数字孪生技术在水利工程中的应用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：赵丽晓（1982），女，汉族，河北石家庄人，高级职称，硕士研究生，研究方向为水利工程维护及施工管理。-4-数字孪生技术在水利工程中的应用研究 赵丽晓 河北省水务中心，河北 石家庄 050024 摘要：摘要：新时期，立足于网络大数据时代，各种新型先进现代信息技术以及科学技术如雨后春笋般大量涌现，为水利工程的良性长足发展提供了新的动力源泉。作为我国的基础民生工程，水利工程对我国经济发展建设以及民众日常生产生活有着重要作用及深远影响。调查研究表明，将数字孪生技术科学合理的应用到水利工程过程中，能够通过大数据、5G、云计算等切实有效提高水利工程的管理效率、改进及管理流程，从而在最大限度上提高水利工程的整体运行管理水平。基于此，本文以水利工程为基本出发点，围绕数字孪生技术在其中的应用展开如下探究。关键词：关键词：数字孪生技术；水利工程；应用探究；研究分析 中图分类号：中图分类号：TV672 0 引言 现阶段，随着人类社会文明不可阻挡的发展进程，人工智能、大数据、互联网、5G 等现代信息技术以及科学技术已不再遥不可及，而随着社会进步，各类无人驾驶飞机设备及软件模拟技术、仿真技术被广泛应用到各行各业的发展建设过程中，且已取得显著成效。而数字孪生技术与水利工程的有效融合，也在一定程度上推动了我国水利工程领域的高质量发展，两者的有效融合也成为了时下的研究热点。而如何充分发挥数字孪生技术的应用价值，切实有效促进水利工程可持续发展已成为现阶段相关工作人员亟待解决的首要问题。1 数字孪生技术的简要概述 从专业角度上讲，数字孪生技术源于美国国防部，它主要是指通过对数字技术的科学合理应用，对物理对象进行复制、仿真、预测的新型特殊科技。截至目前，随着各类人工智能、仿真技术的出现与广泛应用，数字孪生技术也逐渐成为各行各业发展建设的首选。例如航空航天、汽车、医疗、机械、建筑、能源以及水利等众多领域都能发现数字孪生技术的应用与成效。从本质上看，数字孪生技术的主要工作原理大体可分为采集物理实体数据、建立数学模型、映射至数字世界、进行仿真分析、不断优化与更新模型等主要模块。实践经验与调查研究表明，在数字孪生技术加持下的仿真模型从根本上突破了传统仿真模型的桎梏与弊端，使其更具真实性、可靠性、精准性、高效性与经济性，数字孪生技术也由此成为现代化工程设计与优化过程中必不可少的有效手段与重要途径。2 数字孪生水利相关概念 2.1 智慧水利 通过对近年来数字孪生技术在水利工程中的应用进行科学合理的全面剖析与整合，我们不难发现，通过对互联网平台、计算机技术、大数据技术、云计算以及人工智能、数字孪生技术等最新现代信息技术进行科学合理的整合与应用，从根本上贯彻落实了数字孪生流域、数字孪生水网以及数字孪生水利工程等水利相关工作，在最大限度上实现了水利工程整个工作体系的数字化场景、精准化决策以及智慧化模拟，这种工作大环境无疑有效提升了工作质量、精简了工作步骤，能够帮助水利工程相关工作人员实时精准获取水利工程相关数据信息，并根据相关算法以及相关技术对水利工程进行全方位、多维度的有效监管，以确保水旱灾害防御、水资源节约集约利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理等工作得以优质高效、有效有序的顺利进行，从而推动水利工程的高质量发展、为我国民生工程的可持续发展贡献力量。2.2 数字孪生流域 从专业角度上讲，在数字孪生技术加持下的水利工程数字孪生流域，就是指通过互联网平台、计算机技术以及数字孪生技术将水利工程科学合理地划分为物理领域，再将物理流域以单元为单位，以物理流域的时空数据为底座，通过大数据技术、云计算技术以中国科技期刊数据库 工业 A-5-及相关算法对物理流域的相关数据进行数学模型构建，并搭配相关水利知识，实现水利工程物理流域的实时监控、数据监测以及有效管理，对水利工程进行全方位、全过程的数字映射、智能模拟、前瞻预演，将现实实际的水利工程相关流域与数字孪生技术加持下的物理流域进行同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，从而切实有效提高水利工程流域的有效监管，提升水利工程相关工作人员的工作质量及效率。