数字孪生在水利工程建设中的探索

吴继伟， 朱理杰， 王晓嘉， 许家恒， 赵坤华

（1. 上海城投航道建设有限公司；2. 上海市水利工程集团有限公司）

1 数字孪生智慧水利

1.1 数字孪生

数字孪生是“通过物理设备的数据，在虚拟空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统；并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起的”[1]。

数字孪生综合利用大数据、人工智能、云计算、边缘计算、区块链等通用技术，实现模型构建、模拟仿真等运行管理和应用服务过程，在虚拟空间中完成映射，刻画出实体的全生命周期过程，并通过可视化技术、虚拟现实技术进行多种手段的可视化展现。

1.2 基于数字孪生的智慧水利

信息化技术已进入新发展阶段，云计算、大数据、人工智能技术快速发展，为数字孪生水利工程建设提供了有力支撑，推动水利业务向数字化、网络化、智能化转变的技术条件已经具备。

数字孪生水利工程主要分为两个部分，物理实体和虚拟体。物理实体提供水利工程的实际运行状态给虚拟体，虚拟体以物理实体的真实状态为初始条件或边界约束条件进行决策模拟仿真[3]。数字孪生水利工程建设需要充分运用新一代信息技术，实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，建成具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置、生态保护治理，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动。

2 数字孪生水利工程建设总体设计

水利工程建设过程数字孪生是一种崭新的工程全生命周期管理理念，运用信息化手段，通过数字孪生技术对工程项目进行精确设计和施工模拟，围绕施工过程管理，建立互联协同、智能生产、科学管理的施工项目信息化平台，实现工程施工可视化智能管理，以提高工程管理信息化水平，从而逐步实现绿色建造和生态建造。

数字孪生是智慧水利建设的关键技术[4]，其核心包括统一的数据底板、智能模型应用、模拟仿真平台等。融合工程建设期“人、机、料、法、环”数据，构建工程影响区域的数字底板，建设智慧化监管所需的模型平台，构建工程建设预报、预警、预演、预案的“四预”智慧体系。确保工程建设精准、后续运行高效。

2.1 指导思想

需求牵引，应用至上。以行业需求为导向、业务应用为目标。

数字赋能，提升能力。汇集全要素数据，搭建L3+L2级数字孪生数据底板，构建“四预”智慧能力体系。

整合共享，协同推进。高标准规划、高质量探索，确保互联互通、共建共享。

2.2 总体设计

数字孪生水利工程建设主要是采集感知工程影响范围内的江河湖泊、水利工程、水利治理管理活动等物理流域对象相关各类信息，通过水利信息网汇集到水利云，形成水利数据资源池。通过对池中数据进行治理，实现统一的数据管理与服务，并基于智慧使能和应用支撑平台为水利大脑提供“四预”基础能力，支撑上层智能应用，推动水利领域各类业务的智慧化运行。具体包括：

2.2.1 数字孪生水利工程“四预”体系设计

预报是预先报告或预先告知，基于历史和当前的有关数据，对自然现象或社会现象变化开展短期、中期、长期的定性分析或定量计算。针对泵闸管理，通过历史水位数据、新增智能视频分析数据，对泵闸前后水位异常、泵闸机组启闭异常等问题进行安全预报，基于极端天气预报，对泵闸安全进行预报。

预警是根据预报结果、阈值指标等信息识别风险或问题，及时发送警示信息。针对泵闸管理，基于泵闸安全风险阈值指标，运用模型平台、知识平台开展泵闸前后水位异常预警、泵闸异常启闭预警、泵闸极端天气安全预警，泵闸周边入侵预警、消防预警，进行定点智能信息推送，直达工作一线、及时采取应急措施，提前做好防灾避险准备。

预演是针对预警风险、预报信息，设定不同场景，进行推演模拟、风险评估和可视化仿真、预案迭代。针对泵闸管理，模拟调度过程，结合调度指令，考察泵闸启停的各种状态及对河道水位变化情况，根据模拟仿真结果采取对应的处置措施。

预案是依据预演反馈结果，优先确定预案，并适时调整，确保科学性、有效性和指导性。针对泵闸管理，通过预演结果对预案进行评估分析，滚动调整应急处置预案，并不断优化，提升预案的针对性、科学性和合理性。

2.2.2 数字孪生水利工程总体技术架构

以提升工程建设管理过程中数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以数字底板、模型平台、业务应用系统为支撑，实现工程建设管理过程中数字工程与物理工程同步仿真建设，构建水利工程建设期数字孪生平台，平台架构如图1。

图1 智慧水利工程技术架构

1）物理实体：工程建设项目实体，涵盖了水利工程及其施工区域，以及对工程施工产生影响的河段等范围，同步建设覆盖区域的L3+L2级数据底板。

2）基础设施：主要涵盖一体化监测感知、通信网络及云服务。

3）数字孪生平台：由数据底板、模型平台等组成。

4）业务应用：以水利工程建设管理需求为导向，围绕建设过程管理、工地施工管理、资产管理建设、质量监督等工作，构建孪生平台应用体系。

5）标准规范保障体系：在现有基础上，逐步形成针对数字孪生工程建设的标准规范，保障各类新技术的充分应用以及孪生平台各元素的无缝衔接。

6）信息安全保障体系：依据国家安全等级保护相关制度，包括强化网络安全管理、完善网络安全技术、加强网络安全监督等[5]。

3 核心问题探索

在数字孪生水利工程建设过程中，有两大核心问题，一是如何以工程数据底板为基础支撑数字资产同步建设，二是如何充分利用平台数字孪生能力赋能建设过程。

数字资产同步建设主要是通过建设水利工程数据底板来实现，通过底板可以有效处理海量多源异构数据的获取以及管理难题，实现水利部要求的L3+L2级数据底板，即构建工程实体场景，开展精细建模，融合各类数据，为工程建设管理和施工单位提供精准的信息支撑，满足模型平台计算分析等需要，并向水利工程所属的上一级单位L2级数据底板、覆盖全国的L1级数据底板提供数据及接口服务。涉及的数据包括地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据和行业共享数据。

水利工程建设过程中，通过构建水利工程质量、进度、安全等专业模型，结合人工智能、大数据等技术，实现工程过程管理中的“四预”。模型针对各影响因素，开展综合分析预报，实时预警，仿真预演，预案及优化等工作。以工程安全模型来说，影响工程建设期的主要安全部位包括河道围堰，工程深基坑等。模型针对上述基坑、围堰等开展相关水文风险、工程风险监控，涉及的影响因子包括但不限于降雨量、水位、变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测等。这些影响因子数据获取后，经模型分析计算后确定工程安全风险等级，并根据风险等级发出相应等级预警，启动相应预案。同时，可以定期开展模拟预演，优化预案。

4 结语

数字孪生是水利高质量发展和工程建设高质量管理的重要抓手，对提升水利工程建设精细化管理水平和综合决策能力，提高水利行业监管力度具有显著意义。数字孪生在水利工程建设阶段的成功探索和应用，将对推动水利科技发展和全面创新，形成可供行业推广应用的技术体系和科技产品具有重要意义。本文探讨了数字孪生在水利工程建设管理中的应用，为智慧水利工程建设管理提供了经验，也将助力数字中国的实现。