流域建設具有重大意義。闡述了數字孿生水閘工程建設的必要性與業務需求，梳理了數字孿生水閘工程體系總體框架，并介紹了數字孿生水閘工程業務的應用場景。

關鍵詞：數字孿生；水閘工程；防洪調度

中圖分類號：TV675 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

國家“十四五”規劃綱要明確要求，構建智慧水利體系，以流域為單元提高水情測報和智能調度能力[1]。數字孿生水利是面向新階段水利高質量發展需求，為水利決策管理提供前瞻性、科學性、精準性、安全性支持，實現水利業務與現代信息技術融合發展的智慧水利實施措施[2]。數字孿生流域建設是建設智慧水利體系實現“預報、預警、預演、預演”的業務核心和關鍵，而數字孿生水閘工程建設是數字孿生流域建設的基本單元，數字孿生流域正處于起步階段，數字孿生水閘工程作為數字孿生流域的一部分，明確數字孿生水閘業務需求，梳理數字孿生水閘工程建設框架，加快利用大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術，提高水閘工程的智慧化水平，在促進業務協同、創新工作模式、提升服務效能方面不斷取得突破。因此，數字孿生水閘工程對數字孿生流域建設及智慧水利體系建設意義重大。

1 數字孿生水閘工程業務的需求分析

1.1 水旱災害防御調度需求

水旱災害防御調度需要對水閘工程的氣象、水雨情、工情監控信息進行查詢、綜合分析決策，與上下級單位進行綜合會商并下達調度指令、調度情況反饋等。通過數字孿生水閘工程建設，能夠滿足基于數字化場景展示洪水演進過程、水閘調度過程等，實現人機互動的同步仿真預演，輔助支撐防洪調度、水資源調度等業務工作，不斷提升綜合效益，為水閘工程聯合調度管理提供智能化、科學化技術支持。

1.2 工程運行管理需求

水閘工程安全運行管理工作極為重要，但當前還有較多的水閘工程尚未建設工程安全監測、運行管理以紙質表格記錄為主，效率較低，亟需針對水閘工程運行管理薄弱環節，開展數字孿生水閘工程建設，加強工程安全預警分析、巡視巡查、維修養護等功能應用，實現水閘工程運行管理智能化應用。

2 總體框架設計

數字孿生水閘工程建設遵循智慧水利、數字孿生水利工程建設總體框架，主要包括實體工程、信息基礎設施、數字孿生平臺、業務應用、網絡安全體系、保障環境（圖1）[3]。

2.1 實體工程

實體工程包括水閘工程、堤防、河口等實體工程及其保護范圍。

2.2 信息基礎設施

信息基礎設施主要包括監測感知體系、通信網絡、自動化控制系統、信息保障環境。其中，監測感知體系包含水文監測信息、工程安全監測信息等；通信網絡按功能分為業務網、工控網等不同網絡，而業務網分為信息管理區和互聯網服務區，工控網分為實時控制區和過程監控區；自動化控制系統包含對工程閘門、泵站、船閘、發電機組等進行自動化控制，可通過數據外發、傳感器檢測、視覺識別等方式實時監測被控制設備運轉狀態；信息保障環境包含機房環境、計算存儲資源及會商調度中心建設。

2.3 數字孿生平臺

數字孿生平臺包括數據底板、模型平臺、知識平臺及孿生引擎。通過數據底板搭建水閘工程及其管理范圍內的數字高程模型、正射影像圖、傾斜攝影、水下地形及BIM模型；利用數據引擎匯聚各類信息，完成數據的匯集、歸類、清洗和治理，集成基礎數據、監測數據、業務數據及其他數據，在數據資源基礎上為數字化場景建設和模型平臺、知識平臺調用數據提供接口服務；模型平臺建設支撐水閘安全管理、調度等業務應用的水利專業模型，搭載智能識別模型通過模型模擬仿真引擎進行標準化、通用化處理，將模型計算應用融入數字孿生場景；知識平臺通過知識引擎融入水利對象關聯關系、工程安全知識庫、業務規則等水利知識，實現水利知識共享和迭代更新。

