数字孪生技术在水库大坝及灌区信息化建设中的应用

马宏伟

（北京中水科工程集团有限公司，北京 100048）

引言

目前，我国各主要水库及灌区均建立了大坝安全监测信息的收集和管理体系[1]，可以对大坝进行数据采集和安全管理，但是，不能及时、有效地分析和诊断水坝及灌区的安全情况，不能满足多层水库和储灌区域的安全管理，为此，应从工程与非工程的角度，引入新理论、新技术和新模式，改善水库和灌区的安全管理工作。随着物联网、边缘计算、云计算以及数字孪生等技术的不断发展和进步，为水库大坝的安全管理提出了新的设想。

数字孪生技术是将物理模型、传感器更新、运行历史等综合起来的多学科、物理量、规模和概率的仿真技术。事实上，数字孪生技术是基于某种特殊设备或系统而形成的“克隆体”。

数字孪生系统以信息技术平台为基础，与设计图比较，该数字孪生系统最大的特点是可以实现对物体的动力学仿真。它的“动”，是建立在本体的物理实体模型之上，还会得到来自于身体表面感应器的反馈和关于本体论的历史资料。“孪生体”的实时状况以及所处的周围环境，都会在“身体里重现”。数字孪生不仅具有“会动”的特性，还具有“全寿命”“实时/准实时”“双向”等特征。

在其它产业中，数字孪生已经得到了广泛的应用，与其它项目相比，水库坝体及灌区具有从设计、施工、运营和管理等全过程，因此，必须要把数字孪生技术和大坝有机地结合起来，数字孪生技术在水利领域的应用必然会使传统的水利管理方式发生变化，为水库大坝及灌区管理提供了一种更为方便、科学的技术方法[2]。

1 当前水库大坝及灌区信息化现状

目前，我国各大港口企业普遍认为，水库大坝及灌区由机械化进入智能化时代，并在业内形成了一股合力。2017年2月初，交通部发布《关于开展智慧港口示范工程的通知》，沿海水库和灌区的建设，都在以人工智能为突破口参与其中，利用智能管理系统，可以极大地降低码头的经营管理费用，减少产品制造、贸易等环节，逐步降低水库大坝、灌区交易和物流链条各个环节的费用，从而创造更多的间接效益。因此，运用现代化的智能技术已成为港口发展的必然趋势。

随着水库坝址和灌区装卸货物种类的不断细化，装卸设备的科技水平不断提高，由于装卸过程越来越复杂，仅凭经验是不可能实现的。国外已在水库大坝和灌区信息平台上进行了相应的研究，通过信息存储、人工智能、AIS和云计算等大数据技术，持续改进水库和灌区设施的现代化程度。我国的水库和灌区的信息化建设平台也在迅速发展。

2 大坝安全及灌区管理的数字孪生技术

为了实现水库大坝及灌区的数字化运营和安全管理，开发了一套高性能、可扩展、易使用的数字孪生技术。

2.1 大坝及灌区安全数字孪生应用需求体系

根据国家、地方政府的相关政策文件及业主需求，全面部署，顶层设计，通过对水库、油库工程、管理和信息化建设的现状进行调研，从工程概况、业务管理、系统应用等多方面入手，对数字孪生应用系统的发展现状进行了深入的剖析，明确了安全监控业务的关键点和双应用技术的重点。

2.2 大坝及灌区安全运行管理体系与数字孪生应用框架

综合调研业务需求、发展趋势，对“一页一图”“基本信息”“水雨情”“预报调度”“安全监测”“视频监控”“闸门监控”等系统管理业务流程、指标体系、运行体系等方面进行了详细阐述。

2.3 大坝及灌区安全数字孪生应用标准组件库

基于企业内部逻辑，建立了包括BIM、GIS、倾斜摄影等多个立体显示模块的模块库。由水工建筑物、监测断面、监测点等组成的组合式安全监测体系，包含雨量计、渗压计、流量计、温度计、GNSS和应力计等模块，由水质模型、气象预报模型、水文预报模型、调洪演算模型、防洪调度模型和大坝安全预测预警模型等构成，由弹窗、列表、饼图、柱状图等构成模块库。集成组件开发、封装和接口技术，实现组件、业务、应用和平台的集成[3-4]。

