数字孪生在水利水电信息化上的应用研究

张靖翼，王美慧

（1.山东省调水工程运行维护中心昌邑管理站，山东 潍坊 261000；2.天津水科机电有限公司，天津 301900）

1 引言

数字孪生作为一种新兴的数字技术，近年来已经广泛应用在工业领域中，而在水利行业中的应用也逐渐引起了人们的关注。数字孪生技术是利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

随着信息化的快速发展，水利行业也逐渐实现了信息化建设，但在信息化的进程中，也暴露出了一些问题，例如水利行业信息化建设存在的低层次、重复投入和人才短缺等问题，同时，水利系统数字化与优化的需求也越来越迫切。因此，数字孪生技术在水利信息化中的应用具有广泛的前景和深远的意义，并且随着数字孪生技术的不断发展和完善，它将会在水利信息化中发挥越来越重要的作用。

2 数字孪生概述

2.1 数字孪生的发展历程

随着工业智能化的发展，越来越多的工业企业开始尝试将数字孪生技术应用于生产和制造过程中。数字孪生技术是一种将现实物理世界与虚拟数字世界相结合的技术，旨在快速创建、更新和优化物理实体模拟的数字孪生模型，以实时监控和优化其运行状态。数字孪生技术在工业领域的应用已经证明它的作用无可替代，可以有效提高生产效率和质量，降低生产成本，提高企业核心竞争力。

数字孪生技术在水利信息化中也有着广泛的应用前景。在水利系统设计优化中，数字孪生技术可以通过建立数字孪生模型，对水利系统进行全面的仿真和模拟分析，得出最优的设计方案。在水利系统运行维护中，数字孪生技术可以对水利系统的各类运行数据进行实时监控和分析，及时预警系统运行故障，保障水利系统安全稳定运行。在水利安全监测中，数字孪生技术可以通过建立水利系统的数字孪生模型，对水利系统进行全面的安全评估，及时发现潜在危险并采取相应的措施，从而实现水利系统的智能化和安全运行。

2.2 数字孪生技术

（1）数字化仿真

数字孪生技术是以数字化信息为基础来对物理场所完成数字化复现，然后通过物联网实现物理空间与数字空间之间的虚实互动。再把3D 测绘、几何建模、流程建模等技术融入到现实物理作业环境，实现物理实体对象的数字化，搭建出相应的机理模型，最终通过物联网感知接入技术使物理对象可被计算机感知、识别。

（2）数据分析诊断

将实物与数字模型相互连接，通过实时数据同步和传输，将数据驱动模型融入实际物理作业环境的仿真模型中，全周期的对物理作业环境进行动态监控。同时通过实际需求，建立相应的知识图谱，构建各类可复用的功能模块，对所涉及数据进行系统分析，并对已发生或即将发生的问题做出诊断、预警及调整，实现对物理世界的状态跟踪、分析和问题诊断等功能。

（3）自我学习预测

数字孪生通过将实际物理行业环境感知的数据分析结果与动态行业词典结合来进行自我学习更新，并根据大数据中已知的物理对象运行模式，在数字空间中预测、模拟并调试潜在未发觉的及未来可能出现的物理对象的新运行模式。在建立对未来发展的预测之后，数字孪生将预测内容以人类可以理解、感知的方式呈现于数字空间中。

（4）自我决策自治

数字化仿真、数据分析诊断和自学习形成完整的数字孪生系统，通过对各类智能推理结果的进一步归集、梳理与分析，来实现对物理世界复杂状态的预判。可以对实体设备自发地提出决策性建议和预见性改造，同时根据实际情况不断调整和完善自身系统。

2.3 数字孪生在工业领域的应用

数字孪生作为近年来的热门技术，它的优势在于可以通过虚拟仿真的方式进行产品生命周期的模拟和优化，从而降低生产成本和提高产品的品质。值得注意的是，数字孪生的应用不仅局限于制造领域，它还可以应用于能源、医疗、农业等领域。在运输领域，数字孪生可以应用于航空、铁路、公路、海洋、物流等领域，帮助优化运输系统的设计和运营。在医疗领域，数字孪生技术可以应用于医学影像、医疗器械等，帮助医生诊断和治疗疾病。

在水利行业中，数字孪生技术同样能够发挥重要的作用。由于水利系统相对复杂，不同的水利系统之间也存在差异，使得传统的方法难以准确描述和模拟。而数字孪生技术可以采用三维仿真技术，将实际的水利系统建模成为数字孪生系统，利用模拟技术进行仿真分析和优化设计，制定更加科学的规划策略和改进水利设施的设计。

3 水利水电信息化现状及问题分析

3.1 水电行业信息化发展现状

水利行业是国民经济中重要的组成部分，信息化建设是实现可持续发展和现代化水利管理的必要手段。目前，水利信息化发展已取得了显著成果，但其整体水平仍然有待提高。在信息化进程中，水利行业面临多重挑战，如技术水平相对较低、数据管理不规范等问题，这些都制约了水利信息化发展后续进程。在数字孪生技术的支持下，水利信息化发展所面临的问题可迎刃而解。数字孪生技术在水利行业的应用不仅可以提高效率和减少成本，而且可以提高水利系统的安全性和可靠性。因此，数字孪生技术在水利信息化中具有广阔的应用前景。

