馬宏偉

（北京中水科工程集團(tuán)有限公司，北京 100048）

引言

目前，我國(guó)各主要水庫(kù)及灌區(qū)均建立了大壩安全監(jiān)測(cè)信息的收集和管理體系[1]，可以對(duì)大壩進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和安全管理，但是，不能及時(shí)、有效地分析和診斷水壩及灌區(qū)的安全情況，不能滿(mǎn)足多層水庫(kù)和儲(chǔ)灌區(qū)域的安全管理，為此，應(yīng)從工程與非工程的角度，引入新理論、新技術(shù)和新模式，改善水庫(kù)和灌區(qū)的安全管理工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算以及數(shù)字孿生等技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，為水庫(kù)大壩的安全管理提出了新的設(shè)想。

數(shù)字孿生技術(shù)是將物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等綜合起來(lái)的多學(xué)科、物理量、規(guī)模和概率的仿真技術(shù)。事實(shí)上，數(shù)字孿生技術(shù)是基于某種特殊設(shè)備或系統(tǒng)而形成的“克隆體”。

數(shù)字孿生系統(tǒng)以信息技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，與設(shè)計(jì)圖比較，該數(shù)字孿生系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的動(dòng)力學(xué)仿真。它的“動(dòng)”，是建立在本體的物理實(shí)體模型之上，還會(huì)得到來(lái)自于身體表面感應(yīng)器的反饋和關(guān)于本體論的歷史資料?！皩\生體”的實(shí)時(shí)狀況以及所處的周?chē)h(huán)境，都會(huì)在“身體里重現(xiàn)”。數(shù)字孿生不僅具有“會(huì)動(dòng)”的特性，還具有“全壽命”“實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)”“雙向”等特征。

在其它產(chǎn)業(yè)中，數(shù)字孿生已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，與其它項(xiàng)目相比，水庫(kù)壩體及灌區(qū)具有從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和管理等全過(guò)程，因此，必須要把數(shù)字孿生技術(shù)和大壩有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用必然會(huì)使傳統(tǒng)的水利管理方式發(fā)生變化，為水庫(kù)大壩及灌區(qū)管理提供了一種更為方便、科學(xué)的技術(shù)方法[2]。

1 當(dāng)前水庫(kù)大壩及灌區(qū)信息化現(xiàn)狀

目前，我國(guó)各大港口企業(yè)普遍認(rèn)為，水庫(kù)大壩及灌區(qū)由機(jī)械化進(jìn)入智能化時(shí)代，并在業(yè)內(nèi)形成了一股合力。2017年2月初，交通部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展智慧港口示范工程的通知》，沿海水庫(kù)和灌區(qū)的建設(shè)，都在以人工智能為突破口參與其中，利用智能管理系統(tǒng)，可以極大地降低碼頭的經(jīng)營(yíng)管理費(fèi)用，減少產(chǎn)品制造、貿(mào)易等環(huán)節(jié)，逐步降低水庫(kù)大壩、灌區(qū)交易和物流鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的費(fèi)用，從而創(chuàng)造更多的間接效益。因此，運(yùn)用現(xiàn)代化的智能技術(shù)已成為港口發(fā)展的必然趨勢(shì)。

隨著水庫(kù)壩址和灌區(qū)裝卸貨物種類(lèi)的不斷細(xì)化，裝卸設(shè)備的科技水平不斷提高，由于裝卸過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，僅憑經(jīng)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的。國(guó)外已在水庫(kù)大壩和灌區(qū)信息平臺(tái)上進(jìn)行了相應(yīng)的研究，通過(guò)信息存儲(chǔ)、人工智能、AIS和云計(jì)算等大數(shù)據(jù)技術(shù)，持續(xù)改進(jìn)水庫(kù)和灌區(qū)設(shè)施的現(xiàn)代化程度。我國(guó)的水庫(kù)和灌區(qū)的信息化建設(shè)平臺(tái)也在迅速發(fā)展。

2 大壩安全及灌區(qū)管理的數(shù)字孿生技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩及灌區(qū)的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)和安全管理，開(kāi)發(fā)了一套高性能、可擴(kuò)展、易使用的數(shù)字孿生技術(shù)。

2.1 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生應(yīng)用需求體系

根據(jù)國(guó)家、地方政府的相關(guān)政策文件及業(yè)主需求，全面部署，頂層設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)水庫(kù)、油庫(kù)工程、管理和信息化建設(shè)的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，從工程概況、業(yè)務(wù)管理、系統(tǒng)應(yīng)用等多方面入手，對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的剖析，明確了安全監(jiān)控業(yè)務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)和雙應(yīng)用技術(shù)的重點(diǎn)。

