浅谈数字孪生技术在水利工程运行管理中的现状分析与前景展望

彭金波

广州市水生态建设中心 广东 广州 510403

随着物联网、大数据、5G等新技术的不断发展，无人机、GPS、GIS等软硬件技术应用的逐步完善，我国水利工程的运行管理水平取得了显著的提升。数字孪生技术作为现实世界和虚拟世界实时交互的管理模式，能够极大地提升数字化技术的应用效率和质量。通过高速发展的建模仿真、人工智能和虚拟现实技术，建立虚拟实体的数字孪生技术，实现实体的数字化控制和优化，为水利工程运行管理数字化转型提供了切实可行的途径。

1 数字孪生技术

网络技术、信息技术的深入发展，云计算、虚拟仿真等高新技术的相继涌现，使得各行业的数字化转型正在发生深刻的变革。2003年，美国密歇根大学迈克尔教授首次提出数字孪生技术的概念，就是用虚拟的方式来表示实物产品[1]。直到2012年，美国宇航局对数字孪生技术进行详细的界定，即利用相关数据，结合仿真过程将虚拟空间的信息映射到实体世界当中。数字孪生技术涉及的学科范围很广，包含了物理模型、运行历史等特定的数据，可以真实地反映出设备的生命周期。数字孪生技术核心是将各种传感器安装到物理实体上，收集在物理实体的工作信息，然后将现实世界中的相关数据转换为虚拟数据，这样就可以将现实世界和虚拟世界进行镜像连接。通过建立包含物体形状、属性和轨迹的信息处理模型，可以实现对实体的状态进行评估和预测，提高对实体的精确管理和智能维护。数字孪生技术作为新兴的系统建模与虚拟仿真技术，包含大数据技术、云计算技术、人工智能技术等多种新兴数字技术，可以为用户提供强大的数据采集存储能力、分析计算能力、逻辑推演能力，利用数字技术建立虚拟实体，从而了解、分析、预测、优化物理实体的相关信息，辅助做出科学决策。

2 水利工程运行管理中的现状

2.1 综合功能发挥不足

随着时代的发展进步，水利工程作为承载国民经济和社会发展的基础设施，不仅要满足人类生产生活对水资源的需求保障，还要兼顾到水安全提升、水环境治理、水生态保护、水文化弘扬乃至水经济发展的方方面面[2]。水利工程的运行管理水平在某种程度上影响其功能效益的实现，而传统的运行管理模式目标不明确，往往只侧重于某一方面的功能，从而制约其综合功能的有效发挥、水利资源的最优配置。

2.2 管理制度设置不优

在现行水利工程管理机制中，部分重要的水利工程由水利部门组建专业队伍负责运行管理，部分按职责划归相关职能部门负责，还有部分按属地管理原则由街道或乡镇负责管理，多头管理容易引起职能交叉与管理真空的问题同时存在，而且队伍不专业、标准不统一、制度不健全，导致管理粗放、效率低下、效果不佳，使得该问题长期困扰着水利工程运行管理能力的现代化进程。

2.3 基础数据共享不畅

水利工程运行管理综合效益的发挥需要融合全方位、多层次的基础数据，近年来，随着水利信息化建设的推进，某些业务领域已经逐步建立了一些相对独立的信息系统，但其统筹建设与资源共享力度仍然不足，存在着基础数据不集中或者集中而不共享的问题，各业务平台之间的协同联动机制不顺畅，未能形成基础数据的高效整合与共享，不利于精准分析、科学决策。

2.4 信息化建设水平不高

水利工程运行管理对象涉及内容十分庞杂，包括水闸、泵站、堤防、水库、引水工程、灌溉工程、供水工程等等，不同类型工程的运行特点和管理需求各不相同，这就决定了水利工程的运行管理具有系统性，是一项综合决策[3]。当前，由于水利管理决策需要的相关要素信息采集能力不足，相应基础设施体系不够完善，大部分水利工程仍然采用传统的运行管理手段，以分散式的人力管理为主，在信息化建设方面还比较落后，导致整体运行管理效率低下、科学决策水平不足，与新时代推进水利高质量发展的需求不相适应。