除此之外，数字孪生水网也与数字孪生流域有着异曲同工之妙。3 数字孪生技术在水利工程中的应用特征 3.1 赋能全息可视 调查研究与实践经验表明，将数字孪生技术科学合理的应用到水利工程中，为新时期数字孪生水利工程的建造提供了新思路、新动力，两者的有效融合在最大限度上为水利工程相关用户和管理者提供了科学便捷的人机交互方式。我们也可以理解为，数字孪生技术的科学合理应用为虚拟现实与实体场景、双生子场景提供了有力空间重叠基础，也就是说，数字孪生技术在水利工程中的应用赋予了水利工程全息可视的优良功能。而两者的有效融合也确实在一定程度上切实有效提高了水利工程的实际工作问题，这种融合理念旨在解决直观、美观、便捷、真实的问题，尤其是对于部分高难度、高危险性等水利工作环境而言，数字孪生技术的应用从根本上解放了人力劳动、减少人力成本、取代传统人力实地勘察，不仅能够有效弱化水利工程的工作危险性，也能够在一定程度上实现对水利工程的全程实时监控，以确保工程项目得以有效有序的安全进行。3.2 赋能数据集成 近年来，随着数字孪生技术与水利工程循序渐进的深度磨合，以及智慧水利、数字孪生流域、数字孪生水网的出现与应用，水利工程相关数据信息的整合工作得到了显著提高，云计算技术以及大数据技术的相关算法能够帮助工作人员将不同来源、不同格式、不同特性的数据信息进行了有效筛选、分析、归纳与整合，进而促使大量数据信息得以有效有序的排列组合起来，构成相关数据信息的新旧交替、连贯关联，并帮助相关工作人员依据数据信息对水利工程的未来进行预测，并制定出科学合理的针对性有效解决方案。3.3 赋能业务融合 调查研究表明，数字孪生技术在水利工程中的应用实现了跨层级、跨部门、跨产业之间的有效及时协作。我们也可以理解为，在数字孪生技术的加持下，水利工程相关工作人员能够通过互联网平台、依据云计算技术以及大数据技术、计算机技术为各相关部门的数据资源（数据、模型、知识）进行快速精准的有效剖析与整合，与此同时也能够实现数据信息的有效管理、精准表达、快速传送、快速调取与驱动，进而从根本上实现水利工程数据信息的可视化，便于工作人员根据实时获取的精准数据信息进行动态模拟，为水利设施的智能分析预警、防洪兴利的智能调控等工作提供强有力的数据基础与技术支撑。4 数字孪生技术在水利工程中的应用路径 4.1 SOS 级水利工程数字孪生系统的应用 从专业角度上讲，SOS 级水利工程数字孪生系统的主要概念是以特定区域为对象，对该区域内的水利工程流域进行数字孪生系统制定与应用，通过计算机技术、互联网平台、云计算技术以及大数据技术搭配其相关算法构建健全完善的区域水利流域智慧服务平台，从而在最大限度上贯彻落实对该水利流域的实时监控、有效监管、数据探测、方案制定。与此同时，水利工程相关工作人员也可根据相关技术及算法对多源异质数据进行分布式处理与分析，进而从根本上实现水利工程多要素的协同优化，帮助工作人员达到对整个水利工程流域的实时监控、数据监测、全面感知、深入分析、数据传送、数据剖析与处理以及制定科学决策的工作全过程目的。我国地大物博、幅员辽阔，含有丰富水资源，对于部分区域的水库群防洪协同调控而言，由多个水库组成的梯级水库群含有大量错综复杂的水域数据信息，且考虑到不同流域、不同水利工程、不同水库之间的水利联动、相关数据信息等呈现复杂的非线性关系，这种情况就造成梯级水库群的管控工作量庞大复杂，普通人力难以有效完成梯级水库群的监管与管理，这就造成水利工程相关单位管理人员应从统筹全局的角度出发，调控需求多样化，以切实有效提升梯级水库群的管理质量及效率，全面强化汛限水位调控工作的力度、弱化其难度，进而保证水利工程相关工作得以有效有序的进行。而数字孪生技术在水利工程中的科中国科技期刊数据库 工业 A-6-学合理应用，则能够从根本上建立起 SOS 级水利工程数字孪生管控系统，组建模块分明、简单便捷、快速易寻的智慧服务平台。如此一来，就能够帮助水利工程相关工作人员在管控梯级水库群的同时，对防汛调度工作进行数据监测、实时监控、科学决策，帮助相关工作人员将流域内实时累计降雨量进行精准的数据获取、数据传输、汇流预报、入库流量汇流预报，并将这些数据信息进行有效融合与剖析，并利用云计算以及大数据技术、分布式计算算法在信息空间内对降雨量及其汇流预报进行仿真模拟。