数字孪生技术赋能水利工程建设管理路径

宋 敏,周伊文

(1.河海大学商学院,江苏 南京 211100; 2.河海大学投资研究所,江苏 南京 211100)

近年来,随着物联网、大数据、人工智能等技术的快速发展,借助新一代信息技术建设数字孪生流域、智慧水利保障体系,推进水利工程智能化改造,建成七大江河数字孪生流域等是“十四五”期间智慧水利建设的主要目标[1]。当前,为了完成这一主要目标所要面对和亟待突破的难题仍有不少,其中的关键是如何顺利完成水利工程项目建设与当代数字信息化技术的融合交互。

数字孪生技术,将传统技术与人工智能、区块链、物联网、云计算、大数据、虚拟现实等新兴技术融合,基于物理实体和虚拟映射构建的网络系统,对物理世界场景进行全要素、多尺度、多视图的模拟仿真,可以实现物理世界与信息世界的实时交互和融合。将数字孪生技术与水利工程建设相结合,构建具有实时监测、动态管理等多种功能的数字孪生模型,有助于搭建水利工程建设的物理世界和虚拟世界之间的桥梁[2-3],对突破水利工程建设与信息化技术交互融合的瓶颈具有积极作用。在水利工程建设的管理过程中,充分利用数字孪生技术有利于将水利工程建设管理各部门的信息进行实时映射、深度融合、模拟分析,进而帮助解决水利工程建设管理的科学决策问题。

1 水利工程建设管理历史沿革分析

1.1 传统水利工程建设管理趋于制度化

传统的水利工程项目从前期建设到后期项目管理通常使用较为宽泛的项目建设管理体系,一般在项目初期就具备明晰的规章制度和具化的人工操作流程,以此来完成该项目的建造和管控,如以都江堰为代表的传统水利工程大多采用专管部门维护、流域系统统一治理、标准化管理的管理制度。据《水经注》记载,公元168年,汉灵帝设立都水椽、都水长对都江堰进行专项管理,并有专管部门对所属灌溉区工程、供用水等事项进行统筹管理。都江堰的水系治理人员一直放眼于整个岷江、沱江水系,运用完备、系统、整体的思考方式来实现所属流域的综合治理与管理。都江堰的水利管理经验,是先辈勇于求索、仔细试验的治水管水经验,其中一部分固化为程式、准则,也有一部分最终成为管理制度。传统水利工程管理体系的发展,虽然为现代水利工程建设提供了参考,但随着时代的发展,传统水利工程的管理制度已无法满足现代水利工程建设数字化转型的需要。在制度方面,需要完善的智能化制度对水利工程的监控系统技术进行详细的说明和管理,并对建设、运行等过程中的安全处理做出明确的说明[4]。在监测方面,水利工程数量庞大,需要提高信息监测在水利工程建设各个环节的覆盖率,及时全面地获取区域水利工程信息,更准确高效地提出合适的管理方案[5-6]。

1.2 水利工程建设管理逐步信息化

中国特色社会主义进入新时代,我国经济发展进入新常态。传统的水利工程建设管理方式已无法满足经济社会发展的需求,水利工程建设亟须创新管理思路[7]。“七五”期间,我国的水利工程信息化建设就已起步,通过通信、计算机网络等,初步实现了水利工程信息的基本传输。“十三五”期间,中华人民共和国水利部(以下简称水利部)发布《全国水利信息化“十三五”规划》,提出深化信息技术与各项水利工作的融合,积极研究大数据、云计算、物联网、移动互联等技术应用,强化信息化对水利各业务领域的服务与支撑[8]。党的十九大报告中提出要“加强水利等基础设施网络建设”[9],为此,水利部加紧稳步推进新一轮的智慧水利总体方案编制工作,推动水利相关的政策改革,以期利用数字信息化、智慧化手段完成一系列智慧化水利工程的重点任务。近年来,我国水利工程信息化建设发展迅速,逐渐朝着智慧水利的方向发展。物联网、移动互联、大数据、可视化及智能化等新一代信息技术的充分运用,为水利工程建设提供了强大的技术支持,也在一定程度上推动了水利工程建设管理工作的发展。

