数字孪生技术在智慧水利工程中的应用与发展阐述

史亚平 王佳丽 徐世雄

1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司勘察分公司 江苏 扬州 225000

2.江苏省工程勘测研究院有限责任公司 江苏 扬州 225000

水利工程作为协调水资源为社会发展提供服务的作业，对于社会的发展具有很大的影响，所以水利工程的功能发挥就成为相关单位的作业要点。智慧水利工程作为借助先进设备以及技术对水利工程进行调节和控制的作业，能够在保证水利工程作业质量的基础上加快工程的作业效率，很大程度上满足社会发展的需要。然而智慧化水利工程具有很强的技术性，作业环节需要先进的技术设备以及专业的技术人员支撑，所以智慧水利的落实还需要数字孪生技术的引进。在此背景下，就需要相关人员加强对智慧水利以及数字孪生技术的研究，科学合理地将数字孪生技术应用到智慧水利作业中，以满足社会发展的需要。

图1 数字孪生技术示意图

1 数字孪生技术以及智慧水利工程概述

1.1 数字孪生技术以及智慧水利的概念

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。而在现阶段水利工程的发展过程中，随着社会对水利工程的需求不断提升，智慧水利逐渐成为社会发展的关键[1]。智慧水利是在以智慧城市为代表的智慧型社会建设中产生的相关先进理念和高新技术在水利行业的创新应用，能够很大程度上提升智慧水利工程的作业效率和质量，从而推动社会的发展。

1.2 智慧水利工程以及数字孪生的必要性

图2 数字孪生技术的结构

对于数字孪生技术来说，其最主要的优势就在于实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈。在此背景下，专业的技术人员就能够将现实世界发生的各项事件转化为数字信息，并且形成带有回路反馈的全生命跟踪，落实真正的全生命周期概念。这样一来，相关人员就能保证数字世界和物理世界的协调一致，并且在数字化的基础上借助计算机等设备对现实世界的各种物理特点进行模拟研究，直接规避实际作业可能出现的隐患，深入推进科学技术的发展。而且对于智慧技术来说，智慧系统只有通过感知、建模才能够实现对现实生产体系的准确模型化描述，所以数字孪生技术也就十分必要。而对于智慧水利工程来说，由于暴雨洪涝等水利灾害容易对城市经济、人民生命财产造成严重伤害和巨大损失，水利工程就需要在保证水资源合理调配的基础上满足灾害治理的需要，技术要求较高，传统的水利工程就难以满足社会的发展需要，要求作业人员对现有的水利工程进行优化升级，在原有功能的基础上进一步升级，以满足现阶段社会发展的需要。智慧水利工程作为水利工程的智能化作业，借助先进的技术设备实现了水利工程各项作业的智能化调控[2]。一方面在事前对当地的水源状况进行调查，了解水源的潮汛、涨落潮、凌汛以及洪峰等特点，并且结合先进设备实现对其的实时监控，以方便后续水利工程的施工建设。另一方面，智慧水利工程通过利用先进的信息科学技术实现水利工程设施智能化管理和运行。针对现阶段存在的洪水防洪调度、水旱灾害防御以及应急推演等状况进行预报、预警、预演以及预案，从而有效地降低水利灾害对城市的影响，实现水利工程的可持续发展。

2 智慧水利工程中数字孪生技术的难点

实际作业环节，数字孪生技术虽然能在很大程度上推动智慧水利工程的发展，但是由于二者具有很强的技术性，再加上各种现实因素的影响，现阶段的水利工程数字孪生技术应用还存在诸多缺陷，需要相关人员加强对其的研究。

2.1 数据管理方面的问题

智慧水利工程相较于传统水利工程的区别之一就在于数据的大量转移，所以实际的发展过程中智慧水利工程就需要进行大量的信息处理。而且数据作为虚拟体模拟仿真和决策的依据，数字孪生技术要想建立起相关模型就需要通过信息技术进行大量的信息收集，以保证后续作业的开展。但是实际的作业环节，水利工程数字孪生技术在应用过程中收集到的原始资料往往会夹杂有大量的无用数据以及噪声，造成信息的误差，进而制约数字孪生技术的精准度。所以实际的发展过程中，数据质量就成为制约智慧水利工程数字孪生技术落实的关键，需要相关人员结合实际进行研究，建立起质量管理机制，以保证数字孪生技术数据获取符合物理实际，推动水利工程智慧化的发展。

2.2 数字模型的构建问题

现阶段的数字孪生技术一般是将现实世界的物质变化转化为信息数据的技术手段，而要想对数据进行合理的应用，还需要数字孪生技术的作业人员在虚拟世界建立起数据模型，更加直观地将水利工程展现在作业人员面前，以保证作业的需要。然而实际的数据模型建立环节技术性很强，就还存在一些难点。首先是模型边界问题，水利工程作为对自然界水利系统的调节工程，和自然界之间的边界一般由人员构成，所以边界的设计就需要设计人员合理地进行设计，以保证相关作业的需要；其次是数字模型的参数率定问题，水利工程主要承担水源调动的任务，承担很大的水源压力，所以为了保证水利工程的质量就需要明确其基础参数。作业人员需要收集河道的形状、宽度以及长度等，容易出现失误[3]；然后是模型的选择问题，现阶段的智慧水利工程建模一般基于历史数据用深度学习模型做局部模型的替代，但是深度学习模型存在新的输入超过它的经验数据范围后，输出的结果无法把控的状况。也就是说深度学习模型的输入输出不能超越它的经验范围，很大程度上制约模型功能的发挥。

