彭金波

廣州市水生態(tài)建設(shè)中心 廣東 廣州 510403

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G等新技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)、GPS、GIS等軟硬件技術(shù)應(yīng)用的逐步完善，我國水利工程的運(yùn)行管理水平取得了顯著的提升。數(shù)字孿生技術(shù)作為現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界實(shí)時(shí)交互的管理模式，能夠極大地提升數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用效率和質(zhì)量。通過高速發(fā)展的建模仿真、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立虛擬實(shí)體的數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體的數(shù)字化控制和優(yōu)化，為水利工程運(yùn)行管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了切實(shí)可行的途徑。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的深入發(fā)展，云計(jì)算、虛擬仿真等高新技術(shù)的相繼涌現(xiàn)，使得各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型正在發(fā)生深刻的變革。2003年，美國密歇根大學(xué)邁克爾教授首次提出數(shù)字孿生技術(shù)的概念，就是用虛擬的方式來表示實(shí)物產(chǎn)品[1]。直到2012年，美國宇航局對數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的界定，即利用相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真過程將虛擬空間的信息映射到實(shí)體世界當(dāng)中。數(shù)字孿生技術(shù)涉及的學(xué)科范圍很廣，包含了物理模型、運(yùn)行歷史等特定的數(shù)據(jù)，可以真實(shí)地反映出設(shè)備的生命周期。數(shù)字孿生技術(shù)核心是將各種傳感器安裝到物理實(shí)體上，收集在物理實(shí)體的工作信息，然后將現(xiàn)實(shí)世界中的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬數(shù)據(jù)，這樣就可以將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界進(jìn)行鏡像連接。通過建立包含物體形狀、屬性和軌跡的信息處理模型，可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)體的狀態(tài)進(jìn)行評估和預(yù)測，提高對實(shí)體的精確管理和智能維護(hù)。數(shù)字孿生技術(shù)作為新興的系統(tǒng)建模與虛擬仿真技術(shù)，包含大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種新興數(shù)字技術(shù)，可以為用戶提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集存儲能力、分析計(jì)算能力、邏輯推演能力，利用數(shù)字技術(shù)建立虛擬實(shí)體，從而了解、分析、預(yù)測、優(yōu)化物理實(shí)體的相關(guān)信息，輔助做出科學(xué)決策。

2 水利工程運(yùn)行管理中的現(xiàn)狀

2.1 綜合功能發(fā)揮不足

隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，水利工程作為承載國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅要滿足人類生產(chǎn)生活對水資源的需求保障，還要兼顧到水安全提升、水環(huán)境治理、水生態(tài)保護(hù)、水文化弘揚(yáng)乃至水經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方方面面[2]。水利工程的運(yùn)行管理水平在某種程度上影響其功能效益的實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的運(yùn)行管理模式目標(biāo)不明確，往往只側(cè)重于某一方面的功能，從而制約其綜合功能的有效發(fā)揮、水利資源的最優(yōu)配置。

2.2 管理制度設(shè)置不優(yōu)

在現(xiàn)行水利工程管理機(jī)制中，部分重要的水利工程由水利部門組建專業(yè)隊(duì)伍負(fù)責(zé)運(yùn)行管理，部分按職責(zé)劃歸相關(guān)職能部門負(fù)責(zé)，還有部分按屬地管理原則由街道或鄉(xiāng)鎮(zhèn)負(fù)責(zé)管理，多頭管理容易引起職能交叉與管理真空的問題同時(shí)存在，而且隊(duì)伍不專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、制度不健全，導(dǎo)致管理粗放、效率低下、效果不佳，使得該問題長期困擾著水利工程運(yùn)行管理能力的現(xiàn)代化進(jìn)程。

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享不暢

水利工程運(yùn)行管理綜合效益的發(fā)揮需要融合全方位、多層次的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，近年來，隨著水利信息化建設(shè)的推進(jìn)，某些業(yè)務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)逐步建立了一些相對獨(dú)立的信息系統(tǒng)，但其統(tǒng)籌建設(shè)與資源共享力度仍然不足，存在著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不集中或者集中而不共享的問題，各業(yè)務(wù)平臺之間的協(xié)同聯(lián)動機(jī)制不順暢，未能形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效整合與共享，不利于精準(zhǔn)分析、科學(xué)決策。

