申 振，姜 爽，聶麟童

（嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161000）

中國(guó)水利工程建設(shè)正處于由工業(yè)水利工程時(shí)代向水資源綜合開(kāi)發(fā)時(shí)代過(guò)渡的階段，穩(wěn)增長(zhǎng)、保民生等作用愈發(fā)重要，發(fā)展也將逐步進(jìn)入加速期。而以信息化幫助傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉(zhuǎn)變的“智慧水利”則是水利跨越式發(fā)展的創(chuàng)新方向和核心驅(qū)動(dòng)。在2021 年召開(kāi)的“數(shù)字孿生與水科技創(chuàng)新論壇”上，“數(shù)字與智慧水利”已成為水利發(fā)展的重要標(biāo)志。水利行業(yè)要探索數(shù)字孿生與水融合發(fā)展新路徑，利用數(shù)字孿生等新技術(shù)提升核心能力，推進(jìn)水治理體系和治理能力現(xiàn)代化，助力水利現(xiàn)代化高質(zhì)量發(fā)展[1]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的融合與應(yīng)用

新形勢(shì)下，隨著社會(huì)發(fā)展和水資源的矛盾更加突出，當(dāng)前水資源治理的主要矛盾已經(jīng)從根本上發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)不斷地探索與總結(jié)，水利信息化建設(shè)的應(yīng)用使得水利運(yùn)行管理方式得以改進(jìn)，水利運(yùn)行管理水平不斷提升。但是，如何將經(jīng)典水文、水利、水質(zhì)等理論與數(shù)字信息化水利相互結(jié)合，從信息化建設(shè)整體推進(jìn)的視角，為工程管理提供分析依據(jù)、科學(xué)決策，仍然是“信息水利”向“智慧水利”跨越發(fā)展中要解決的主要問(wèn)題，因此，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。該技術(shù)在物理實(shí)體和數(shù)字虛擬體之間建立了一道橋梁，將傳統(tǒng)水利監(jiān)測(cè)理論與水?dāng)?shù)字信息化水利深度融合，逐步推進(jìn)水利信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)化由“信息水利”向“智慧水利”轉(zhuǎn)變，著力構(gòu)建安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的水利系統(tǒng)，加快推進(jìn)水利行業(yè)管理方式轉(zhuǎn)變，助力水利現(xiàn)代化建設(shè)[2]。

數(shù)字孿生水利工程充分運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等新興技術(shù)，以創(chuàng)新為動(dòng)力、以需求為導(dǎo)向、以整合為手段、以應(yīng)用為核心、以安全為保障，把水利工程運(yùn)行用數(shù)字化表達(dá)，通過(guò)計(jì)算分析、優(yōu)化決策，逆向指導(dǎo)水利工程的運(yùn)行，使水利工程運(yùn)行更加高效準(zhǔn)確、安全可靠，是實(shí)現(xiàn)水利治理體系和治理能力的現(xiàn)代化重要載體，是智慧水利建設(shè)發(fā)展的必由之路和未來(lái)選擇。

數(shù)字孿生也稱數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，其顯著特征是對(duì)實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真。建設(shè)數(shù)字孿生水利工程，是通過(guò)數(shù)字化方式創(chuàng)建水利實(shí)體工程的孿生雙胞胎——虛擬動(dòng)態(tài)仿真，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析、算法模型等，通過(guò)模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)，控制水利工程的全生命運(yùn)行周期，使得生產(chǎn)效率、運(yùn)維效率更高，生產(chǎn)成本降低，有效地促進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展。數(shù)字孿生不再只是一種行業(yè)技術(shù)，而是一種新型發(fā)展模式，一條由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉(zhuǎn)型的新路徑，一股推動(dòng)水利行業(yè)深刻變革的核心驅(qū)動(dòng)力。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的研究方向

2.1 助力運(yùn)行管理和工程維護(hù)體系建設(shè)

