临淮岗数字孪生工程建设研究和探索

李君廷

(安徽省临淮岗洪水控制工程管理局，安徽 合肥 230088)

加快数字化高质量发展,建设数字中国,是大势所趋。推进智慧水利建设,是建设数字中国的重要组成部分。2022年3月22日,水利部部长李国英提出将智慧水利建设提上日程,并提出智慧水利建设应以“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”为要求,以“预报、预警、预演、预案”四预功能为目标[1],实现水安全风险从被动应对向主动防控转变。

临淮岗洪水控制工程管理局为积极响应智慧水利建设要求,探索数字孪生工程建设技术和工程调度全过程仿真应用,立足临淮岗洪水控制工程(以下简称“临淮岗工程”)实际,提出临淮岗工程数字孪生建设的总体框架和任务,运用三维建模、数字映射、虚拟仿真等技术,结合工程调度需求,形成数字孪生临淮岗工程智慧应用,进而提升临淮岗工程防洪调度能力以及工程运行科学化、精准化、高效化水平。

1 工程概况及信息化现状

1.1 工程概况

临淮岗工程(见图1)处于淮河流域中游,位于颍上、霍邱、阜南三县,线性布置横亘于淮河之上,坝体由8.54km主坝、8.41km南副坝和60.56km北副坝三部分组成,其中临淮岗船闸、深孔闸、浅孔闸和姜唐湖进洪闸由南至北依次坐落于主坝之上,南北副坝上布置有50座穿坝涵闸和陶坝闸、张集闸2座中型水闸,姜唐湖退水闸、城西湖退水闸隶属临淮岗工程洪水调度运用。工程同上游大型水库、沿淮行蓄洪区、分洪河道一起构成淮河中游多层次综合防洪体系,使淮河中游正阳关以下地区防洪标准达到百年一遇,被誉为“淮河上的三峡工程和小浪底工程”,结束了淮河中游无大型洪水防御控制性工程的历史[2]。

图1 临淮岗工程鸟瞰图

1.2 信息化现状

临淮岗工程已竣工安全运行15年,管理单位积累了一定的管理经验。临淮岗工程信息化建设起点高、规模大,但因工程建设期间施工单位多,信息系统集成整合不到位,后期受维护经费限制,加之当今全球信息化技术的飞速发展,导致临淮岗工程信息化与智慧水利建设明显滞后,突出表现在以下几点:

a.水利信息化基础设施建设较为薄弱,缺乏完善的雨水情、工情智能化采集设施,一些基础数据的采集还依赖人工作业。

b.已建成的大型水闸自动化控制系统硬件厂家元器件更新换代且缺乏专业人员维护,损坏后难以及时修复。

c.业务应用系统尚处于起步阶段,数据储存、统计分析、综合应用等系统还未建立。

d.不同部分之间存在数据资源不对等、信息不能共享的现象,无法充分利用大数据、人工智能等技术进行数据整合、分析、优化和辅助决策。

2 数字孪生临淮岗工程建设思路研究

数字孪生临淮岗工程建设围绕新阶段水利高质量发展的要求,积极践行“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路,结合临淮岗工程管理现状,以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径[3],充分运用新一代信息技术,以数字地形为基石,以倾斜摄影模型、BIM模型为重点,对临淮岗工程进行全要素数字化映射;强化信息技术和水利业务深度融合,以数字赋能工程防洪、水资源管理等重点领域,构建具有“四预”功能的数字孪生临淮岗工程体系,提升管理单位水治理和水管理能力。将大数据、数字孪生、人工智能、物联网等新兴数据处理、传输等技术与工程水旱灾害防御、水资源精准调度、工程巡查管理、水行政执法等业务有效地结合起来,通过全量数据实时融合、实时处理与智能计算,形成数据采集、信息整合、综合调度、智能控制、智慧决策全过程智能监控系统,实现临淮岗物理实体工程与数字孪生临淮岗工程之间的数字化映射、同步仿真管理运行,有效支撑洪水防御和工程管理的精准化决策。逐步建成洪水防御、水资源管理、工程管理、水行政执法等各类系统,优先构建工程主坝核心区的数字孪生展示应用,进而逐步覆盖工程管理全过程管控、安全监测、设备养护及水行政执法等,扎实推进分系统模块化建设、数据全方位集成融合的建设思路,各类数据不但能为临淮岗数字孪生提供支撑,也同样能服务于整个淮河流域。