2.4 信息化建設(shè)水平不高

水利工程運(yùn)行管理對象涉及內(nèi)容十分龐雜，包括水閘、泵站、堤防、水庫、引水工程、灌溉工程、供水工程等等，不同類型工程的運(yùn)行特點(diǎn)和管理需求各不相同，這就決定了水利工程的運(yùn)行管理具有系統(tǒng)性，是一項(xiàng)綜合決策[3]。當(dāng)前，由于水利管理決策需要的相關(guān)要素信息采集能力不足，相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施體系不夠完善，大部分水利工程仍然采用傳統(tǒng)的運(yùn)行管理手段，以分散式的人力管理為主，在信息化建設(shè)方面還比較落后，導(dǎo)致整體運(yùn)行管理效率低下、科學(xué)決策水平不足，與新時(shí)代推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展的需求不相適應(yīng)。

3 水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)

3.1 建設(shè)目的

數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)水利工程的生命周期管理，包括物理實(shí)體控制、調(diào)度過程管理等?？梢园巡煌乃こ虡?gòu)成不同的數(shù)字模型，把各個(gè)層面的物理實(shí)體有效區(qū)域分割開來，突出重點(diǎn)區(qū)域，能夠?qū)Σ煌こ滩考M(jìn)行精確化的分析和控制，延長使用壽命。與傳統(tǒng)的管理方式相比，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以顯著提高水利工程的管理水平。

根據(jù)水利工程的實(shí)際情況，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)全要素、全流程管理，即利用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于水利工程中所包含的人、機(jī)、物等關(guān)鍵要素的數(shù)字化映射，通過預(yù)先制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)將各個(gè)要素進(jìn)行模塊化構(gòu)建，并將這些信息發(fā)布在可共享的、統(tǒng)一的平臺上[4]。通過收集各個(gè)水利設(shè)施的運(yùn)行情況，對整個(gè)水利工程的運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)字化映射，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)水利工程的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位的、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，為整個(gè)水利工程的評價(jià)和優(yōu)化工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中所有的基礎(chǔ)資料都是由不同的對象組成，將這些資料進(jìn)行歸集，并根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，可以有效地解決基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不暢等問題，實(shí)現(xiàn)信息共享的全方位、全過程、全要素管理這一終極目標(biāo)，也是提高水利信息化服務(wù)有效性與可靠性的關(guān)鍵所在。二是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)相融，在水利工程實(shí)際運(yùn)行中實(shí)際的狀態(tài)是“實(shí)”，而采用數(shù)字孿生技術(shù)建立的是“虛”。水利工程自身所包含的水利設(shè)施很多，存在著大量的實(shí)物實(shí)體，因而很難對其進(jìn)行全面的管理[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以達(dá)到“以虛控實(shí)”的目的，也就是利用控制信息處理模型，對水利工程中的各個(gè)實(shí)體進(jìn)行控制。把水利工程運(yùn)行管理中的實(shí)體映射到信息空間的處理模式中建立交互關(guān)系，可有效解決水利工程運(yùn)行管理中存在的綜合功能兼顧不足的問題，進(jìn)而改進(jìn)系統(tǒng)的處理能力。

3.2 實(shí)施模式

水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)主要分四個(gè)層次進(jìn)行建設(shè)。第一，要從系統(tǒng)功能的視角出發(fā)，對各個(gè)部門所涉及的業(yè)務(wù)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，并將其與數(shù)字孿生技術(shù)的特定功能對應(yīng)起來。第二，要從多個(gè)角度描述和建立運(yùn)行管理要素，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行精確的建模，以不斷增強(qiáng)虛擬模型映射實(shí)體的能力。第三，要對各模型的關(guān)系進(jìn)行分析，并建立系統(tǒng)流程圖等方法，使各模型間的聯(lián)系更加清晰，實(shí)現(xiàn)全要素、全過程的管理與控制。第四，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)的生命周期的閉環(huán)管理，為水利工程的運(yùn)行管理提供依據(jù)。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用