3 水利工程数字孪生技术系统建设

3.1 建设目的

数字孪生技术在水利工程中的应用，可以实现对整个水利工程的生命周期管理，包括物理实体控制、调度过程管理等。可以把不同的水利工程构成不同的数字模型，把各个层面的物理实体有效区域分割开来，突出重点区域，能够对不同工程部件进行精确化的分析和控制，延长使用寿命。与传统的管理方式相比，利用数字孪生技术可以显著提高水利工程的管理水平。

根据水利工程的实际情况，结合数字孪生技术的技术优势，水利工程数字孪生技术系统的建设目标包括以下几个方面：一是实现全要素、全流程管理，即利用物联网等相关技术实现对于水利工程中所包含的人、机、物等关键要素的数字化映射，通过预先制定的统一标准将各个要素进行模块化构建，并将这些信息发布在可共享的、统一的平台上[4]。通过收集各个水利设施的运行情况，对整个水利工程的运行状况进行数字化映射，从而实现对整个水利工程的运行状况进行全方位的、实时的监控，为整个水利工程的评价和优化工作打下了坚实的基础。在这个过程中所有的基础资料都是由不同的对象组成，将这些资料进行归集，并根据统一的数据标准进行整合，可以有效地解决基础数据不畅等问题，实现信息共享的全方位、全过程、全要素管理这一终极目标，也是提高水利信息化服务有效性与可靠性的关键所在。二是实现虚实相融，在水利工程实际运行中实际的状态是“实”，而采用数字孪生技术建立的是“虚”。水利工程自身所包含的水利设施很多，存在着大量的实物实体，因而很难对其进行全面的管理[5]。利用数字孪生技术，可以达到“以虚控实”的目的，也就是利用控制信息处理模型，对水利工程中的各个实体进行控制。把水利工程运行管理中的实体映射到信息空间的处理模式中建立交互关系，可有效解决水利工程运行管理中存在的综合功能兼顾不足的问题，进而改进系统的处理能力。

3.2 实施模式

水利工程数字孪生技术系统主要分四个层次进行建设。第一，要从系统功能的视角出发，对各个部门所涉及的业务进行功能设计，并将其与数字孪生技术的特定功能对应起来。第二，要从多个角度描述和建立运行管理要素，并运用计算机技术进行精确的建模，以不断增强虚拟模型映射实体的能力。第三，要对各模型的关系进行分析，并建立系统流程图等方法，使各模型间的联系更加清晰，实现全要素、全过程的管理与控制。第四，实现数字孪生技术系统的生命周期的闭环管理，为水利工程的运行管理提供依据。

4 数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用

4.1 完善流域江河湖泊和水工程监控体系

一是完善江河湖泊感知体系建设。水文水资源信息是实现流域数字地图的基础资料，主要内容包括水量、水位、流量、水质、泥沙、降雨量等方面的信息。要优化行政区边界、取退水口、地下水、生态用水等监测站点网络，做到全要素的实时在线监测，提高信息获取和感知能力；要把空间分辨率、航空遥感技术与陆地水文监测技术相结合，推动“空天地”流域洪水综合监控系统的建设，使其覆盖范围、密度和精度得到进一步提升；对山洪灾害监测站网进行优化，把雷达列入常规降雨监测范围；保证监控断面全部纳入监控范围，在有必要进行视频监控的地方安装监控设备；要进一步提高水资源的采集和利用，必须弄清水资源的取、用、输、排等各方面的基本情况[6]。二是要健全水利设施的认知机制。水利信息是流域数字地图中的一个重要组成部分，包括水电站、泵站、水闸、堤防、灌区、蓄洪区等。利用视频、监测、BIM等技术，对流域水利工程进行了全面的数据采集与管理；加强对水利工程建筑物和机电设备运行状态的实时监控。对于新建、改扩建、除险加固水利工程，要在前期和设计阶段，加大自动化监测设备和智能管理系统的设计，为以后的数据采集奠定良好的基础。

4.2 加强新技术应用提升监测技术水平

一是强化智慧感知3S技术的运用，利用卫星和雷达等遥感技术对大范围流域进行动态监控和预警。采用智能的视频监控系统，利用智能的图像分析，实现自动识别、智能监视和自动报警。根据不同监测的需要，合理使用无人机、无人船、机器人等设备进行深入监测。基于网络的传输需求，推动新的技术如5G、物联网等的应用。二是优化监控设备的创新应用，加强对“一杆通”等新型监测设备的试点和推广，促进监管机构的改革和创新。