3 数字孪生临淮岗工程总体框架

统筹临淮岗工程信息化现状和管理需求,坚持智慧水利建设要求,研发LHG数字孪生架构平台,以场景全要素表达为基础,以数据信息加载为主线,实现宏观尺度GIS空间地理信息与微观尺度工程三维模型数据、运管监测数据及实时感知数据等多维多元异构数据融合,全面推进算据、算法、算力建设,充分利用数字孪生新技术,深入水利行业服务场景,打造实用先进的信息基础设施和数字孪生平台,建设具有“四预”功能的业务应用体系,逐步提升临淮岗工程防洪调度、水资源管理、工程运管等业务的现代化水平。数字孪生临淮岗工程的总体框架见图2。

图2 数字孪生临淮岗工程总体框架

4 数字孪生建设关键技术

数字孪生工程建设最为突出的是数字孪生技术的应用,相较于传统工程信息化建设,数字孪生工程从信息采集、信息传输、模型融合、交互协同及系统性能等方面,都具有一定的先进性,能够支撑智慧应用。本次临淮岗数字孪生工程建设主要从数据采集和传输、模型融合、交互与协同等方面进行数字孪生技术应用说明,明确各技术定义及在数字孪生工程建设中的作用。

4.1 数据采集和传输技术

数字孪生工程是将物理世界的实时动态数据反映在虚拟世界中,因此数据采集和传输的实时性至关重要。本次临淮岗数字孪生工程建设借助IoT等技术,将复杂的数据采集及传输过程简单化,并且兼顾临淮岗已有的监测体系,适配现有的感知体系,构建集数据采集、数据传输于一体的感知体系平台。

4.2 数据模型融合技术

数字孪生工程建设时,涉及多专业、多领域模型,为实现多模型实时更新、修正、优化及动态评估,从结构、流程、物理场景等角度出发,利用神经网络、遗传算法、强化学习等技术进行针对性建设,进而实现数据模型的融合[4]。临淮岗工程地处淮河流域地形平缓区域,下游水位等要素对上游的水流运动的影响较大,在模型模拟计算时不能忽略,必须在一个时间步长之内进行耦合求解,也就是必须在内层考虑到空间上的耦合关系,外层按照时间循环进行求解。临淮岗工程在防洪调度时通过数值离散构建节点方程,在步长级耦合求解。

4.3 交互与协同技术

数字孪生工程主要是在虚拟世界中,实现物理实体各类参数的模拟与仿真,突出工作人员在虚拟世界的沉浸感,真正做到解放双眼的目标。临淮岗数字孪生工程建设主要利用虚拟现实、增强现实等交互技术,将防洪调度和工程管理中的各类情形进行交互展现,增强防洪调度预演的真实体验感,增强闸门开度、工程管理、运行维护等场景应用的交互沉浸感。

5 数字孪生临淮岗工程建设方向

5.1 构建临淮岗工程智慧防洪“四预”体系

5.1.1 构建防洪数字化场景

基于工程三维地理场景,集成防汛基础数据、监测数据、业务管理数据、社会经济发展等跨行业共享数据,构建临淮岗工程防洪数字化场景,为提高洪水预报精度、提升防洪调度水平等提供数字化基础支撑。

5.1.2 智慧化模拟

在数字化场景基础上,集成耦合洪水推进模型、工程联合调度模型、灾害淹没评估模型,结合预报调度方案库、历史场景库、业务数据库等知识,通过仿真引擎和知识引擎驱动,根据气象预报及洪水预报情况,对河道、水库、蓄滞洪区蓄泄情况进行模拟预演,实现洪水淹没分析、水资源管理与调配等功能的数字孪生三维可视化场景预演展示,为工程精细化调度提供决策支持,实现防洪调度决策的智慧化模拟[5]。

5.1.3 精准化决策

建设智慧防洪调度管理系统,通过防洪数字化场景和智慧化模拟,根据实际雨水情预报情况,开展多目标协同联合调度,形成淮河流域不同水平年、不同工况条件下洪水调度方案,支撑构建临淮岗工程控制运用时的淮河流域水工程联合调度方案体系,为面临强降雨大洪水等灾害天气时科学决策提供支持。在数字流场中提升洪水防御工作中“四预”能力,做到“洪水有预报、预警信息有发布、防汛决策有预演、指挥调度有预案”,全面提升水灾害防御智能调度和精准化决策能力。

