数字孪生技术在水利工程运行维护管理中的应用

摘要：为提高山东省济南市卧虎山水库至锦绣川水库联通工程运维管理水平与管理效率，实现精准预警与综合性维护，通过采用高精度建模、图模一体和MR混合现实等技术，建成了集人工智能、物联网和大数据分析技术的智慧水务AIOT数字化平台。平台包含“市-域-站-机”四级数字孪生场景，模拟了泵机周边水流和设备运行情况，并包含竣工图模一体联动交付、线上线下协同AR巡检、MR元空间泵机安拆培训等特色应用，支撑工程竣工及运维快捷管理，实现运维管理数据精益赋能、运维管理在线协同。实际应用表明：平台可提高约60%物联网设备对接速度，减少约90%人工统计工作量，整体效率提升20%。

关键词：工程运维管理； 人工智能； 物联网； 大数据； 数字孪生

中图法分类号：TU992.03文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.028

文章编号：1006-0081（2024）S2-0104-04

0引言

传统的人工管理模式不能满足日益增长的水务需求及其复杂的运营环境。智慧水务系统提供了一种高效、精确、可持续的管理方式，通过数字孪生、BIM、人工智能、物联网等技术，提高了水资源的利用效率，并降低了运营成本。系统可做到现场实时可控，实现智慧水务系统的自动化决策和优化，并为水质监测、供水保障等提供更好的服务，具有重要的社会和经济价值。然而，目前在水质监测、供水调度等方面，智慧水务系统领域的大数据分析和挖掘技术应用尚不成熟，安全性和隐私保护问题有待解决，存在水务系统无法与水务管理部门、企业以及用户进行良好协同互动，系统与外部环境集成和优化效率差等问题。

在水利工程管理与信息化手段结合方面，陈利、李海霞［1-2］在水务领域信息化、智能化与大数据分析结合方面提出了一些方向性意见，可在一定程度上指导后续水务系统信息化转型工作的开展。张惠莉［3］在水务系统安全生产标准化建设探究上给出了方向，建立了安全生产标准化相关指标。王权森、徐智勇等［4-5］针对数字孪生与水务系统结合方面，指出了实现思路以及面临的挑战，但对信息化技术与水务系统综合应用的研究深度不足。

本文以山东省济南市卧虎山水库至锦绣川水库连通调水工程为例，研究智慧水务的发展趋势和相关政策法规，探讨其在提升水资源利用效率、改善水环境质量和保障供水安全方面的重要作用。

1工程概况

卧虎山水库至锦绣川水库连通调水工程位于山东省济南市历城区，工程起点在卧虎山水库北岸，终点为锦绣川水库西岸，管道沿水库环路北侧、河道及滩地内铺设，全长16.36 km。卧虎山水库至锦绣川水库连通调水工程的实施，将有效改善济南南部地区供水状况，提升城市的水资源利用效率［6］。

目前，对卧虎山水库自动化管理模式已有一定的研究，大多侧重于研究水库环境、水文状况或利用普通软件系统改善管理模式［7-11］，将数字孪生技术应用该工程运维管理的研究较少。本文重点研究通过信息化手段提高卧虎山水库至锦绣川水库联通工程运维管理水平与管理效率。

2平台体系架构

智慧水务AIOT数字孪生平台通过采用高精度建模、图模一体和MR混合现实等先进技术，系统建立“市-域-站-机”四级数字孪生场景，真实呈现了项目地形面貌，并模拟了泵机周边水流和风流运行情况，构架见图1。平台具备调取监控、泵组、风机、液位等多种功能模块数据的能力，可根据不同层级应用场景实时调取信息，并能够及时有效报警，以防止危险事故的发生。此外，系统还能够进行故障定位，实现精准维修，采用了多页面可视化数据驾驶舱，以更好地展示数据状态和重点告警信息，提供直观的展示效果，大大提高了检修的便捷性。系统将建立综合性、全面性运维体系，提升“两库三站一连通”的智慧化可视度和运行管理水平［12］。

在APP端，移动端数字孪生运管平台用于辅助运管人员的日常维护和检修工作，建设集成了竣工图模一体联动交付、线上线下协同AR巡检、MR元空间泵机安拆培训等特色应用，能与PC端主运管平台交互联动，快速查看现场设备信息与预警通知；支撑工程竣工及快捷运维管理，实现运管数据精益赋能、运维管理在线协同。

智慧水务AIOT数字化平台是一个集成人工智能、物联网和大数据分析技术的智能化平台，本着实用性、整体性、可靠性、可扩展性、开放性和标准化等设计原则，实现对水务系统的全面监控和管理，提升了工程运行效率，并为决策提供准确的数据支撑［13］。

3平台关键技术

数字孪生、BIM+AR、BIM+AI、物联网等技术的融合应用与智慧水务一体化综合管理仿真场景的构建，有助于健全水务系统管理机制，提升一体化管理水平。该平台将数字孪生技术与物联网、AI算法相结合，开发了高精度数字孪生智慧水务平台。将多源异构数据与高精度数字孪生模型相结合，对数据进行智能化分析，并在模型中展现，打造水务智慧“大脑”，提高现场管理效率。

平台将BIM+AR建筑信息融合应用，在重点设施、管线明显处张贴AR二维码，如泵机、阀门等重点设施，管理人员可快捷获取设备AR三维模型，并通过AI交互获取设备，构件的名称、尺寸、标高等运检重点信息。平台基于BIM+AI识别多源信息交互应用，研发了基于移动端的电子图纸与BIM信息模型AI自动匹配功能，基于Unity 3D引擎平台实现了电子图纸区域与模型匹配吻合，基于C#语言驱动，实现了手机或Pad端查看电子图纸，触控任一区域即可激活BIM信息模型，得到虚拟现实效果。