1.3 数字孪生成为水利建设核心部分

2017年以来,水利部及各地区相关部门就水利数字化问题多次召开会议,广泛听取意见,发布多份文件,以期从政策上赋能水利建设,具体内容详见表1。

表1 2017年以来我国水利数字化相关会议内容

具体到建设实践上,各地积极响应,贯彻并落实习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的“十六字”治水思路[10],各地有关部门加大水利工程项目前期资金投入和技术运用力度,调用实时监控和网络平台数字发展技术,充分运用数字孪生技术推动水利建设高质量发展[11]。江西省政府积极响应中央的号召,联合有关部门于省内吉安市率先开展“智慧防汛”建设试点项目,旨在通过“建设监测站网、开发监测系统平台、升级预警设施设备、完善网格化责任制”4项举措,形成“一张网、一平台、两体系”,即覆盖全区的监测网、监测预警平台、水量预警发布体系和群测群防体系。通过“智慧防汛”建设,在全区范围基本形成预案到乡、预警到村、信息到户、安全到人的防灾减灾保障体系,有效应对了2020年暴雨灾害、2022年罕见干旱,确保了全区人民的生命、财产安全。“智慧防汛”建设效果良好,预计该地区该体系最终形成时,受益人口将达8.92万人。通过加大数字信息化投入、该项目最终将涵盖吉安市61个地区的行政村、共计226个山洪灾害防治区。

各省建管并举,深化实施数字化水利,始终坚持以数字孪生技术为支撑,以数据融合为基础,建成“六大系统”,打造集“感知、预警、决策、外警、发布”于一体的水利信息化指挥中心。建成水库水位雨量监测系统、河长制管理系统、水土保持管理系统、山洪灾害防治监测平台,充分利用数字孪生技术推动水利工程建设发展。

2 数字孪生赋能水利工程建设管理的现实困境

随着智慧水利工程的不断推进以及数字技术的进一步发展,数字孪生技术在水利工程建设管理中将发挥出更为重要的作用。然而,不可忽视的是,目前数字孪生技术赋能水利工程建设管理仍然面临着诸多现实困境。

2.1 技术困境:数字孪生平台建设中数据支撑能力不足

a.从数据采集上看,数字孪生系统中各个数字单位内部数据互享渠道不足以满足当前技术需求。水利工程建设板块繁多,板块数据采集存在难度,部分板块也难以进行数字化呈现。在当前生产力条件下,数字智慧水利需要借助电子传感器、项目大数据、云端云计算等设备及技术的支持,除了硬件上的需求,目前为水利管理提供全天候监测、风险智能预警、智能大数据收集、统计分析的智慧应用仍十分匮乏。伴随着现代物联网技术的升级,部分的水利工程已初步建设起感知采集体系,可是仍有相当一部分水利工程在数据监测等方面存在明显不足,例如,当前监测、传输、控制方式陈旧,监测种类不全,监测分布难以平均,这些远达不到智慧水利升级的需求。另外,水利工程设计涵盖地理纵览、项目统筹管理等多种要素,设计的数据类型种类繁多,包括气象、水文监测、地形地貌、基础设施数据等,其中水文监测数据的获取相比其他数据更为艰难。

b.从数据分析上看,仅靠大量积累数据并以此驱动的大数据分析模型无法满足数字孪生的需求。数字孪生数据实况反应快、数据承载量大、数据源异构性强,当下我国未对“数据+机理”的新型数据分析模型给予足够的重视,缺少将物理模型与大数据分析模型进行集聚统合的能力,数据集聚与分析能力的不足导致数字孪生辅助决策无法到达预期效果。