3.2 水电信息化存在的问题

水利信息化在我国的发展取得了长足的进步，但是仍然存在一些问题：

（1）信息化水平不平衡。

（2）由于水利领域的数据获取途径、考虑的因素较多，整合的困难系数也较大。

（3）水利信息化发展进程中缺乏标准和规范体系，不利于信息流通与共享。

（4）信息安全方面的保障还需进一步加强，存在安全漏洞的情况也时有发生。

针对这些问题，数字孪生技术能为水利信息化建设提供有效解决方案。数字孪生技术可以对水利体系进行精准建模，从而准确分析、检测水利设施的运行状态，优化设计方案、提升运维效率。此外，通过数字孪生技术，可以提高水利设施的监测精度，预测设备故障发生的可能，提前制定防范措施。

3.3 水利系统数字化与优化的需求

随着社会经济的发展和科学技术的进步，水利系统信息化的需求日益增加。由于水利工程区域分布广，设备数量众多，传统的手工记录已经难以胜任信息化的需求。目前，数字孪生技术的发展，为水利信息化提供了一种新的解决方案。数字孪生技术可以通过模拟真实的水利系统及其环境，以及对这些系统进行实时的数据监测和分析，提高水利系统的运行效率，优化水资源的利用。因此，水利系统数字化与优化的需求日益迫切。

4 数字孪生在水利信息化中的应用

4.1 数字孪生在水利系统设计优化中的应用

数字孪生技术在水利行业中，通过模拟水利系统的运行过程，帮助设计人员对水利系统进行优化设计。同时实时监测水利系统的运行状态，快速发现故障，提高水利设施的运行效率。还可用于水利巡查和安全监测，提高水利系统的安全性和可靠性。

4.2 数字孪生在水利系统运行维护中的应用

在水利系统运行维护中，通过数字孪生技术构建虚拟模型，可实现对水利系统运行过程的动态监测、预测和预警等功能，提供了更加全面、精准、实时的运维手段。

首先，数字孪生技术可以实现水利设施的远程监测和模拟仿真。通过对水利设施的3D 建模，数字孪生技术可以将真实设施与虚拟模型相结合，构建完整的数字孪生模型。在数字孪生模型中，可以对水利系统的动态运行情况进行全面监测，预测潜在的问题和风险，并及时采取行动进行修复和优化，从而提高水利设施的安全性和稳定性。

其次，数字孪生技术还可以实现对水利系统运行过程的实时预警和诊断。通过数字孪生技术，可以对水利系统各个环节的运行情况进行实时监测，并通过预警系统及时发现问题和风险，同时提供运行分析和故障诊断支持，为运维人员提供科学的决策依据，提高水利系统的运行效率和可靠性。

总之，数字孪生技术在水利系统的运行维护中的应用，可以提供更全面、精准、实时的监测和分析支持，为水利设施的安全运行提供更加有力的保障。未来数字孪生技术将继续在水利行业信息化中扮演重要的角色，助力水利行业实现数字化和智能化转型。

4.3 数字孪生在水利安全监测中的应用

传统的安全监测工作存在着很多问题。例如，很多监测手段仅仅能够提供一些简单的数据信息，难以达到事前预警、事中控制和事后评估的全过程监测。因此提升水利安全监测的智能化程度成为了当前亟待解决的问题。在水利安全监测中，数字孪生技术可以实现对水利系统的实时模拟和重现，可以建立各种复杂的模型，包括水文模型、水力学模型、水文水力联合模型等，利用复杂的算法和大量的计算资源，实现对水利系统的快速建模和仿真。通过这些模型的运行获取到各种指标、数据和结论，从而达到提升监测的准确性和及时性的目的。

数字孪生技术在水利安全监测方面还可以实现对水库、河道、水电站等各种重要的水利设施的智能化监测。通过在设施上安装各种传感器，实时收集设施内部的各种信息和数据。同时，利用数字孪生技术中的深度学习、人工智能等算法，对这些数据进行智能化分析和处理，实时发现水利系统出现的各种异常情况，从而达到及时预警和应急控制的目的。

5 结语

在水利信息化现状中，存在着信息、数据、标准缺乏等问题。这些问题限制了水利信息化领域的发展，并给水利事业的正常运行带来了很大的不利影响。因此，在这样的背景下，数字孪生技术具有发展的必要性和应用的迫切性。

数字孪生技术在水利系统设计优化中的应用可以让设计者通过对水利系统的数字化建模，快速地进行系统优化设计。数字孪生技术在水利系统运行维护中的应用则可以通过高精度数字模型，实现对实际系统的仿真模拟，快速分析故障原因并进行故障排除。在水利安全监测中，数字孪生技术可以通过数字化监测数据快速计算水利系统的状态参数，并提供实时的监测警报。这些应用可以提高水利系统的安全性、稳定性和运行效率，为水利事业的发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1] 任海康，许健．海河防潮闸工程信息化业务应用研究与探讨[J]．海河水利，2022（3）：20-30，60．

[2] 徐军杨，陈思，李斌，等．数字孪生永宁江洪水预报模型构建及系统应用[J]．水利信息化，2023（2）：1-8．

[3] 王育杰，施凯敏，娄书建．数字孪生三门峡水利枢纽综合设计与应用研究[J]．水利信息化，2022（6）：1-6．

[4] 周洁，邵银霞，王沛丰，等．基于数字孪生流域的防汛”四预”平台设计[J]．水利信息化，2022（5）：1-7．

[5] 张科，程培哲，宋莉莉．流域数字孪生理论在水资源调配和防汛工作中的实践探析[J]．中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术，2022（9）：65-67．