水利工程因建設(shè)類型不同，運(yùn)行環(huán)境和實(shí)現(xiàn)功能也各不相同，所以在運(yùn)行管理上又有其各自特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工程具體擔(dān)負(fù)的社會(huì)責(zé)任靈活地調(diào)度運(yùn)用。一項(xiàng)水利工程可能兼有防洪度汛、發(fā)電供電、農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)供水和改善環(huán)境等多方面的作用，具有很強(qiáng)的綜合性，各水利工程對(duì)水資源的要求不同，相互配合又彼此影響。因此，應(yīng)建立可靠的水利工程運(yùn)行管理機(jī)制來(lái)進(jìn)行統(tǒng)籌決策，以便有限的水資源盡可能地發(fā)揮最大功能。水利工程運(yùn)行管理單位針對(duì)水利工程自身運(yùn)行特性，在數(shù)字孿生虛擬體中模擬各項(xiàng)工作任務(wù)的進(jìn)程，通過(guò)分析模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握運(yùn)行中的各種情況，發(fā)現(xiàn)工程運(yùn)行缺陷和問(wèn)題[3]。同時(shí)，結(jié)合外界環(huán)境變化，對(duì)運(yùn)行管理及時(shí)有效地調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水利工程運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)水利工程的智能化運(yùn)行。

水利工程的維護(hù)工作是一項(xiàng)極為重要且工作量繁重的日常管理工作，必須保質(zhì)保量地完成，一旦疏忽大意可能導(dǎo)致不可挽回的損失。運(yùn)行管理中應(yīng)保障充足的資金和設(shè)備，保證各項(xiàng)維護(hù)工作有序進(jìn)行。然而，由于水利工程信息化體系不夠完善，信息數(shù)據(jù)采集能力尚且不足，導(dǎo)致水利工程的養(yǎng)護(hù)工作任務(wù)重、難度大、效率低。數(shù)字孿生技術(shù)在水利設(shè)施設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)工作中，通過(guò)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，并以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)、以數(shù)字模型為架構(gòu)對(duì)水利設(shè)施設(shè)備進(jìn)行分析，制定合理的解決方案，這樣既能提高養(yǎng)護(hù)水平，又能大大提高工作效率，通過(guò)信息數(shù)據(jù)對(duì)缺陷和故障做出快速反應(yīng)，減少水利工程運(yùn)行管理部門(mén)的人力、物力、財(cái)力投入，使水庫(kù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)維修養(yǎng)護(hù)專業(yè)化、高效化管理，實(shí)現(xiàn)水利工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2.2 為建設(shè)流域水情監(jiān)測(cè)體系提供支持

數(shù)字孿生技術(shù)為水情監(jiān)測(cè)工作提供強(qiáng)有力的信息保障和技術(shù)支持。水情監(jiān)測(cè)的目標(biāo)之一便是掌握水資源分布情況及上游降水規(guī)律等信息，通過(guò)分析驗(yàn)證進(jìn)而進(jìn)行水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。水情的收集整理對(duì)“防汛抗旱”工作的決策意義重大，通過(guò)水情監(jiān)測(cè)及早掌握洪澇及旱情情況，可以提前制定“防汛抗旱”工作方案，并進(jìn)行高效的水資源調(diào)度，最大限度地減輕洪澇或干旱對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成的損害[4]。同時(shí)，通過(guò)分析和研究水情，能夠把握當(dāng)?shù)氐乃Y源運(yùn)動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)洪旱災(zāi)害發(fā)生時(shí)間及造成的損失和影響，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，提高水資源的管理和利用水平。

在傳統(tǒng)的水文、水利、水質(zhì)模型建模的基礎(chǔ)參數(shù)方面，由于技術(shù)能力不足，不能掌握或者得到的模型數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，可以基于歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)模型作為替代。這種方法在長(zhǎng)時(shí)間的積累中，針對(duì)某些頻發(fā)情況，可能進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性判斷，也取得較好的效果。但深度學(xué)習(xí)模型有其自身缺陷，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題，在已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)效果良好的情況下，可以控制突發(fā)問(wèn)題，但是當(dāng)出現(xiàn)的問(wèn)題超過(guò)其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍后，輸出的結(jié)果則無(wú)法把控，也就無(wú)法對(duì)流域內(nèi)的水情預(yù)測(cè)做出準(zhǔn)確分析。

數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)智能應(yīng)用平臺(tái)，能夠準(zhǔn)確掌握水情數(shù)據(jù)，針對(duì)防汛度汛、調(diào)度決策進(jìn)行模擬預(yù)演并制定出最優(yōu)方案，協(xié)同推進(jìn)流域內(nèi)水利工程整體調(diào)度，解決水資源分配不均問(wèn)題。對(duì)水利工程的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)可能出現(xiàn)的事故及時(shí)規(guī)避或進(jìn)行事故預(yù)判，實(shí)現(xiàn)水利工程運(yùn)行管理的精準(zhǔn)分析和控制。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航定位、衛(wèi)星測(cè)高等技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)分析，使得水資源信息測(cè)繪更宏觀、更全面、更立體。開(kāi)展數(shù)字孿生流域建設(shè)，使各水利工程協(xié)同配合，整體發(fā)力，推動(dòng)構(gòu)建系統(tǒng)化數(shù)字信息水情監(jiān)測(cè)體系。