c.从数据格式上看,数字孪生系统的整体性的难度大。由于尚无统一标准的数据格式,数据采集的度量或计量单位涵盖物理、几何、时间等多种参数类型,且数据格式在各个独立采集周期中的数据表现状况不一致,这增大了实现数字孪生系统的整体性的难度。此外,水利相关的政府单位的基础数据、静态数据的数据库存在数据信息繁杂且数据电子信息化程度低的现象,一般来说,水利工程管理业务的涵盖面广,工作过程长,工程数据种类多样且复杂,尚有诸多如岸线规划、供水工程等与水利业务管理有关的基础数据尚未录入,在现实中,水利管理基础数据还存在存储位置分散因而无法形成体系等问题。这一系列的问题最终产生了统计维度单一、分析深度浅薄、要素无法有效关联等问题。

2.2 政策困境:数字孪生赋能水利工程建设缺乏规范政策

数字经济的发展,对现有社会制度与社会结构产生了巨大影响,需要政府尽快转变自身角色,加强制度体系建设,创新、构建、完善适应数字孪生发展的完整体制机制,以此充分发挥数字孪生为传统水利工程发展创新赋能的巨大作用。

2021年11月,水利部印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》,明确表示将数字孪生作为智慧水利的核心。数字孪生技术不仅成为智慧水利工程不可或缺的组成部分,还为智慧水利工程增加了内生动力。随着中国式现代化的不断推进,水利工程亟待变革,而数字孪生技术的应用在水利工程建设管理方面具有较大潜力。

然而,当前相关制度建设尚不健全,制约着数字孪生赋能水利工程的发展,政策支持有待加强。随着数字孪生在水利工程建设中的渗透,政府出台的有关水利工程的文件多次提到推动数字化和水利工程相互融合,加快数字化进程。然而,我国数字孪生技术在水利工程建设上目前仍处于探索阶段,围绕着数字孪生赋能水利工程建设发展的政策支持有待进一步加强,暂无针对性的法律法规和行业政策对数字孪生中的应用形式进行规范,致使数字孪生技术在水利工程中的应用存在一定风险。

2.3 安全困境:数字孪生存在多方面安全问题

当水利工程的运行高度依赖于数字技术时,各类数据的安全问题便日益凸显。根据中国互联网络信息中心数据,截至2022年6月,在接受调查的网民中,有63.2%的网民表示过去半年在上网过程中未遭遇过网络安全问题,而36.8%的网民表示过去半年在上网过程中遭遇过一类或多类安全问题,其中遭遇个人信息泄露事件的网民最多,占比为21.8%;其次是遭遇网络诈骗事件的网民,占比为17.8%;遭遇设备中病毒或木马的网民,占比为8.7%;遭遇账号或密码泄露的网民,占比为6.9%。[12]可见当前我国数据安全面临着较大挑战。

从国内数字安全整体环境来看,水利工程的安全性存在着极大威胁。由于数字孪生技术的应用,当前物理世界和信息世界交融聚合,一定程度上打破了传统工业领域相对封闭、数据安全可信的状况。数字孪生应用系统,掌握着水利工程建设管理运行的全部核心数据,一旦运用时出现数据被泄露、数据端被不法分子恶意攻击和窃取篡改等类似情况,极易造成管理层决策出现误差,严重时可能摧毁整个项目的交付使用及后续管理。

从数字安全技术来看,水利工程的数字安全技术需要完善。当前,我国水利工程的数字安全保卫能力不足,主要体现为面对数据攻击时的应变经验不足,安全技术储备欠缺,缺乏行业承认的第三方专业检测机构对技术服务全过程进行合规的审查评估或开具书面形式的审查报告。此外,我国目前对于有预先组织计划的安全事件的全程监测、实时检测、风险准确预警、困境快速处置等技术尚处于襁褓阶段,仍需要相当长的一段时间来进行技术发展,更新迭代。