4平台功能分析

4.1LOD400级数字孪生BIM高精度模型

平台采用LOD400及以上钢筋级BIM高精度建模，搭配GIS，构建高精度的BIM数字孪生模型，依据图纸并结合现场实际情况，实现“模型+实景”的全面展示。

4.2“市-域-站-机”四级数字孪生架构

以数字化场景、智慧化运营、精准化决策为主线，构建“市-域-站-机”4层平台，打造多系统运维“一张图”管理体系，实现事前预防、事中预警、事后分析的可视化线性水务工程指挥调度平台，见图2。

4.3数字孪生警情闭环处置

通过对泵站内部、外部及输水管线区域的智能化设备进行孪生检测，采用高精度数字孪生仿真出警情效果，实现对泵组运行状态、风机运行状态、管线状态、液位报警、漏水等生产项的高效监测及处置（图3）。

4.4AR增强现实可视化巡检

应用AR增强现实技术及AR二维码识别技术，在泵站内部的重点设施明显处张贴AR二维码，通过移动端设备扫描二维码，可快捷获取设备AR三维模型，并得到设备、构件的名称、尺寸、标高等运检重点信息（图4）。

4.5图模一体化竣工图纸模型联动交付

应用图模一体化技术，在查看竣工图纸的同时，触控任一区域，即可在电子图纸上呈现出3D建筑设计，并可对其进行旋转、缩放，控制图纸显隐，点击“管线”可显示出对应的载体信息（图5）。

4.6MR数字孪生培训

应用MR混合现实技术，对重点设备等高精度数字孪生模型进行构件细化与动态分解，支持点击构件即显示其名称、尺寸、标高等重要信息，以第一人称视角进行虚拟空间下的模拟培训（图6）。

4.7智慧一张图

联动泵站内、外及沿线的智能化预警设备，对机组状态、水库数据等进行数据分析与闭环管理，打造多系统运维“一张图”管理体系，实现事前预防、事中预警、事后分析。

4.8多端协同

运用数字孪生、BIM+AI、大数据、5G及物联网等技术，以数字场景、智慧运维、精准决策为主线，构建分级管理权限客户端，形成驾驶舱级监管，建立“后台+前端+移动端”三位一体的多端协同综合处置平台。

5应用成果

平台将数字孪生技术与水务运维进行有效结合，打造山东省首个基于LOD400级数字孪生智慧水务平台，做到风险早识别、早预警，大大提高了泵站运维的稳定性与可靠性。通过对数字孪生、物联网、AI算法等技术的应用，实现了泵站级的数字孪生精细化管理，为全水域的数字孪生管理平台奠定基础。

平台运用智慧物联技术，提高约60%的物联网设备对接速度，统一管理网络通信组件，提升物联数据传输稳定性；打造全数字化管控平台，实现便捷管理、分级授权和加强风险管控，减少约90%人工统计工作，实现现场的管理、协同、预警等，使整体效率提升20%。

6结语

本文以卧虎山水库至锦绣川水库连通调水工程智慧水务AIOT数字化平台为案例，介绍了数字孪生、人工智能、物联网等技术在水务运维管理中的应用经验，并对当前智慧水务运营平台的现状、面临的挑战以及未来的发展方向进行了分析。对数字孪生、AR巡检、MR培训等先进技术在水务运营管理过程中的应用进行了有效探索，可为未来智慧水务发展提供参考。

对于数字孪生技术应用于水利工程运维管理，可通过引入机器学习和人工智能等技术，实现模型的自动优化，提高建模精度和预测能力。利用先进的传感技术、无线通信和大数据分析等技术，对水库进行实时监测并分析水库的运行状态、结构健康度和环境数据等，提供智能化的故障诊断、预测维护和优化调度建议，实现水务运维管理的安全高效运行。

参考文献：

［1］陈利.对水利工程建设管理信息化、智能化的几点思考［J］.农业科技与信息，2022（21）：126-128.

［2］李海霞.大数据背景下智慧水利的应用［J］.山东水利，2020（9）：54-55.

［3］张惠莉.水利工程管理单位安全生产标准化建设探究：以北京市水务系统某单位为例［J］.甘肃水利水电技术，2023，59（4）：40-43.

［4］王权森.长江中下游行蓄洪空间数字孪生建设方案构想［J］.人民长江，2022，53（2）：182-188.

［5］徐智勇，舒德伟，陈昌黎，等.数字孪生市政排水综合管理与预警调度平台设计与应用［J］.水利水电快报，2023，44（8）：112-116，126.

［6］张奇伟，赵树成.大型数字孪生水库建设思路探索［J］.水利技术监督，2022（9）：41-44.

［7］曾焱，程益联，江志琴，等.“十四五”智慧水利建设规划关键问题思考［J］.水利信息化，2022（1）：1-5.

［8］李政，时静，曹岳阳.济南市卧虎山水库溢洪道过流能力分析［J］.山东水利，2023（6）：80-82.

［9］李森，王冬梅，刘淑萍.卧虎山水库增容对周边环境影响分析［J］.山东水利，2020（2）：1-2.

［10］赵延勇，王冉.卧虎山水库：水生态系统的一颗明珠［J］.走向世界，2016（51）：34-36.

［11］李炳，商超，王新.卧虎山水库大坝自动化监测系统改造设计［J］.山东水利，2022（4）：8-10.

［12］许建国.基于数字孪生的供水协同决策支持平台建设与应用［J］.给水排水，2022，58（10）：185-190.

［13］许雪乔，刘杰，林甲，等.再生水厂运营数字化转型的赋智方案及工程实践［J］.给水排水，2022，58（1）：137-143.

（编辑：李慧）