数字孪生水闸工程业务应用探究

收稿日期：2023-11-21

作者简介：丁瑶（1989—），女，天津人，工程师，主要从事水利信息化咨询工作。

摘 要：数字孪生技术为水闸工程建设打开新局面，对数字孪生流域建设具有重大意义。阐述了数字孪生水闸工程建设的必要性与业务需求，梳理了数字孪生水闸工程体系总体框架，并介绍了数字孪生水闸工程业务的应用场景。

关键词：数字孪生；水闸工程；防洪调度

中图分类号：TV675 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

国家“十四五”规划纲要明确要求，构建智慧水利体系，以流域为单元提高水情测报和智能调度能力[1]。数字孪生水利是面向新阶段水利高质量发展需求，为水利决策管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持，实现水利业务与现代信息技术融合发展的智慧水利实施措施[2]。数字孪生流域建设是建设智慧水利体系实现“预报、预警、预演、预演”的业务核心和关键，而数字孪生水闸工程建设是数字孪生流域建设的基本单元，数字孪生流域正处于起步阶段，数字孪生水闸工程作为数字孪生流域的一部分，明确数字孪生水闸业务需求，梳理数字孪生水闸工程建设框架，加快利用大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术，提高水闸工程的智慧化水平，在促进业务协同、创新工作模式、提升服务效能方面不断取得突破。因此，数字孪生水闸工程对数字孪生流域建设及智慧水利体系建设意义重大。

1 数字孪生水闸工程业务的需求分析

1.1 水旱灾害防御调度需求

水旱灾害防御调度需要对水闸工程的气象、水雨情、工情监控信息进行查询、综合分析决策，与上下级单位进行综合会商并下达调度指令、调度情况反馈等。通过数字孪生水闸工程建设，能够满足基于数字化场景展示洪水演进过程、水闸调度过程等，实现人机互动的同步仿真预演，辅助支撑防洪调度、水资源调度等业务工作，不断提升综合效益，为水闸工程联合调度管理提供智能化、科学化技术支持。

1.2 工程运行管理需求

水闸工程安全运行管理工作极为重要，但当前还有较多的水闸工程尚未建设工程安全监测、运行管理以纸质表格记录为主，效率较低，亟需针对水闸工程运行管理薄弱环节，开展数字孪生水闸工程建设，加强工程安全预警分析、巡视巡查、维修养护等功能应用，实现水闸工程运行管理智能化应用。

2 总体框架设计

数字孪生水闸工程建设遵循智慧水利、数字孪生水利工程建设总体框架，主要包括实体工程、信息基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系、保障环境（图1）[3]。

2.1 实体工程

实体工程包括水闸工程、堤防、河口等实体工程及其保护范围。

2.2 信息基础设施

信息基础设施主要包括监测感知体系、通信网络、自动化控制系统、信息保障环境。其中，监测感知体系包含水文监测信息、工程安全监测信息等；通信网络按功能分为业务网、工控网等不同网络，而业务网分为信息管理区和互联网服务区，工控网分为实时控制区和过程监控区；自动化控制系统包含对工程闸门、泵站、船闸、发电机组等进行自动化控制，可通过数据外发、传感器检测、视觉识别等方式实时监测被控制设备运转状态；信息保障环境包含机房环境、计算存储资源及会商调度中心建设。

2.3 数字孪生平台

数字孪生平台包括数据底板、模型平台、知识平台及孪生引擎。通过数据底板搭建水闸工程及其管理范围内的数字高程模型、正射影像图、倾斜摄影、水下地形及BIM模型；利用数据引擎汇聚各类信息，完成数据的汇集、归类、清洗和治理，集成基础数据、监测数据、业务数据及其他数据，在数据资源基础上为数字化场景建设和模型平台、知识平台调用数据提供接口服务；模型平台建设支撑水闸安全管理、调度等业务应用的水利专业模型，搭载智能识别模型通过模型模拟仿真引擎进行标准化、通用化处理，将模型计算应用融入数字孪生场景；知识平台通过知识引擎融入水利对象关联关系、工程安全知识库、业务规则等水利知识，实现水利知识共享和迭代更新。

2.4 业务应用

数字孪生水闸业务应用以实体水闸工程业务需求为基础，以数字孪生平台为支撑融合感知、数据、计算、模型、智能等方面信息技术于一体，通过实时感知、精准预警、高效调度，全面提高水闸工程安全运行管理与调度决策水平。

2.5 网络安全体系

网络安全体系依据《水利网络安全保护技术规范（SL/T 803—2020）》等标准规范进行建设，主要包括管理体系、安全技术体系、安全运营体系和监督检查体系，用于加强数据安全保护，全面保障数字孪生水闸工程系统安全和数据安全。

2.6 保障环境

保障环境建设主要包括各项管理制度、运维保障及标准规范。

3 数字孪生水闸工程业务应用探究

数字孪生水闸工程业务应用以服务水闸工程安全运行管理与综合调度为目标，通过搭建数字孪生水闸工程场景，以虚拟模型映射物理实体的方式，对水闸实体和业务现象进行模拟和预测，以物理水闸工程为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水闸工程全要素和安全运行全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，实现与实体水闸工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，为水闸工程综合决策提供数据支撑。