2.4 资金困境:数字孪生技术应用需要投融资体制改革

相较于传统水利工程建设,数字孪生技术赋能的水利工程建设与管理具有新特征,亟须深化投融资体制改革。

数字孪生技术具有软件与硬件两种不同形态,需要综合运用各类投融资工具,以致其投融资模式愈加复杂。数字孪生技术赋能的水利工程建设不仅包含硬件设施建设,例如水利信息基础设施建设、水利业务网形成等,还包括软件设施的技术更新,如数字孪生平台构建、水利检测数据库的数据收集分析、水利业务模型的建立分析等。软硬件协同发展,共同构建了数字孪生技术。数字孪生技术具有较强的协同发展特性。从资金角度来看,物理属性的不同将直接影响投资工具、投资主体、投资周期等,因此,针对数字孪生技术的投融资模式更为复杂。同时,数字孪生技术与水利工程建设的深度融合需要针对不同技术形态,以适用于各类投融资工具。

此外,数字孪生技术在为水利工程建设的智能化、信息化、数字化、联网化赋能的过程中,还需其它基础技术的发展支撑,例如 5G信息通信传输技术、区块链、人工智能创新等互联网科技技术的发展。当前,行业标准日趋严格,技术发展持续创新,由此催生出的许多新的结构形式,技术迭代不断加快,发展过快极易导致发展方向的不稳定性与发展内容的不确定性。从市场投融资的立场来看,一项新的技术经历研发、测试、试用,这其中大量资金的投入是不可或缺的,以此来看,当前以地方政府财政支持和传统商业银行贷款等为主要的投融资方式的现行模式不适合作为主要的资金来源,亟须更多投融资方式,例如以社会其它资本为主导的投融资方式,以应对当前市场的迅速变化。在2020年7月13日的国务院政策例行吹风会上,时任国家发改委副秘书长苏伟说道,深化投融资体制改革,吸引多项投融资主体进入市场,对于当前推进重大水利工程的建设与管理具有不可或缺的重大意义[13]。

3 数字孪生赋能水利工程建设管理的技术路径探索

本质上看,数字孪生是具有数据连接的特定物理试题或过程的数字化表达[14],因此,应用数字孪生技术赋能水利工程建设,构建以数字孪生为核心的智慧水利建设,能有效地弥补当前发展短板。

数字孪生技术赋能水利工程建设管理主要体现在对物理实体的虚拟映射上,可以通过数字化手段构建一个水利工程建设在数字世界中的“完整分身”,和水利工程保持实时的交互联接,实现对水利工程建设的了解、分析、预测、优化控制决策等。

针对“十四五”规划中提出的“构建智慧水利体系”的要求,水利部围绕数字孪生水利工程编制了《数字孪生水利工程建设技术导则(试行)》(以下简称《导则》),对大型和重要中型枢纽工程数字孪生水利工程建设提供了指导。基于上述现状,结合水利工程建设管理设计、建设、监测、预警、调度、维护等多要素结合复杂的情况,可进一步利用数字孪生技术赋能,推动水利工程建设管理更精准、更高质量发展。

基于水利工程原有的建设管理思路,结合数字孪生技术,通过集成先进的感知、计算、通信和控制技术,进行系统性的数字孪生建模。参照《导则》,构建数字孪生水利工程系统结构图,如图1所示。

图1 数字孪生水利工程系统结构

3.1 水利工程数字化映射实现智能感知与信息监测

水利工程建设管理过程涉及项目建设、管理调度、预测防控等要素,对水利工程管理提出了科学性、系统性、动态性等要求。而数字孪生技术具备对多源异构数据的实时感知和互联能力,能够针对人、机、物、环境四大要素进行全面的感知融合。在水利工程建设整体上,要充分发挥数字孪生技术的数字化映射作用,实现智能感知与信息共享。

在共享已有数据的基础上,利用部署在水利工程全域的智能采集装备,对河湖、水库、水电站、水厂、管网、渠道、闸门、泵站等基础信息及地理信息的数据进行实时采集和标准化处理。再利用虚拟现实技术、仿真工具进行数字化建模,形成虚拟数字化对象,在信息维度上对实体对象精准地进行表达和映射,建设全要素、全对象、全流程的数字孪生模型,并定期调整优化模型,实现智能感知。

