数字孪生技术在水利工程运行管理中的
应用
摘要：推进数字孪生建设是党和水利部大力推进智慧水利的一项重要举措，是实现现代化水利治理体系和治理能力的重要驱动和支撑。数字孪生工程借助历史数据、实时数据、大数据分析、算法模型等，实现预报、预警、预演、预案功能，提高水资源的管理和利用水平。数字孪生技术思想与水利信息化实现有较多相同点，并在技术的支撑下，实现水利工程精细化管理。
关键词：数字孪生技术；水利工程；运行管理；水利现代化 1数字孪生技术与水利工程运行管理的理论融合分析 1.1数字孪生技术
当物理系统可以开始向虚拟系统模型提供数据以创建反映物理系统的结构、性能、维护和运行健康特性的模型实例时，首先创建数字孪生体。如果对数字孪生的行为进行分析，可以说，物理系统是“符合目的的”，并且可以对各种紧急情况进行适当的调整。例如，软件密集型系统，不仅仅是机械和电子子系统的组合。这是数字孪生和物联网可以发挥重要作用的地方。如数字孪生使用从水利工程上连接的传感器收集到的数据来进行虚拟测试。此外，有了物联网提供的数据（如温度、湿度），就有可能在数字孪生中反映系统性能和健康状况，并利用这些信息对物理孪生进行预测。拥有这样的数据和知识，数字孪生可以“讲述”其物理孪生生命周期的故事（即事件、经历、历史）。
1.2数字孪生技术与水利工程运行管理的理论融合分析
在纳入操作、维护和健康数据之后，向用户提供决策支持和警报，可以采用一种（如果是分析的模式），向物理系统的操作者/用户提供量身定做的决策支持信息和警报。通过三维地质建模技术快速生成三维模型以提高对复杂地质现象
的直观展示；基于地质数据库与三维地质模型的平切图、剖面图等相关图纸的快速编绘；基于地质模型的多专业三维协同设计；工程地质数据分析与工程量统计；工程地质（岩土）CAD/CAE一体化设计计算分析以及三维地质模型的数字化移交。
2数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用研究 2.1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系统最小单元。利用先进的信息技术，通过实时数据采集、集成和监控，在信息空间对闸门启闭机、水轮发电机组、输水隧洞、排水沟、河渠、雨情、水情等水利工程物理实体从几何、状态、行为、变化等方面进行全要素重建，即建立相应的水利工程数字孪生体，动态跟踪水利工程物理空间的运行状态和变化趋势（如水位变化、电压配电设备工作状态等），借助大数据、机器学习等数据处理分析技术，建立相应的数据模型，对采集的数据进行实时的综合分析处理，产生能够应对外部复杂环境变化的有效决策，最终通过以虚控实的方式作用的水利工程中的物理实体。
2.2智能数字孪生
智能数字孪生具有数字孪生的所有功能（包括监督机器学习）。此外，它还具有无监督的机器学习能力。识别操作环境中遇到的对象和模式，并在不确定、部分可观测的环境中加强系统和环境状态的学习。这个级别的数字具有高度的自治性。在这个层次上，数字孪生可以分析更多的颗粒性能，维护和健康数据。如在工程地质方面的应用主要体现为可应用于地形生成与测量中。
未来，数字孪生技术有望成为MBSE的核心能力，因为它能够使MBSE跨越整个系统生命周期，同时帮助MBSE打入制造、建筑和房地产等新市场。具体来说，数字双胞胎可以在前期工程（如系统概念化和模型验证）、测试（如基于模型的系统v验证）、系统维护（如基于条件的维护）和智能制造中进行开发。此外，MBSE可以为数字双胞胎在虚拟系统中应用的各种系统建模和建模语言做出贡献。从近期来看，数字孪生技术有望集成到制造和维护活动中，以增强预测维护和设
计。同时，由于对系统数据的实时访问，数字化技术将在建设、建设和房地产业中继续取得一席之地，这对于适应能源管理等功能是必不可少的。后者是高效能源管理等应用的关键。
对于建筑师、工程师和规划师来说，数字双技术可以通过将项目和房产与用户定制的仪表板连接到实时数据，从而成为可持续优势的来源。分区规划，如许可交通及空气质素数据与数码连接，并在作出选址及结构构件放置决定时加以考虑。对于企业和制造商来说，数字双技术可以提供一个了解系统性能的窗口。例如，数字双胞胎可以帮助远程识别设备故障和排除设备故障，从而减轻关键客户的担忧。除了改进虚拟系统模型之外，数字双胞胎还可以潜在地改善物理系统的运行和维持。
2.3 SoS级水利工程数字孪生系统
SoS级水利工程数字孪生系统是针对某一片流域，由流域内的多个系统级水利工程数字孪生系统组成，通过构建智能服务平台，能够对系统级水利工程数字孪生系统的工作状态进行统一监测、实时分析和集中管控，并具有对多源异构数据的分布式计算和大数据分析能力，对多个组成部分进行协同优化，实现流域全局范围内信息的全面感知、深度分析、科学决策和精准执行，其运行机制如图3所示。在水库群的防洪联合调度中，多水库梯级组合构成的水库群，其包含复杂、多样的水文信息，同时不同流域区段、不同的水利工程以及各水库间水力联动形成的非线性关系要求调度需求多样化，这极大增加了汛限水位管理难度。基于SoS级水利工程数字孪生系统构建智能服务平台，在进行防洪调度之前，综合考虑实时的累计净雨量的汇流预报、入库流量的汇流预报等信息，在信息空间中模拟调度过程，尽可能掌握各个水利工程在工作环境中的状态、行为、任务成功率、运行参数、对上下游的影响以及在调度方案中所没有考虑到的问题。可以通过设置虚拟环境中的变量值来模拟在不同情形下流域内水利工程的运行情况，也可以模拟验证不同的故障和意外情况对调度方案执行完整度的影响，最终生成满足调度需求及约束条件的最佳资源配置方案和调度方案。在进行调度的过程中，流域内水利工程的运行情况、水利设施设备状态以及流域内的水情信息会实时地反映到水利工程数字孪生系统当中，系统再利用数据融合、分布式计算、大数据分析
技术，结合实时的防洪库容情况、水库立时水位、雨情等信息，对调度方案进行调整，调整结果以机器指令的形式作用到水利工程中的物理实体，以此反复迭代优化，实现水库群防洪、供水、发电、航运、生态等综合利用调度以及资源配置的优化，最大化流域内水资源的利用率。
结语：
总之，信息技术的发展与应用，推动水利工程信息化、数字化转型，为实现水利信息资源的全面整合与实时共享，并对工程运行状态进行全过程把控与监管，需认识到数字孪生技术应用的必要性，针对工程运行管理，打造物理实体与虚拟体的实时交互、相互映射、高效协同的管理系统，对工程运行情况进行现代化管理。
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