3.1 数据底板

建设水闸工程的数字高程模型、正射影像图、倾斜摄影、水下地形及BIM模型，同时集成基础数据、监测数据、业务数据及其他数据，共同形成水闸工程的数据底板。

3.2 专业模型

根据水闸工程业务工作需求建设水闸工程业务模型，包括防洪调度模型与工程安全模型。

3.2.1 防洪调度模型

开发水利工程水闸防洪调度模型，为防洪形势预判、水旱灾害防御会商提供数据支撑。

洪水预报：根据洪水形成和运动规律，利用过去和实时水文气象资料，预报未来一定时段的水闸上游及管理范围洪水发展情况。

防洪调度：根据实时水雨工情及预见期内来水过程，模拟预测水闸工程在不同防洪调度方案下的调度过程。

3.2.2 工程安全模型

基于工程安全机理理论，开发工程安全模型，实现工程变形分析、渗流渗压分析、应力应变分析，同时基于数理统计和数据挖掘等技术，实现数据驱动的安全监测数据异常识别、工程安全预测预警、工程安全状态评估、机电设备故障诊断分析和预警预测。

数据监控：对各类采集的原始数据进行物理量转换计算、测量评查、数据检验、数据补插、标准化处理等，为工程运行安全性态分析模型提供数据支撑。

安全运行分析：利用变形、渗流、应力、机电设备状态统计模型等，分析工程运行状态及运行过程中外部环境信息影响规律。

趋势预测预报：利用历史监测数据序列建立工程运行安全趋势预测预报模型，实现工程变形、渗流等预测预报。

异常预警：利用工程运行安全趋势预测预报结果，与工程运行安全警戒值拟定模型的阈值和实时监测数据进行差异分析，依据一定预警规则，提出单测点超限值和多测点超限域分级预警。

3.3 水利知识

根据水闸工程特点，水利知识主要构建工程安全规则和调度规则两部分内容，为业务应用提供知识支撑。

3.3.1 工程安全规则

构建包括工程调度运用规程、机电设备运行操作规程、工程安全监测资料整编规程、工程安全现场检查、工程安全应急预案在内的工程安全规则，并结合实际情况不断更新。

3.3.2 调度规则

基于知识图谱技术，解析水闸工程的启用条件、来水情况、控制需求、运行方式等内在逻辑关系，制定运行调度规则，并结合实际情况不断更新。

3.4 业务应用

数字孪生水闸工程以防洪联合调度、工程运行管理、综合决策支持为重点功能，同时兼顾数字博物馆与移动应用，业务应用基于数字孪生场景，以专业模型与水利知识服务为支撑，通过数据底板融合和挖掘分析各类数据资源，全面掌握水闸工程综合信息，建设形成逻辑严密、功能全面、界面友好、协同高效的综合决策支持平台，提供数字化、可视化、智能化的业务应用系统。

3.4.1 数字孪生场景

通过工程基础数据、地形数据、倾斜摄影数据、BIM模型及可视化模型，建设水闸工程及其管理范围的自然背景、流场动态、水闸工程及水闸工程机电设备可视化场景，提供水闸工程的数字化实时渲染和可视化呈现，用于精准化的工程安全运行管理与工程调度业务交互式数字孪生工作。

自然背景：数字化自然背景针对多源、多维、多时空分辨率、不同坐标系地理空间数据，采用数据融合技术对水闸管理区域范围内的影像、地形、河流、道路、建筑、工程、模型模拟结果等对象进行三维可视化渲染。

流场动态：针对水闸工程管理范围内的河道开展数字化流场动态建设，打造河流的动态流动仿真模拟，辅助由物理世界向数字虚拟世界的动态数字化映射。

水闸工程：针对水闸工程实体开展水闸工程BIM模型建设，通过水闸工程结构信息、倾斜摄影等进行模拟仿真，辅助构建虚拟化水闸工程可视化模拟场景。

水闸机电设备：针对水闸工程的闸门开闭、水闸设备运行态势等要素信息进行仿真模拟，同时结合专业模型算法，对水雨情、水量、有功出力、变形、渗流、发电负荷等关键指标进行多维度综合分析，对异常态势进行实时预警告警，为水闸工程安全运行提供可视化支撑。

3.4.2 防洪联合调度

以数字孪生水闸工程为底座，利用专业模型与知识服务，融合多源数据信息，实现气象水文耦合及预报调度一体化的全面准确预报、及时精准预警、人机互动的同步仿真预演，同时，提供调度指令下达及调度执行情况反馈等功能，为水闸工程联合调度管理决策提供智能化、科学化技术支持。

3.4.3 工程运行管理

以数字化场景、工程安全监测为依托，充分融合数字孪生水闸工程的数字映射和仿真模拟技术，重点聚焦汛期、强降雨等特殊时期，开发工程安全预警分析、巡视巡查、维修养护、运行管理等功能，满足水闸工程安全稳定运行管理业务工作需求。

3.4.4 数字博物馆

立足水闸文化，充分利用水闸工程文化资源，面向公众用户建设水闸工程数字博物馆。基于水闸工程数字化场景，建设线上一站式水闸文化数字博物馆，诠释水闸工程的发展历史，实现水闸水文化展示、数字保护、文化传承的目标。

3.4.5 移动应用

开发移动应用用于提高监测效率和科学化管理水平，实现与PC端的全方位业务汇聚和应用连接，实现信息多端同步、多屏互动、协同办公。

4 结束语

数字孪生水闸工程是数字孪生流域建设的重要组成部分，数字孪生水闸工程业务应用探究为数字孪生水闸工程建设提供了具体思路。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提高能力”的要求，明确需求，坚持数字赋能，依托大数据、人工智能等信息技术，通过数字孪生水闸工程动态掌握流域工程全貌，实现精准定位、影响分析、形势预判，更好支撑上下游、左右岸、干支流联防联控联治。

参考文献

[1] 李国英.建设数字孪生流域推动新阶段水利高质量发展[N].学习时报，2022-06-29（001）.

[2] 蔡阳.数字孪生水利建设中应把握的重点和难点[J].水利信息化，2023（3）：1-7.

[3] 谢文君，李家欢，李鑫雨，等.《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》解析[J].水利信息化，2022（4）：6-12.