此外,可利用水利工程监测设备及视频监控系统,对水利工程实时动态监测。将安全监测数据、建设数据、运行数据等信息通过虚拟仿真等技术手段实现动态数字化映射,在虚拟仿真数字孪生模型上,对水利工程的建设状态、安全状态、运行状态进行实时监控,同时根据业务需要实时或定期更新数据,提高数据建设精度和数据更新频率,实现数字化虚拟环境和物理环境的真实对应,为管理者提供直观、高效、精准、便捷、完善的精细化信息监测服务。

3.2 水利工程建设管理体系实现统一协调、高效管理

在水利工程建设过程中,可以通过数字孪生技术协调管理水利工程的各项数据,实现经济高效的综合信息实时管理。

利用数字孪生技术,通过模拟仿真引擎,输入水利工程的真实情况、建设现状等要素,将水利工程建设过程中的各项物理指标在数字孪生模型中体现,借助算法,对水利工程的规划设计的各项数据模拟计算,生成可参考统计信息,进而对水利工程建设进行模拟分析,辅助水利工程各个决策部门统筹决策,从而降低试错成本。

运用数字孪生技术,建立数字孪生水利工程建设管理平台,通过集约化平台的建设,提供多场景一体化的数字孪生展示,从统筹、协调、监管、评价4个方面对水利工程的设计、质量、安全等进行统一协调、高效管理。具体来说,平台对工程各种方案统筹、对比,有效推演分析出最佳建设方案,及时质量跟踪测评,提高质量管理的高效性和透明度,对检测数据进行云计算,辅助预测安全隐患。通过平台将政府部门、参建各方的信息进行实时互联,能有效对各方信息实行深度挖掘和分析,发现信息数据之间的联系和规律,最大程度地实现协调调度和信息共享的高效性,极大提高资源利用率及管理效率。

3.3 水利工程运维管理体系实现综合管理、高效防控

数字孪生技术的核心是模型和数据,重点是预测预警和智慧决策。结合数字孪生技术,构建工程知识库、工程业务规则库、预案调度方案库、工程安全知识库,形成综合管理模块,及时分析水利工程数据、突发情况,并及时做出预警及决策建议,能有效提升水利工程的科学化和智慧化水平。

a.构建工程数据库保障水利工程管理可预测可控。数字孪生赋能应在大数据、人工智能技术、云计算的支撑下,通过数据收集、数据分析、模拟评估、优化分析,运用工程知识库,形成水利工程运维管理体系,为水利管理中各业务决策提供科学化和智慧化的应用指导。

b.构建工程业务规则库保障水利工程正常运行。根据水利工程数字孪生全景,对水利工程运行工作情况,构建包括工程调度运用规程、工程安全检测资料整编规程、工程安全应急预案等的工程业务规则库,改变现今重点部位监测的情况,利用机器人、无人机等科技工具,实现全面实时在线监测管理,为综合管理奠定基础。

c.构建预案调度方案库与工程安全知识库保障水利工程高效防控。构建包括工程防汛预案、防汛抗旱应急预案等的预案调度方案库,建立包括工程风险隐患、隐患事故案例、工程安全鉴定、专项安全检查等的工程安全知识库。设置预警信息快速发布网,保证各部门快速、整体地把握水利工程全部概况,定期对预案方案库进行更新修正,依照工程安全知识库对工程安全定期维护,为水利工程各部门快速高效完成日常工作、处置突发事件等决策提供辅助。

结合水利模型库、算法库,建立监管、监测为依托,现场指挥、多方联动、高度集成的综合管理模块。

结合环境等边界条件,自动分析水利工程管理过程全生命周期各阶段的需求,实现水利工程管理的按需自动控制,实现工程利用最大化。通过数字孪生技术形成的虚拟化映射场景,借助已有可视化模型和模拟仿真引擎,定期调整优化模型,增加渲染效果,提升模拟效率,对水利工程进行灾害模拟和辅助决策,能够有效实现水利工程应急可视化指挥。