在最大限度上将每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、上下游影响以及其他问题在信息空间中模拟仿真出来。进而通过这种形式对各种失效或突发事件进行场景模拟、仿真计算，制定出科学合理、最优资源配置的针对性有效调度方案，然后将调节结果通过互联网平台依靠计算机技术以及机械指令传递给该区域的水利水电系统，由此引导相关工作人员对水利工程流域进行资源利用、资源调配与资源优化，进而在最大限度上实现水利工程水资源的最大利用率，以切实有效提高水利工程实际工作过程的工作效率及质量，规避并杜绝一切安全风险的发生，保证水利工程有效有序的安全稳定进行、维稳民生工程，推动水利工程的可持续发展。4.2 水利系统数字孪生的应用 众所周知，水利工程的主要目的在于排洪引潮，那么在这一过程中，闸门就成为水利工程中必不可少且最为常见的一种构件。在过去一段时间内，大部分水利工程中的闸门运营工作都依靠人力进行，即闸门的位置设定主要依靠相关工作人员的经验判定，依靠相关设备对该流域的上下游水位进行精准解读，预测潮水走向、潮水水位，对闸门的开闸时间、高度、孔数进行预估。但在现阶段，通过对数字孪生技术的科学合理应用，我们可以构建出健全完善的虚拟仿真系统，由现代信息技术以及互联网平台来代替传统人力工作，进而从根本上实现对流域内水利工程的进一步数据监测、水位探测、空间数据分析、水利流程等因素进行虚实交互与数字化仿真模拟。进而通过这种形式对数字孪生水利系统覆盖范围内的配电柜、PLC 柜、闸门、清污机、网络等设备的电气参数量、设备状态量、视频等实时数据信息进行快速精准的获取、传输、分析、整合与调阅，与此同时也能够生成各种管理信息，如主接线图、闸门平面示意图、报警报表、设备台账等。然后，数字孪生水利系统也能够从多维度、全方位角度出发，帮助水利工程工作人员综合考虑到水位、水文因素、气象因素等多个可能影响水利工程科学决策的相关要素进行获取与评估，今儿将这些数据信息进行剖析与整合，并依据分布式计算法、利用数字孪生水利系统对于整个过程进行动态模拟与实时仿真，从而进行水情智能分析，对可能出现问题的区域进行预判与方案制定，进而在最大限度上实现对于水利工程整个流域的实时监控与有效智能监管。对于数字孪生水利系统而言，整个系统中含有大量高精密型仪器，那么维护与保养就成为必不可少的日常工作模块。因此，在对相关设备进行后期维护与检修过程中，工作人员需要注意的是应该对设备的数据进行持续监测，在输入一定周期内的运行和维修历史数据后，确保设备仪器能够对故障做出预先预报。进而通过这种形式从根本上规避并杜绝一切潜在安全事故的风险，以保证水利工程相关单位的经济效益。在水文区域化工程中，我国大部分水利工程通常以上基础闸站为单位，在这种情况下，相关工作人员就可以应用数字孪生水利系统生成水利工程流域的全域双图，从而帮助工作人员精准有效的快速实时获取流域全域水文现象及相关数据。进而通过这种实时监测手段实现水利工程流域的数据监测、数据分析、风险预判、方案制定，实现整个水利工程流域的数据可视化、水资源可控化以及可预见化，从而在最大限度上切实有效提高我国水利工程以及水利建设的防灾减灾效果，以提升相关工作单位的防汛减灾工作质量及效率，保证人民群众生命安全以及财产安全，推动我国水利工程领域趋向可持续、高质量发展。5 结束语 综上所述，立足于网络大数据时代，数字孪生技术与水利工程的有效融合已成为必然趋势与必然选择。相关工作人员应该科学合理的将数字孪生技术应用到水利工程全过程中，充分发挥其实际优势与价值，通过构建数字孪生水利系统帮助工作人员实现水利工程以及相关流域的实时数据监测、数据分析、数据整合与科学决策、方案制定，实现水利工程的有效监管与中国科技期刊数据库 工业 A-7-全方位管理，充分体现出水利工程的综合效益，助力水利工程长足发展。参考文献 1朱敏,施闻亮.数字孪生技术在水利工程中的实践与应用J.江苏水利,2022(2):81-85.2刘昌军,刘业森,武甲庆,等.面向防洪“四预”的数字孪生流域知识平台建设探索J.中国防汛抗旱,2023,33(03):34-41.3李意,顾小林,黄瑞,等.数字孪生流域建设关键技术研究与应用以贵州省清水江干流为例J.中国防汛抗旱,2023,33(03):42-46.4干慧瑛.基于数字孪生技术的水利工程运行管理体系构建措施J.大众标准化,2022(15):27-29.