2.3 接口设计以及集成问题

实际作业环节，数字孪生系统一般由多个子系统构成，而且这些子系统由不同的单位承建，要想保证子系统功能的发挥，实现整个系统的稳健运行，就需要合理地进行边界设计和接口设计。但是实际作业环节，部分企业之间的联系不够深入，就导致相关人员在实际的发展过程中难以和外界进行充分的交流，参数的设计也就容易出现纰漏，很大程度上制约相关作业的开展，影响子系统之间的耦合。而在集成方面，由于多数子系统来自不同的企业，部分时期就出现设计标准以及参数之间的差异，再加上企业之间缺乏沟通，就很大程度上制约子系统的结合，影响集成的落实。

2.4 系统功效评价方面的问题

数字孪生系统建设复杂，会在多个系统间产生数据交互。在工程中一般遇到的问题是数字模型和信息化系统耦合性太强，导致调试运行时互为掣肘，难以理清头绪。而且智慧水利工程的效果评价也存在一定的难点，智慧水利工程下的设备系统同为一个整体，各个系统之间协调作业，很难对单个系统的功能进行明晰，相关人员在进行功效评价之时还存在一些难度[4]。而且数字孪生技术下的智慧水利工程一般很难出现失误，也会制约功效的评价。再加上部分单位对于效果评价的重视程度不足，也会在一定程度上制约效果评价作业的开展。

3 数字孪生技术在智慧水利工程中的应用与发展

实际作业环节，由于数字孪生技术在智慧水利工程中的应用存在一些难度，一定程度上制约水利工程的发展，所以实际的发展过程中就需要相关人员结合实际对其进行研究，结合数字孪生技术的实际将其科学合理地应用到指挥水利工程中。

3.1 水利业务赋能

3.1.1 流域总揽，感知大规模的跨地动态

实力作业环节，智慧水利工程需要对流域状况进行总揽，方便相关人员结合实际进行协调。数字孪生技术就能够借助专业的技术手段建立起流域一张图，并且整合水利工程流域内的各项数据进行整合，调查流域内的江河湖泊、电站以及重要设备位置等的分布、范围以及类型等并进行综合监测。然后再结合关键指标进行可视分析，对流域内的动态进行管理。

3.1.2 实现水利枢纽以及重点设备的精细化管控

在数字孪生技术的支持下，相关人员就能够对水利工程的枢纽、坝体、地形地貌以及电站机组等在计算机上进行模拟，建立起专业的模型，实现对其的动态化掌控。而且数字孪生技术还能够针对水利工程区域内的天气状况、流量、降水量以及工程参数等信息进行收集，并且通过专业的模型计算方法对工程的闸门与泵站等设备实现远程控制，进一步落实设备的精细化管理。

3.1.3 水库蓄水调度的科学分析

相较于传统的水利工程来说，智慧水利工程的特点之一是落实了工程作业的智能化管理，技术性很强。数字孪生技术就能借助专业的设备将各项数据集中到计算机中，帮助水利单位建立起水库监测管理系统。在此基础上，该系统就能够对水利工程的来水预报、水量分配以及水量调度等分析，确定水利工程可能遇到的作业状况，并且结合水利工程的实际承载能力确定平衡蓄水和泄洪等作业，在对水利进行协调的同时降低水利工程的压力[5]。而且该技术下相关人员还能够对水库调蓄能力不足、水位超限等异常态势进行可视化预警告警，提升水库运行监管力度。

3.2 数字孪生底座赋能

3.2.1 三维超大范围数字孪生流域态势呈现

数字孪生技术拥有超高的渲染能力，借助三维渲染核心，就能够实现跨地域、跨流域以及超大范围的水利态势实时渲染，将水利工程中的水库、闸门以及流域状况等要素进行精细化的复现，将水库的各项功能直观地展现在相关人员眼前，方便进行后续的作业。而且渲染还能够实时地模拟四季、天气、昼夜以继日照的变化，在计算机上模拟出水利工程的实际运行外界环境，高拟真复现物理环境效果，并支持与真实世界同步，进一步深化工程的智慧化。

3.2.2 多源数据高效融合

数字孪生技术本身由多个子系统组成，而且智慧水利工程涉及面较广，所以数据的整合也就成为现阶段社会发展的关键，需要相关人员结合实际进行研究，以保证相关作业的顺利落实。现阶段的数字孪生技术支持BIM、倾斜摄影、无人机航拍、高精度高程等多类型地图数据高效集成，就能够借助各项技术以及设备对区域内的地质状况进行资料收集，在降低作业难度的基础上更加完善地进行资料收集，满足实时数据监测需求[6]。而且该技术还能够和监控系统相结合，进一步收集作业环节存在的隐患，实现多源数据的智能关联分析，为用户决策研判提供全面、客观的数据支持和依据。

3.3 基础平台赋能

3.3.1 通信融合

数字孪生技术还能够实现通信融合，实际的发展过程中，该技术还支持视频会议、广播以及实景指挥等技术的应用，进而实现各个系统之间的互联互通，满足数据交换的需要，进一步提升通信指挥效能。

3.3.2 数据分析

针对园区现有多源、异构、海量数据，可提供丰富的可视化分析手段，结合专业分析算法和数据模型，按照业务需求进行多维度并行分析；支持数据实时显示、态势历史回溯、上卷/下钻/切片等数据分析支持，辅助用户深度挖掘数据价值，为管理决策提供科学、全面的依据。

4 结语

现阶段水利工程的发展过程中，由于社会对水资源的需求不断提升，传统的水利工程管理技术就难以满足社会发展需要，在此基础上作业人员就需要结合先进技术，将数字孪生技术引进到水利工程中，实现智慧水利工程的建设。然而数字孪生技术以及智慧水利工程的技术性很强，二者的落实还存在一些难度，在此背景下，作业人员就需要通过结合实际对数字孪生技术的应用进行研究，保证相关作业的顺利开展。