3.4 水利工程基础设施建设实现数字化、网络化、智能化

2022年4月,中央财经委员会第十一次会议指出,基础设施在支撑经济社会发展的中起到重要作用,水利工程建设是全面加强基础设施建设的重点领域之一。大力推进水利基础设施建设,能够拉动有效投资、带动相关产业发展。作为数字化时代的应用新技术,数字孪生技术的应用与发展,能为水利工程基础设施建设的发展完成数字化、信息化、智能化、联网化,发挥基础设施网络联合效应、资源溢出效应、联合乘数效应等,从而迸发出更稳健、更强劲、更长久的新动能。

a.数字孪生技术推动水利工程基础设施数字化。数字化是将文字、图像等物理现实信息,经过数字编码,存储传输后进行加工处理,再投入应用的技术途径,数字孪生技术提供的虚拟化映射场景、水利模型库等,均是数字化的具体体现,其为水利工程建设高效管理,帮助灾害模拟、预测与决策模拟。大力提升水利工程建设数字化有助于推动水利工程建设进一步高质量发展,切实提升水利工程建设质量。

b.数字孪生技术推动水利工程基础设施网络化。物联网是互联网自然延伸和拓展的产物。物联网利用数字信息技术,将物理实体与虚拟网络相联系,为人们提供所需物理实体的具体信息。数字孪生技术提供的水利工程建设综合管理模块、控制系统等,是网络化的具体表现。水利基础设施能通过溢出效应带动总体技术进步,促进经济增长。水利基础设施的网络化进一步推动了该种溢出效应。

c.数字孪生技术推动水利工程基础设施智能化。智能化反映信息产品的质量属性,实现智能化的主要途径是发展人工智能。就目前来看,以大数据为基础,以数字算法与模型为技术手段,以强大的计算能力为支撑,是当前水利工程建设与管理的发展趋势。数字孪生技术在水利工程建设管理中的具体表现为人工智能算法、水利数据计算中心等。推进水利高质量发展,应注重推动现代化水利工程基础设施网络系统的升级改造。

4 结论与建议

数字孪生技术的赋能为水利工程建设管理提供了新的方向,其物理本体和虚拟数据之间的相互映射能够有效提高管理人员对水利工程建设管理的了解、分析、预测、优化以及辅助决策等工作的科学性、精确性,对提升水利工程管理的质量及效率的提升也具有重要意义。数字孪生技术的赋能,在推动水利工程智慧化的过程中起到了关键性作用。数字化映射提高了水利工程建设的智能感知与信息共享的能力,数字孪生管理平台提高了协调调度的高效性,结合水利模型库形成的综合管理模块提升了水利工程的防控能力和科学化水平。随着云计算、物联网、大数据、人工智能等新技术的蓬勃发展,数字孪生技术赋能水利工程建设,将引领水利工程建设管理进入新阶段。

基于现今数字孪生水利工程建设现状,提出以下建议:第一,要加大资金投入和技术运用力度,充分利用先进技术和网络平台,大力推进水利工程建设从“智慧水利”到“数字孪生”的转变。第二,要充分发挥数字孪生的赋能作用,进一步推动水利工程建设高质量发展,坚持以加快数字孪生技术和数字水利工程为导向,立足实际,推动数字孪生水利工程建设在实践中不断优化。第三,在未来数字孪生赋能水利工程建设的过程中,提高数据建设精度和数据更新频率,对发生较大变化的重要部位的数据及时更新;定期调整优化数字孪生智能分析模型,提高运行效率;提高水利建设全过程高保真模拟,实现全面实时监测;对数字孪生水利工程中的数据安全开展风险监控,建设相关安全运营中心,利用技术监控数据全周期安全。