2.2 大壩及灌區(qū)安全運(yùn)行管理體系與數(shù)字孿生應(yīng)用框架

綜合調(diào)研業(yè)務(wù)需求、發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)“一頁(yè)一圖”“基本信息”“水雨情”“預(yù)報(bào)調(diào)度”“安全監(jiān)測(cè)”“視頻監(jiān)控”“閘門(mén)監(jiān)控”等系統(tǒng)管理業(yè)務(wù)流程、指標(biāo)體系、運(yùn)行體系等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2.3 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)

基于企業(yè)內(nèi)部邏輯，建立了包括BIM、GIS、傾斜攝影等多個(gè)立體顯示模塊的模塊庫(kù)。由水工建筑物、監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等組成的組合式安全監(jiān)測(cè)體系，包含雨量計(jì)、滲壓計(jì)、流量計(jì)、溫度計(jì)、GNSS和應(yīng)力計(jì)等模塊，由水質(zhì)模型、氣象預(yù)報(bào)模型、水文預(yù)報(bào)模型、調(diào)洪演算模型、防洪調(diào)度模型和大壩安全預(yù)測(cè)預(yù)警模型等構(gòu)成，由彈窗、列表、餅圖、柱狀圖等構(gòu)成模塊庫(kù)。集成組件開(kāi)發(fā)、封裝和接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組件、業(yè)務(wù)、應(yīng)用和平臺(tái)的集成[3-4]。

2.4 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生支撐平臺(tái)

采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可視化和智能化的開(kāi)發(fā)思路，建立了水庫(kù)大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，并通過(guò)圖形化的編輯方法，根據(jù)具體工程的實(shí)際工作要求，在可視化環(huán)境下進(jìn)行組件組裝，減少了開(kāi)發(fā)人員的工作量，提高了工作效率，達(dá)到了低成本、高效率、用途廣泛的目的。該支撐平臺(tái)能夠支持三維可視化數(shù)字化場(chǎng)景，包括空間數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資源的無(wú)縫整合，并實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)實(shí)生活的動(dòng)態(tài)映射。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在水庫(kù)大壩及灌區(qū)運(yùn)行管理中的應(yīng)用研究

3.1 應(yīng)用分析

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。數(shù)字孿生技術(shù)是目前智能領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，也是復(fù)雜系統(tǒng)的智能化操作與維修中的一個(gè)重要課題。水庫(kù)大壩及灌區(qū)的運(yùn)營(yíng)管理，涉及到監(jiān)測(cè)、預(yù)警、調(diào)度和維護(hù)等業(yè)務(wù)，也涉及到對(duì)資源的收集、儲(chǔ)存等方面的規(guī)劃。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整個(gè)生命周期采集、存儲(chǔ)、交換、更新和共享。在這一過(guò)程中，數(shù)字孿生技術(shù)可以為水庫(kù)及灌區(qū)的整體管理提供有力的技術(shù)支撐。

隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，信息資源短缺、數(shù)據(jù)整合能力差、開(kāi)發(fā)利用效率低下等問(wèn)題正在逐步得到改善。

3.2 運(yùn)行機(jī)制

在信息空間中，利用幾何、物理、行為、規(guī)則等多種不同的方式，建立了一個(gè)基于數(shù)學(xué)、行為和規(guī)則的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)狀態(tài)感知、分析、決策、執(zhí)行等過(guò)程的閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體空間與信息空間的實(shí)時(shí)互動(dòng)。

3.3 單元級(jí)水庫(kù)大壩及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)

每個(gè)庫(kù)壩及灌區(qū)的數(shù)字孿生系統(tǒng)都能感知、計(jì)算、分析相應(yīng)的監(jiān)控對(duì)象和環(huán)境，水庫(kù)、灌區(qū)的物質(zhì)世界和信息世界能夠相互交融，具有可感知、可計(jì)算、可交互、可擴(kuò)展和可自主決策的最小單元。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水閘、水輪發(fā)電機(jī)組、輸水隧洞、水渠、雨情和水情等物理實(shí)體從幾何、狀態(tài)、行為、變化等方面進(jìn)行全要素重建，即通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對(duì)水利工程實(shí)際空間的運(yùn)行狀況、變化趨勢(shì)（如水位變化、電壓變化、配電設(shè)備等）進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，并根據(jù)實(shí)際情況，做出有效決策。

本文以閘門(mén)啟閉機(jī)水庫(kù)及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)為實(shí)例，利用感知模塊獲取閘門(mén)啟閉機(jī)的各種信息，其中包括閘門(mén)啟閉機(jī)的外形、啟閉力、啟閉行程和閉合速度、啟閉機(jī)功率狀態(tài)、空間尺度、閘門(mén)振動(dòng)等，對(duì)閘門(mén)開(kāi)閉器的幾何模型、物理模型、行為模型等進(jìn)行分析。在閘門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果閘門(mén)運(yùn)動(dòng)模式出現(xiàn)了明顯的跳高或提高，則會(huì)自動(dòng)切斷，并向工作人員匯報(bào)故障的原因。在檢測(cè)到開(kāi)啟高度的振動(dòng)時(shí)，可以向閘門(mén)開(kāi)啟裝置發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)打開(kāi)高度，調(diào)整后的狀態(tài)會(huì)被反饋到虛擬模型中，反復(fù)計(jì)算，避免出現(xiàn)震動(dòng)。通過(guò)使用支持向量機(jī)、動(dòng)態(tài)貝葉斯等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及知識(shí)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)等，對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)的安全性能進(jìn)行了研究。