2.4 大坝及灌区安全数字孪生支撑平台

采用标准化、模块化、可视化和智能化的开发思路，建立了水库大坝安全监控系统的总体框架，并通过图形化的编辑方法，根据具体工程的实际工作要求，在可视化环境下进行组件组装，减少了开发人员的工作量，提高了工作效率，达到了低成本、高效率、用途广泛的目的。该支撑平台能够支持三维可视化数字化场景，包括空间数据、BIM模型数据、业务数据、感知数据和多媒体数据等多种数据资源的无缝整合，并实现了与现实生活的动态映射。

3 数字孪生技术在水库大坝及灌区运行管理中的应用研究

3.1 应用分析

在信息技术飞速发展的今天，大数据、云计算、物联网等技术已经成为信息技术发展的一个重要方向。数字孪生技术是目前智能领域中一个新的研究热点，也是复杂系统的智能化操作与维修中的一个重要课题。水库大坝及灌区的运营管理，涉及到监测、预警、调度和维护等业务，也涉及到对资源的收集、储存等方面的规划。以此为基础，构建一个数据中心，实现数据的整个生命周期采集、存储、交换、更新和共享。在这一过程中，数字孪生技术可以为水库及灌区的整体管理提供有力的技术支撑。

随着信息技术、自动化和通讯技术的飞速发展，信息资源短缺、数据整合能力差、开发利用效率低下等问题正在逐步得到改善。

3.2 运行机制

在信息空间中，利用几何、物理、行为、规则等多种不同的方式，建立了一个基于数学、行为和规则的数学模型。在此基础上，通过对状态感知、分析、决策、执行等过程的闭环管理，实现了实体空间与信息空间的实时互动。

3.3 单元级水库大坝及灌区数字孪生系统

每个库坝及灌区的数字孪生系统都能感知、计算、分析相应的监控对象和环境，水库、灌区的物质世界和信息世界能够相互交融，具有可感知、可计算、可交互、可扩展和可自主决策的最小单元。运用现代信息技术，实现了对水闸、水轮发电机组、输水隧洞、水渠、雨情和水情等物理实体从几何、状态、行为、变化等方面进行全要素重建，即通过构建相应的数字孪生系统，对水利工程实际空间的运行状况、变化趋势（如水位变化、电压变化、配电设备等）进行实时跟踪，利用大数据、机器学习等技术，对数据进行实时分析与处理，并根据实际情况，做出有效决策。

本文以闸门启闭机水库及灌区数字孪生系统为实例，利用感知模块获取闸门启闭机的各种信息，其中包括闸门启闭机的外形、启闭力、启闭行程和闭合速度、启闭机功率状态、空间尺度、闸门振动等，对闸门开闭器的几何模型、物理模型、行为模型等进行分析。在闸门运动过程中，如果闸门运动模式出现了明显的跳高或提高，则会自动切断，并向工作人员汇报故障的原因。在检测到开启高度的振动时，可以向闸门开启装置发出控制指令，调节打开高度，调整后的状态会被反馈到虚拟模型中，反复计算，避免出现震动。通过使用支持向量机、动态贝叶斯等数据挖掘技术以及知识库、经验库等，对闸门启闭机的安全性能进行了研究。

3.4 系统级水库大坝及灌区数字孪生系统

系统级的水库和储罐数字孪生系统，基于其所有的单位级数对系统，利用状态感知、信息交互、即时分析等方法，改进了水库及灌区的管理和决策能力，从而达到资源的总体分配。采用现场总线、以太网、无线网络等技术，实现了多个单位层次的数字孪生系统的互联和互操作，并实现了各功能模块间的数据自动流通，从而使水库和储灌区域的资源优化配置得到更好的发挥。系统级水利数字孪生系统综合考虑了各单位级水库及灌区数字孪生系统的数据及其相互关系，实现了对各模块的统一调度，提高了各单位级数字孪生系统的协同工作能力，确保了水利项目的安全。