2.3 提升水利工程運(yùn)行中水資源科學(xué)管理水平

在水利工程的運(yùn)行期間，要做好水資源調(diào)查分析，通過(guò)水資源合理分配及發(fā)電機(jī)組合理調(diào)度、新建擴(kuò)容等方法挖掘工程節(jié)水潛能，減少水資源的消耗和浪費(fèi)。同時(shí)，加強(qiáng)水庫(kù)勘察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩安全隱患及水資源流失問(wèn)題，并將影響水利工程高效運(yùn)行管理的相關(guān)問(wèn)題解決，提升水利工程運(yùn)行管理的工作效率和工作質(zhì)量。因此，要開(kāi)展水資源精細(xì)化管理，針對(duì)出現(xiàn)的各種情況，明確水資源的使用規(guī)范和節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)，使得生產(chǎn)效率、水資源利用率提高，水利工程運(yùn)行管理更加高效、更加科學(xué)。

水利工程的運(yùn)行管理中水資源的調(diào)度大多基于章程、準(zhǔn)則或者歷史經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法達(dá)到資源分配的最優(yōu)化，運(yùn)行成本隨之提高。數(shù)字孿生水利工程建設(shè)則是以安全運(yùn)行、精準(zhǔn)調(diào)度等為目標(biāo)，以算據(jù)、算法、算力建設(shè)為支撐，開(kāi)展運(yùn)行精細(xì)化建模，可以最大程度提高流域內(nèi)水資源利用率。進(jìn)行調(diào)度的過(guò)程中，水利工程、水利設(shè)施設(shè)備狀態(tài)及水情信息等，會(huì)實(shí)時(shí)地反映到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，系統(tǒng)以數(shù)字形態(tài)模擬運(yùn)行，利用數(shù)據(jù)融合計(jì)算，結(jié)合實(shí)時(shí)的防洪庫(kù)容情況、水庫(kù)實(shí)時(shí)水位、入庫(kù)出庫(kù)等信息，精準(zhǔn)決策分析，保持?jǐn)?shù)字孿生虛擬體與實(shí)體工程的融合性、交互性，對(duì)水資源調(diào)度方案進(jìn)行分析和調(diào)整，并提供可靠信息支撐[3]。通過(guò)運(yùn)行模擬后，將最優(yōu)方案反饋到水利工程中的物理實(shí)體，以此反復(fù)迭代優(yōu)化、同頻同步融合，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)防洪度汛、發(fā)電供電、農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)供水和改善環(huán)境等水資源綜合利用及資源配置的整體優(yōu)化[3]。

2.4 推動(dòng)水資源保護(hù)和生態(tài)區(qū)建設(shè)

在水資源的開(kāi)發(fā)與利用中，應(yīng)保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生物物種平衡發(fā)展，保護(hù)供飲用水和土地用水綠色清潔，保護(hù)水系發(fā)展規(guī)律，減少各種因素對(duì)水資源帶來(lái)的損害，促進(jìn)水資源向生態(tài)化、均衡化方向發(fā)展。因此，在水資源的開(kāi)發(fā)利用中，絕不能以損害地球上的生命支持系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)為代價(jià)，必須為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展合理使用所需的水資源，滿足全社會(huì)用水需求，綠色節(jié)約低碳供水[5]。近幾年，各行業(yè)陸續(xù)發(fā)起了用數(shù)字化手段減少資源損耗、降低成本的可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃，人們對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)正在成為推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的新力量。

空間地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為水利工程生態(tài)區(qū)的保護(hù)帶來(lái)了契機(jī)。尤其是隨著數(shù)據(jù)采集手段的完善，三維傾斜攝影系統(tǒng)、高光譜遙感系統(tǒng)等的應(yīng)用，使得基于位置的海量數(shù)據(jù)獲取成為可能，基于3D 數(shù)據(jù)仿真建模的數(shù)字孿生技術(shù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。通過(guò)利用遙感衛(wèi)星、傾斜攝影等技術(shù)獲取高精度數(shù)據(jù)，與水利、環(huán)保、土地等相關(guān)行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)整合，形成了可視化的“地理信息服務(wù)一張圖”。再通過(guò)三維實(shí)景自動(dòng)建模，構(gòu)建了一個(gè)與生態(tài)環(huán)境一模一樣的“數(shù)字孿生”世界。透過(guò)衛(wèi)星影像采集的數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生做比對(duì)，能夠讓困擾生態(tài)保護(hù)區(qū)多年的植被破壞、水土污染等問(wèn)題幾乎“無(wú)所遁形”。

