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水利工程数字孪生技术研究与探索

摘要：目前，我国水安全呈现出新老问题交织的严峻形势，严重制约了经济社会发展，加强实用技术推广和高新技术应用，推动信息化与水利现代化深度融合是我们的内在需要和必然选择，数字孪生技术在这样的背景下，受到了广泛的关注和重视。利用数字孪生技术，构建水利工程运行管理中的物理实体与虚拟空间中人、机、物、环境、信息等要素的相互映射、实时交互、高效协同的管理系统，从而更加直观、全面地反映水利工程运行管理过程全生命周期状态，进而实现水利工程智能运行、精准管控和可靠运维。

关键词：数字孪生技术；水利工程；运行管理；应用分析

1对水利工程数字孪生技术的理解

在工业领域，数字孪生技术并不是一种全新的技术，它是系统建模与仿真应用的重要形式，是在物联网技术提供了便捷采集和可靠传输能力、大数据技术提供了海量数据存储分析能力、云计算技术提供了强大的计算能力、人工智能技术提供了强大的推理分析能力的技术背景下，系统建模与仿真应用技术发展的新阶段。数字孪生技术通过数字化的手段构建了一个与物理世界同样的虚拟体，从而实现对物理实体的了解、分析、预测、优化、控制决策。

对于运维阶段的水利工程数字孪生技术来讲，信息化系统提供了工程的运行状态信息，例如闸阀开关状态、气象水情信息、结构应力应变信息、水质信息等，这些信息在一定程度上，反映了真实世界中的水利工程的运行状态。而基于工程建设阶段的设计资料，例如水工建筑物设计图、闸泵站结构设计图，利用经典的水文、水利、水质分析理论，并借助地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技术，则可在计算机中搭建物理实体对应的虚拟体。基于虚拟体，可对物理实体的变化规律进行预测，并验证、优选调度运行决策。

2数字孪生技术与水利工程运行管理的理论融合分析

利用数字孪生技术在信息空间中对物理实体进行忠实的刻画，构建相应的水利工程数字孪生体，孪生体与物理实体在几何、物理、行为、规则等方面有着精确的映射关系，并且处于实时的交互之中，可以实现水利工程运行管理过程的模拟仿真、评估、优化、预测和决策。针对水利工程运行过程，在信息空间中模拟各项任务的执行，采用多种模拟参数，尽可能掌握任务执行过程中可能遇到的各种情况，同时动态监测水利工程的运行，根据实际的运行情况以及环境变化情况对运行管理方案进行及时的调整，有效地协调和优化系统内所有水利业务活动，实现水利工程的智能运行。针对水利设施设备维修养护，通过实时监测的数据、历史数据、孪生数据以及相关物理参数，借助知识库、大数据分析、机器学习等智能分析技术对水利设施设备的健康状态进行评估，对可能出现的故障问题进行及时的预警，对已经出现的故障制定出合理的维修方案，实现水利工程的可靠运维。针对防汛调度决策，通过智能服务平台，对水利工程的联合调度进行有效的协同，综合考虑多方面的因素制定出最优的决策，对水利工程的运行状态进行预测，对可能出现的意外状况进行及时规避或者制定解决措施，实现对水利工程运行管理过程的精准管控。

3数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用研究

3.1数字双机与成本

在决定将数字双胞胎集成到MBSE和系统工程过程中时，成本总是一个重要的考虑因素。明确界定的范围和目的是估计实现数字双胞胎的成本的先决条件。虽然数字孪生需要更多的前期投资，但将数字孪生纳入预期将在系统生命周期中获得显著的投资回报。根据生成虚拟系统表示所需的复杂程度、时间和精力，成本可能会有所不同。然而，在当今世界，大多数组织都在追求虚拟系统模型的创建，因为它们在减少验证和测试持续时间和成本方面具有一定的价值。数字双胞胎是这一进程中合乎逻辑的下一步。数字双胞胎的成本取决于系统中组件的数量、组件之间的接口和可靠性、实现特定功能所采用的算法的复杂性以及构建数字孪生系统所需的知识和技巧。重要的是，为重用设计数字双胞胎可以进一步降低成本。

3.2强化数据整合，促进信息共享?

通过数字孪生技术，将水利工程控制运用、工程维修养护、调度管理、安全管理、技术档案管理等在水利工程数字孪生体中进行实时映射，并以水利工程数字孪生体为主要数据来源，对管理过程进中的状态、行为、物理参数等进行监测，实现水利工程运行管理全生命周期的高效协同。水利工程数字孪生体记录了任务从规划到执行再到结束的全过程，对于任务的任何阶段都能够进行可视化呈现，能够帮助管理者更好的监测、优化水利工程运行管理过程，能够对水利业务范围的主体信息资源采集、处理、传输和利用进行全面规划，最终通过统一的资源管理服务平台给用户提供更加便捷、可靠的服务。

3.3运行机制

①单元级水利工程数字孪生系统。每个单元级水利工程数字孪生系统都能够对相应的监测对象及环境进行状态感知和计算分析，形成水利工程物理世界与信息世界的交互融合，是具备可感知、可计算、可交互、可延展、自决策功能的水利工程数字孪生