4.1 完善流域江河湖泊和水工程監(jiān)控體系

一是完善江河湖泊感知體系建設(shè)。水文水資源信息是實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字地圖的基礎(chǔ)資料，主要內(nèi)容包括水量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降雨量等方面的信息。要優(yōu)化行政區(qū)邊界、取退水口、地下水、生態(tài)用水等監(jiān)測站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，做到全要素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，提高信息獲取和感知能力；要把空間分辨率、航空遙感技術(shù)與陸地水文監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，推動“空天地”流域洪水綜合監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，使其覆蓋范圍、密度和精度得到進(jìn)一步提升；對山洪災(zāi)害監(jiān)測站網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，把雷達(dá)列入常規(guī)降雨監(jiān)測范圍；保證監(jiān)控?cái)嗝嫒考{入監(jiān)控范圍，在有必要進(jìn)行視頻監(jiān)控的地方安裝監(jiān)控設(shè)備；要進(jìn)一步提高水資源的采集和利用，必須弄清水資源的取、用、輸、排等各方面的基本情況[6]。二是要健全水利設(shè)施的認(rèn)知機(jī)制。水利信息是流域數(shù)字地圖中的一個(gè)重要組成部分，包括水電站、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄洪區(qū)等。利用視頻、監(jiān)測、BIM等技術(shù)，對流域水利工程進(jìn)行了全面的數(shù)據(jù)采集與管理；加強(qiáng)對水利工程建筑物和機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。對于新建、改擴(kuò)建、除險(xiǎn)加固水利工程，要在前期和設(shè)計(jì)階段，加大自動化監(jiān)測設(shè)備和智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為以后的數(shù)據(jù)采集奠定良好的基礎(chǔ)。

4.2 加強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用提升監(jiān)測技術(shù)水平

一是強(qiáng)化智慧感知3S技術(shù)的運(yùn)用，利用衛(wèi)星和雷達(dá)等遙感技術(shù)對大范圍流域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控和預(yù)警。采用智能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用智能的圖像分析，實(shí)現(xiàn)自動識別、智能監(jiān)視和自動報(bào)警。根據(jù)不同監(jiān)測的需要，合理使用無人機(jī)、無人船、機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行深入監(jiān)測?；诰W(wǎng)絡(luò)的傳輸需求，推動新的技術(shù)如5G、物聯(lián)網(wǎng)等的應(yīng)用。二是優(yōu)化監(jiān)控設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用，加強(qiáng)對“一桿通”等新型監(jiān)測設(shè)備的試點(diǎn)和推廣，促進(jìn)監(jiān)管機(jī)構(gòu)的改革和創(chuàng)新。

4.3 構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)

根據(jù)流域管理的有關(guān)職能以及水利工程運(yùn)行管理新需要，在新的信息技術(shù)下采用“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”模型，并根據(jù)該模型進(jìn)行建模。利用高分辨率的衛(wèi)星圖像，對各主要河段的水系進(jìn)行了提取和合成，并對各河段的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了反演，實(shí)現(xiàn)了一幅地圖的綜合顯示，全面有效地掌握了各河段的水質(zhì)狀況，并將其定位在了重點(diǎn)污染河段。利用無人機(jī)采集到的監(jiān)控視頻、空中全景圖等資料，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)，對河湖“五清”工作進(jìn)行全面、有效的技術(shù)支持。利用物聯(lián)網(wǎng)，有效整合和集中管理前端感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對涉水要素的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要包括：水戶監(jiān)控設(shè)備、河道流量監(jiān)控站、雨量監(jiān)控站、水質(zhì)監(jiān)控站、水利工程建管視頻監(jiān)控等，為水雨情、水利工程運(yùn)行，河流湖泊水質(zhì)提供長期動態(tài)監(jiān)控手段。