水資源保護(hù)問(wèn)題只是國(guó)家生態(tài)保護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)縮影。針對(duì)十八大以來(lái)大力倡導(dǎo)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)方針，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到應(yīng)用服務(wù)開(kāi)發(fā)貫穿數(shù)字孿生全產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)能力，通過(guò)將空間地理信息數(shù)據(jù)與環(huán)保、林業(yè)、水利、測(cè)繪等各個(gè)行業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整合，借助實(shí)景三維建模技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、治理。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行管理中的具體設(shè)計(jì)

3.1 整體構(gòu)想

針對(duì)單一水利工程，基于所有單元級(jí)水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)的狀態(tài)感知、信息交互、實(shí)時(shí)分析，提高對(duì)水利工程運(yùn)行管理的實(shí)時(shí)控制、精確掌控和科學(xué)決策能力，實(shí)現(xiàn)水利工程資源利用效率的提升。水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，進(jìn)而提高各個(gè)單元系統(tǒng)間的協(xié)作效率，保證水利工程的安全運(yùn)行，其運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.2 仿真控制

水利工程數(shù)字孿生技術(shù)主要分為物理實(shí)體和數(shù)字孿生體。物理實(shí)體提供水利工程的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)給數(shù)字孿生體，進(jìn)行信息的同頻同步；數(shù)字孿生體以物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)為基準(zhǔn)條件或約束條件進(jìn)行模擬運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)證，決策后的執(zhí)行方案將會(huì)反饋到物理實(shí)體的信息化系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制[2]。水利工程數(shù)字孿生技術(shù)以水利工程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為其雛形，通過(guò)對(duì)相應(yīng)信息的分析決策，使物理實(shí)體和數(shù)字孿生體相融合，其運(yùn)行機(jī)制如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

3.3 水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1）數(shù)字孿生虛擬體體系方案設(shè)計(jì)

構(gòu)建水利工程數(shù)字孿生軟件系統(tǒng)架構(gòu)體系和控制體系，明確目標(biāo)任務(wù)，制定水利工程數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)方案，并列出關(guān)鍵技術(shù)清單。

2）水利工程數(shù)字孿生數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì)

明確數(shù)據(jù)采集對(duì)象，建立數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)機(jī)制，建立水利數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)，制定滿足特定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求的專用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[3]。

3）水利工程數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)

在獲得采集的數(shù)據(jù)之后，利用數(shù)據(jù)模型仿真技術(shù)對(duì)水利工程實(shí)體運(yùn)行進(jìn)行全方位、多角度建模，實(shí)現(xiàn)同頻同步[3]。

3.4 水利工程數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

數(shù)字孿生在水利工程運(yùn)行管理的應(yīng)用中主要包括兩個(gè)層面的相關(guān)技術(shù)。數(shù)據(jù)采集與共享層面主要包括現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)、數(shù)據(jù)采集傳感技術(shù)、高帶寬光纖技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、各級(jí)終端云服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù)等。數(shù)據(jù)建模計(jì)算層面主要包括模型集成與融合技術(shù)，多物理、多尺度建模技術(shù)，模擬仿真技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)，信息接口技術(shù)，數(shù)據(jù)驗(yàn)證與優(yōu)化技術(shù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

“十四五”以來(lái)，我國(guó)水利發(fā)展已進(jìn)入新階段，“智慧水利”成為引領(lǐng)水利發(fā)展的核心動(dòng)力和實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的戰(zhàn)略支撐。未來(lái)，數(shù)字孿生流域建設(shè)應(yīng)深入貫徹水利與信息化融合發(fā)展理念，構(gòu)建水利智能應(yīng)用體系，提高水資源集約安全利用水平，實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”功能，解決水與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)和綠色發(fā)展，形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動(dòng)的水利發(fā)展新形態(tài)，助推“數(shù)字中國(guó)”國(guó)家戰(zhàn)略建設(shè)。