2.4 業務應用

數字孿生水閘業務應用以實體水閘工程業務需求為基礎，以數字孿生平臺為支撐融合感知、數據、計算、模型、智能等方面信息技術于一體，通過實時感知、精準預警、高效調度，全面提高水閘工程安全運行管理與調度決策水平。

2.5 網絡安全體系

網絡安全體系依據《水利網絡安全保護技術規范（SL/T 803—2020）》等標準規范進行建設，主要包括管理體系、安全技術體系、安全運營體系和監督檢查體系，用于加強數據安全保護，全面保障數字孿生水閘工程系統安全和數據安全。

2.6 保障環境

保障環境建設主要包括各項管理制度、運維保障及標準規范。

3 數字孿生水閘工程業務應用探究

數字孿生水閘工程業務應用以服務水閘工程安全運行管理與綜合調度為目標，通過搭建數字孿生水閘工程場景，以虛擬模型映射物理實體的方式，對水閘實體和業務現象進行模擬和預測，以物理水閘工程為單元、時空數據為底座、數學模型為核心、水利知識為驅動，對物理水閘工程全要素和安全運行全過程進行數字映射、智能模擬、前瞻預演，實現與實體水閘工程同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，為水閘工程綜合決策提供數據支撐。

3.1 數據底板

建設水閘工程的數字高程模型、正射影像圖、傾斜攝影、水下地形及BIM模型，同時集成基礎數據、監測數據、業務數據及其他數據，共同形成水閘工程的數據底板。

3.2 專業模型

根據水閘工程業務工作需求建設水閘工程業務模型，包括防洪調度模型與工程安全模型。

3.2.1 防洪調度模型

開發水利工程水閘防洪調度模型，為防洪形勢預判、水旱災害防御會商提供數據支撐。

洪水預報：根據洪水形成和運動規律，利用過去和實時水文氣象資料，預報未來一定時段的水閘上游及管理范圍洪水發展情況。

防洪調度：根據實時水雨工情及預見期內來水過程，模擬預測水閘工程在不同防洪調度方案下的調度過程。

3.2.2 工程安全模型

基于工程安全機理理論，開發工程安全模型，實現工程變形分析、滲流滲壓分析、應力應變分析，同時基于數理統計和數據挖掘等技術，實現數據驅動的安全監測數據異常識別、工程安全預測預警、工程安全狀態評估、機電設備故障診斷分析和預警預測。

數據監控：對各類采集的原始數據進行物理量轉換計算、測量評查、數據檢驗、數據補插、標準化處理等，為工程運行安全性態分析模型提供數據支撐。

安全運行分析：利用變形、滲流、應力、機電設備狀態統計模型等，分析工程運行狀態及運行過程中外部環境信息影響規律。

趨勢預測預報：利用歷史監測數據序列建立工程運行安全趨勢預測預報模型，實現工程變形、滲流等預測預報。

異常預警：利用工程運行安全趨勢預測預報結果，與工程運行安全警戒值擬定模型的閾值和實時監測數據進行差異分析，依據一定預警規則，提出單測點超限值和多測點超限域分級預警。

3.3 水利知識

根據水閘工程特點，水利知識主要構建工程安全規則和調度規則兩部分內容，為業務應用提供知識支撐。

3.3.1 工程安全規則

構建包括工程調度運用規程、機電設備運行操作規程、工程安全監測資料整編規程、工程安全現場檢查、工程安全應急預案在內的工程安全規則，并結合實際情況不斷更新。

3.3.2 調度規則

基于知識圖譜技術，解析水閘工程的啟用條件、來水情況、控制需求、運行方式等內在邏輯關系，制定運行調度規則，并結合實際情況不斷更新。

3.4 業務應用

數字孿生水閘工程以防洪聯合調度、工程運行管理、綜合決策支持為重點功能，同時兼顧數字博物館與移動應用，業務應用基于數字孿生場景，以專業模型與水利知識服務為支撐，通過數據底板融合和挖掘分析各類數據資源，全面掌握水閘工程綜合信息，建設形成邏輯嚴密、功能全面、界面友好、協同高效的綜合決策支持平臺，提供數字化、可視化、智能化的業務應用系統。