4 关键技术

在技术路线的选择上，综合运用了物联网、3S技术、云计算和大数据等先进技术，实现了对水库大坝及灌区安全管理的统一。

4.1 基于混合存储架构的大数据存储方案

经过多次的实验与对比，最后选定了MongoDB的DB分布式内存，以及MySQL，用于基于关系的数据和时间。提出了两种混合数据存储器方案，即原始的数据存储器和结果的存储器。本系统采用ETL技术，将各个水库、灌区域的原始资料、水文气象资料和地形地貌资料等数据收集起来，然后归档。建立了一个基于MapReduce的Hadoop分布式计算体系结构，主要内容有：水文预报模型、调度演算模型、气象预报模型、回归分析模型、相关性分析模型、浸润线分析模型、渗透坡降分析模型和模型容量扩展接口。利用集群模型对结果进行分析，把得到的资料汇集在一个复合内存里进行备份。采用微服务集群访问的方式，实现了心跳管理、负载平衡和服务权限管理。应用WebAPI，为水库管理、水资源管理、流域管理以及其他服务机构提供数据服务[5]。

4.2 多级缓存热点数据交互方法

为了提高速度，通过缓冲暂时将数据保存内存中。为了提高系统的性能和使用效率，减少重复访问和计算过程的消耗，需要对高频热点数据进行高速缓存。

在大数据环境中，利用Redis集群缓存技术，可以减少数据的平均损耗，可以访问数据簇，能快速发现高频异常数据，并能对热点信息进行统计和分析。

4.3 BIM+GIS融合技术

BIM+地理信息系统集成技术问题研究，利用三维BIM模型和3D地图技术，实现了BIM数据的数字孪生。利用当前国内主要的GIS软件，可以无损地接入BIM的主流数据，准确地与GIS系统进行BIM数据匹配。实现了BIM数据与三维实体模型的无缝对接，并以GIS为平台，以BIM+GIS为基础，为BIM+GIS的应用提供技术支持和平台支持。

5 创新点及社会效益分析

利用该数字孪生技术，对目前已有的水库大坝和灌区信息系统实现了创新。

1）建立了与现实一致又高效的实时监控系统和数字孪生系统，并将这些信息融合在一起，进行分析、判断，制定出合理的计划。对水库坝址、储灌区域进行调度、管理，节约人力、物力和时间。

2）利用人工智能技术和云计算技术，搭建平台，打通后方管理平台、水库大坝和灌区区域的信息屏障，基于云端的数字孪生技术，对多个异质信息进行统一、同步和预处理，实现了身份识别系统、RFID、雷达、AIS、CCTV、机械设备和船用设备等信息的同步、预处理。

3）基于4G/5G通信技术，以智能手机为终端，将库区、大坝、灌区、闸门、现场机房和控制室等关键节点连接起来，形成一个统一的“数字孪生”体系。在雷达、视觉深度处理、工业总线、激光雷达以及毫米波雷达等手段支持下，极大地提高了“数字孪生”的感知和整合功能，并把实时数据与信息系统结合起来。

4）搭建云服务平台，与操作维护人员的手机APP相连，提高水坝本身的智能监控功能；从参与大坝安全监督管理的角度出发，采用“数字孪生”技术，为不同的用户提供数据和控制界面。最后，在不增加现有基础设施和运营费用的情况下，进行最优整合，提高水库整体大坝、储灌区及其相关水系的服务效率。

5）通过对系统内应力应变、渗流渗压、变形监测、动态监测乃至水雨情的各种信息的收集和整理，并保障消息的实时性与可靠性，通过系统提前进行预判和管理，解决了以往水库大坝及灌区依靠人的视觉和经验来管理的比较落后的模式。

6 结语

数字孪生技术实现了对水库大坝及灌区全生命周期、实时和准实时的双向信息传输，提出了水利信息化的新思路、新技术、新模式。数字孪生技术在水库大坝及灌区的应用还处于起步阶段，为了能与现实接轨，要在理论、技术和信息化方面进行探索，在信息化的认识和方法创新上，都要与GIS、BIM技术紧密结合。本文所开发的“数字孪生”技术平台，对中国大坝及灌区安全管理和运营具有一定的参考价值。