4.4 打造水利工程的數(shù)字孿生體

利用BIM+GIS和數(shù)字孿生技術(shù)，在重要的水庫、堤壩、蓄滯洪區(qū)、水閘、泵站等建設(shè)水利工程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。通過精確地繪制關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維場景的虛擬仿真，以及利用無人機(jī)傾斜拍攝等技術(shù)，可以使數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)更加真實(shí)，從而構(gòu)建高效的水利工程數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的前景展望

5.1 實(shí)現(xiàn)全生命周期管理

水利工程是一種具有明顯物理特性的物理實(shí)體，它可以通過數(shù)字孿生技術(shù)來進(jìn)行水利工程的運(yùn)營和管理。利用數(shù)字孿生技術(shù)將水利工程中的人、環(huán)境、信息等要素進(jìn)行虛擬映射，利用實(shí)時(shí)信息傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水利工程的全生命周期管理，真實(shí)、客觀地反映水利工程的實(shí)際運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對水利工程中所包含的閘門、機(jī)電設(shè)備以及通信設(shè)備等設(shè)施設(shè)備的監(jiān)控和管理。通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，將傳感器和維修歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，有效地防止設(shè)備的失效，延長系統(tǒng)的使用壽命。同時(shí)，通過對數(shù)字孿生技術(shù)的建模進(jìn)行預(yù)測，可以為設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)工作提供基礎(chǔ)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠有計(jì)劃、有重點(diǎn)地進(jìn)行。

5.2 實(shí)現(xiàn)自動化信息管理

新時(shí)期對水利工程的運(yùn)行管理水平提出了更高的要求，為了保證水利工程運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，也為了確保水資源的可持續(xù)利用，我國正不斷推進(jìn)水利工程運(yùn)行管理的數(shù)字化、智能化發(fā)展。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行有序地收集、歸類，并根據(jù)統(tǒng)一地規(guī)范進(jìn)行精確的管理，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔、整理，為以后的數(shù)據(jù)分析和共享提供基礎(chǔ)資料。同時(shí)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與格式可以有效地解決信息不一致、標(biāo)識不一致等問題，提高了數(shù)據(jù)利用的效率。從當(dāng)前水利工程的運(yùn)營與管理狀況來看，信息處理過程太過單一，僅停留在一個(gè)單一設(shè)備或系統(tǒng)，其綜合性、系統(tǒng)性、精確度和有效性都還不足。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立的管理平臺，可以對整個(gè)運(yùn)行流程進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動化的信息管理，為決策者提供有效的決策支持。

5.3 構(gòu)建數(shù)字化模型體系

將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用到水利工程的運(yùn)行管理中，可以更好地了解和掌握水利設(shè)施的實(shí)際狀況，有關(guān)部門可進(jìn)一步探討推動建設(shè)水利工程的數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)，進(jìn)而提升水利系統(tǒng)的運(yùn)行管理水平。數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，比如針對水閘開關(guān)狀態(tài)、氣象水情、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、水質(zhì)監(jiān)測、洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)急調(diào)度管理等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，全面反映實(shí)際工程狀態(tài)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)參數(shù)，如水工建筑物設(shè)計(jì)圖、閘泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，運(yùn)用經(jīng)典的水文、水利、水質(zhì)分析理論，再加上地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技術(shù)，可以借助計(jì)算機(jī)輔助建立相應(yīng)的虛擬模型，從而對物理實(shí)體的動態(tài)變化進(jìn)行更加精準(zhǔn)的判斷，并且做出科學(xué)的決策。

6 結(jié)語

水利工程作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行事關(guān)重大，客觀需求提升與管理水平不足之間的矛盾日益凸顯，新技術(shù)催生了新思路，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建運(yùn)行管理體系，全過程監(jiān)管水利工程運(yùn)行，從而為統(tǒng)一調(diào)度、管理決策提供支持，就是一種有效的解決途徑。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)的今天，數(shù)字孿生技術(shù)將會是推動新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施路徑和最重要標(biāo)志之一。通過對目前水利工程運(yùn)行管理狀況及數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行較為詳細(xì)的研究和探討，以期為提升水利決策管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化能力和水平提供支撐，推動水利系統(tǒng)運(yùn)行管理向著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展。