3.4.1 數字孿生場景

通過工程基礎數據、地形數據、傾斜攝影數據、BIM模型及可視化模型，建設水閘工程及其管理范圍的自然背景、流場動態、水閘工程及水閘工程機電設備可視化場景，提供水閘工程的數字化實時渲染和可視化呈現，用于精準化的工程安全運行管理與工程調度業務交互式數字孿生工作。

自然背景：數字化自然背景針對多源、多維、多時空分辨率、不同坐標系地理空間數據，采用數據融合技術對水閘管理區域范圍內的影像、地形、河流、道路、建筑、工程、模型模擬結果等對象進行三維可視化渲染。

流場動態：針對水閘工程管理范圍內的河道開展數字化流場動態建設，打造河流的動態流動仿真模擬，輔助由物理世界向數字虛擬世界的動態數字化映射。

水閘工程：針對水閘工程實體開展水閘工程BIM模型建設，通過水閘工程結構信息、傾斜攝影等進行模擬仿真，輔助構建虛擬化水閘工程可視化模擬場景。

水閘機電設備：針對水閘工程的閘門開閉、水閘設備運行態勢等要素信息進行仿真模擬，同時結合專業模型算法，對水雨情、水量、有功出力、變形、滲流、發電負荷等關鍵指標進行多維度綜合分析，對異常態勢進行實時預警告警，為水閘工程安全運行提供可視化支撐。

3.4.2 防洪聯合調度

以數字孿生水閘工程為底座，利用專業模型與知識服務，融合多源數據信息，實現氣象水文耦合及預報調度一體化的全面準確預報、及時精準預警、人機互動的同步仿真預演，同時，提供調度指令下達及調度執行情況反饋等功能，為水閘工程聯合調度管理決策提供智能化、科學化技術支持。

3.4.3 工程運行管理

以數字化場景、工程安全監測為依托，充分融合數字孿生水閘工程的數字映射和仿真模擬技術，重點聚焦汛期、強降雨等特殊時期，開發工程安全預警分析、巡視巡查、維修養護、運行管理等功能，滿足水閘工程安全穩定運行管理業務工作需求。

3.4.4 數字博物館

立足水閘文化，充分利用水閘工程文化資源，面向公眾用戶建設水閘工程數字博物館。基于水閘工程數字化場景，建設線上一站式水閘文化數字博物館，詮釋水閘工程的發展歷史，實現水閘水文化展示、數字保護、文化傳承的目標。

3.4.5 移動應用

開發移動應用用于提高監測效率和科學化管理水平，實現與PC端的全方位業務匯聚和應用連接，實現信息多端同步、多屏互動、協同辦公。

4 結束語

數字孿生水閘工程是數字孿生流域建設的重要組成部分，數字孿生水閘工程業務應用探究為數字孿生水閘工程建設提供了具體思路。按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提高能力”的要求，明確需求，堅持數字賦能，依托大數據、人工智能等信息技術，通過數字孿生水閘工程動態掌握流域工程全貌，實現精準定位、影響分析、形勢預判，更好支撐上下游、左右岸、干支流聯防聯控聯治。

參考文獻

[1] 李國英.建設數字孿生流域推動新階段水利高質量發展[N].學習時報，2022-06-29（001）.

[2] 蔡陽.數字孿生水利建設中應把握的重點和難點[J].水利信息化，2023（3）：1-7.

[3] 謝文君，李家歡，李鑫雨，等.《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》解析[J].水利信息化，2022（4）：6-12.