4.3 构建天空地一体化水利感知网

根据流域管理的有关职能以及水利工程运行管理新需要，在新的信息技术下采用“控制点+定位轴网”模型，并根据该模型进行建模。利用高分辨率的卫星图像，对各主要河段的水系进行了提取和合成，并对各河段的水质参数进行了反演，实现了一幅地图的综合显示，全面有效地掌握了各河段的水质状况，并将其定位在了重点污染河段。利用无人机采集到的监控视频、空中全景图等资料，结合历史数据和深度学习，对河湖“五清”工作进行全面、有效的技术支持。利用物联网，有效整合和集中管理前端感知设备，实现对涉水要素的实时监控，主要包括：水户监控设备、河道流量监控站、雨量监控站、水质监控站、水利工程建管视频监控等，为水雨情、水利工程运行，河流湖泊水质提供长期动态监控手段。

4.4 打造水利工程的数字孪生体

利用BIM+GIS和数字孪生技术，在重要的水库、堤坝、蓄滞洪区、水闸、泵站等建设水利工程实时监测系统。通过精确地绘制关键数据，进行三维场景的虚拟仿真，以及利用无人机倾斜拍摄等技术，可以使数字孪生技术系统更加真实，从而构建高效的水利工程数字孪生技术系统。

5 数字孪生技术在水利工程运行管理中的前景展望

5.1 实现全生命周期管理

水利工程是一种具有明显物理特性的物理实体，它可以通过数字孪生技术来进行水利工程的运营和管理。利用数字孪生技术将水利工程中的人、环境、信息等要素进行虚拟映射，利用实时信息传输技术，实现对水利工程的全生命周期管理，真实、客观地反映水利工程的实际运行状况，实现对水利工程中所包含的闸门、机电设备以及通信设备等设施设备的监控和管理。通过建立相应的数据库，将传感器和维修历史数据进行整合，利用数据挖掘和机器学习等技术，对这些数据进行分析和预测，有效地防止设备的失效，延长系统的使用寿命。同时，通过对数字孪生技术的建模进行预测，可以为设备的维修养护工作提供基础，使整个系统能够有计划、有重点地进行。

5.2 实现自动化信息管理

新时期对水利工程的运行管理水平提出了更高的要求，为了保证水利工程运行的稳定性、可靠性，也为了确保水资源的可持续利用，我国正不断推进水利工程运行管理的数字化、智能化发展。利用数字孪生技术可以对各种数据进行有序地收集、归类，并根据统一地规范进行精确的管理，方便对数据进行归档、整理，为以后的数据分析和共享提供基础资料。同时，统一的数据标准与格式可以有效地解决信息不一致、标识不一致等问题，提高了数据利用的效率。从当前水利工程的运营与管理状况来看，信息处理过程太过单一，仅停留在一个单一设备或系统，其综合性、系统性、精确度和有效性都还不足。在此基础上，利用数字孪生技术建立的管理平台，可以对整个运行流程进行规划和设计，实现自动化的信息管理，为决策者提供有效的决策支持。

5.3 构建数字化模型体系

将数字孪生技术运用到水利工程的运行管理中，可以更好地了解和掌握水利设施的实际状况，有关部门可进一步探讨推动建设水利工程的数字孪生技术系统，进而提升水利系统的运行管理水平。数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用优势显著，比如针对水闸开关状态、气象水情、结构应力、水质监测、洪涝风险分析、应急调度管理等信息进行实时监督，全面反映实际工程状态。根据工程设计参数，如水工建筑物设计图、闸泵站的结构设计图，运用经典的水文、水利、水质分析理论，再加上地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技术，可以借助计算机辅助建立相应的虚拟模型，从而对物理实体的动态变化进行更加精准的判断，并且做出科学的决策。

6 结语

水利工程作为国民经济发展的基础设施，其安全、稳定、高效的运行事关重大，客观需求提升与管理水平不足之间的矛盾日益凸显，新技术催生了新思路，应用数字孪生技术构建运行管理体系，全过程监管水利工程运行，从而为统一调度、管理决策提供支持，就是一种有效的解决途径。大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术的不断涌现的今天，数字孪生技术将会是推动新时期水利高质量发展的实施路径和最重要标志之一。通过对目前水利工程运行管理状况及数字孪生技术系统应用进行较为详细的研究和探讨，以期为提升水利决策管理的科学化、精准化、高效化能力和水平提供支撑，推动水利系统运行管理向着数字化、信息化、智能化方向发展。