5.2 提升临淮岗水资源综合利用精细化管理水平

淮河流域社会经济高速发展,水资源短缺现状日趋严重,迫切要求临淮岗工程调蓄利用好洪水资源。临淮岗水资源综合利用工程是2020—2022年拟开工建设的150项重大水利工程项目之一。在后期临淮岗水资源综合利用工程建设中,积极响应数字赋能号召,认真谋划数字孪生工程建设,建立覆盖临淮岗工程及上游库区范围内的水资源调度管理系统,充分运用仿真模拟、数字孪生、数字映射等技术,在数字流场中实现水资源管理“四预”,合理调配水资源,实现水资源节约集约利用、改善生态环境,提高水资源调配与管理水平,增强决策的快速反应能力和防断流能力,促进社会经济高质量发展。融合智慧防洪调度管理系统和水资源调度管理系统,可以将淮河洪水资源化,抓住洪水的尾巴,将坝上洪水尾量实时滚动计算,实现水资源的合理配置,从而促进临淮岗工程以上河南省信阳市,安徽省阜阳市、六安市相关县区“取、用、耗、排”水资源全过程整合,为建立和完善城乡水资源合理配置和高效利用体系提供“智慧保障”。

5.3 打造工程调度全流程仿真模拟

针对临淮岗工程调度的现状和问题,运用BIM、智能控制、三维仿真、监测诊断等技术,从工程调度日常数据展示、事中过程控制、闸门调度仿真及工程事后模拟评价等角度出发,开展工程调度全流程仿真模拟,打造工程调度可视、可管、可控及全流程预演。

5.3.1 调度数据可视化

工程调度全流程仿真模拟,可以多种角度直观地展示水利工程的运行状态,支持基于地理信息系统,对管理范围内工程及上游库区、关键水位控制测站等管理要素进行综合监测。实时展示大坝主体、坝前水位情况和大坝水闸垂直水平位移以及测压管数据,同时对坝体的结构应力应变信息、气象信息、渗流信息、水质信息等进行实时监测,实现工程调度各类监测信息一屏展示。见图3。

图3 实时监测模块

5.3.2 调度过程各类信息联动化

调度过程中,在三维场景下,融合综合展示信息和成组或单闸控制,提供闸门开闸过程中其前后水位在线监测信息及过程线,结合水位流量过程曲线,实现按照调度指令要求实时调整闸门开度。同时展示安全监测信息与在线视频联动,实现现场闸门开度在线监控,为工程调度、泄洪监管提供支撑。见图4

图4 调度过程各类信息联动

5.3.3 工程调度管理标准化

工程调度管理标准化主要是在三维数字化场景上,融合水位过程线及水位预警信息,同时集成闸门状态及开度,联合在线视频监控,实时洞察水闸泄洪过程中闸门运行状况及现场操作过程,为防汛管理及工程标准化操作提供技术支撑。见图5。

图5 调度仿真模块

5.3.4 调度事后评估智慧化

调度事后评估根据不同调度情形,制定不同的指标体系,实现对调度相关工作的考核评估,稳步推进调度业务高质量发展,从而推进防洪治理工作。本模块是在构建智慧化的调度评估体系并实施防洪调度后,根据灾后统计得出的灾情损失数据,在三维场景下,评价洪涝灾害发生前后过程中各种措施、方案、决策的合理性以及减灾的实际效果。同时,将模块估算的洪水淹没范围、受灾人口及重点设施影响程度与实际统计得出的灾情信息结果在三维场景中进行对比,供决策人员作进一步分析。如果成果对比分析表明模拟结果与实况统计结果相差较大,需在查清原因的基础上,对模型参数、结构做出修改,或对预估灾情信息作进一步分析。

6 结 论

数字孪生模型与传统数字模型如CAD、GIS及BIM等相比,其优势是集成人、机、物三维空间全生命周期在线实时数据持续迭代优化。临淮岗工程数字孪生模型不仅能精准化映射物联感知获得的基础静态数据反映的工程物理特征,还能精准化映射其动态变化规律及洪水演进和预演,在感知手段局限的情况下,可以依靠水利专业及智能模型库和知识库进行推断。本文根据智慧水利、数字孪生工程建设等文件要求,结合临淮岗工程信息化现状和工程管理实际需求,对临淮岗工程数字孪生建设总体框架、建设思路、先进技术、建设方向等进行了研究和探索,希望对临淮岗以及其他水利工程数字孪生建设有一定的帮助和参考价值。