3.4 系統(tǒng)級(jí)水庫(kù)大壩及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)

系統(tǒng)級(jí)的水庫(kù)和儲(chǔ)罐數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于其所有的單位級(jí)數(shù)對(duì)系統(tǒng)，利用狀態(tài)感知、信息交互、即時(shí)分析等方法，改進(jìn)了水庫(kù)及灌區(qū)的管理和決策能力，從而達(dá)到資源的總體分配。采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)單位層次的數(shù)字孿生系統(tǒng)的互聯(lián)和互操作，并實(shí)現(xiàn)了各功能模塊間的數(shù)據(jù)自動(dòng)流通，從而使水庫(kù)和儲(chǔ)灌區(qū)域的資源優(yōu)化配置得到更好的發(fā)揮。系統(tǒng)級(jí)水利數(shù)字孿生系統(tǒng)綜合考慮了各單位級(jí)水庫(kù)及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各模塊的統(tǒng)一調(diào)度，提高了各單位級(jí)數(shù)字孿生系統(tǒng)的協(xié)同工作能力，確保了水利項(xiàng)目的安全。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在技術(shù)路線(xiàn)的選擇上，綜合運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)大壩及灌區(qū)安全管理的統(tǒng)一。

4.1 基于混合存儲(chǔ)架構(gòu)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)與對(duì)比，最后選定了MongoDB的DB分布式內(nèi)存，以及MySQL，用于基于關(guān)系的數(shù)據(jù)和時(shí)間。提出了兩種混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器方案，即原始的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和結(jié)果的存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采用ETL技術(shù)，將各個(gè)水庫(kù)、灌區(qū)域的原始資料、水文氣象資料和地形地貌資料等數(shù)據(jù)收集起來(lái)，然后歸檔。建立了一個(gè)基于MapReduce的Hadoop分布式計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容有：水文預(yù)報(bào)模型、調(diào)度演算模型、氣象預(yù)報(bào)模型、回歸分析模型、相關(guān)性分析模型、浸潤(rùn)線(xiàn)分析模型、滲透坡降分析模型和模型容量擴(kuò)展接口。利用集群模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，把得到的資料匯集在一個(gè)復(fù)合內(nèi)存里進(jìn)行備份。采用微服務(wù)集群訪(fǎng)問(wèn)的方式，實(shí)現(xiàn)了心跳管理、負(fù)載平衡和服務(wù)權(quán)限管理。應(yīng)用WebAPI，為水庫(kù)管理、水資源管理、流域管理以及其他服務(wù)機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)服務(wù)[5]。

4.2 多級(jí)緩存熱點(diǎn)數(shù)據(jù)交互方法

為了提高速度，通過(guò)緩沖暫時(shí)將數(shù)據(jù)保存內(nèi)存中。為了提高系統(tǒng)的性能和使用效率，減少重復(fù)訪(fǎng)問(wèn)和計(jì)算過(guò)程的消耗，需要對(duì)高頻熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，利用Redis集群緩存技術(shù)，可以減少數(shù)據(jù)的平均損耗，可以訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)簇，能快速發(fā)現(xiàn)高頻異常數(shù)據(jù)，并能對(duì)熱點(diǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

4.3 BIM+GIS融合技術(shù)

BIM+地理信息系統(tǒng)集成技術(shù)問(wèn)題研究，利用三維BIM模型和3D地圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生。利用當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要的GIS軟件，可以無(wú)損地接入BIM的主流數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地與GIS系統(tǒng)進(jìn)行BIM數(shù)據(jù)匹配。實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)與三維實(shí)體模型的無(wú)縫對(duì)接，并以GIS為平臺(tái)，以BIM+GIS為基礎(chǔ)，為BIM+GIS的應(yīng)用提供技術(shù)支持和平臺(tái)支持。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及社會(huì)效益分析

利用該數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)目前已有的水庫(kù)大壩和灌區(qū)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

1）建立了與現(xiàn)實(shí)一致又高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字孿生系統(tǒng)，并將這些信息融合在一起，進(jìn)行分析、判斷，制定出合理的計(jì)劃。對(duì)水庫(kù)壩址、儲(chǔ)灌區(qū)域進(jìn)行調(diào)度、管理，節(jié)約人力、物力和時(shí)間。

2）利用人工智能技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，搭建平臺(tái)，打通后方管理平臺(tái)、水庫(kù)大壩和灌區(qū)區(qū)域的信息屏障，基于云端的數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)多個(gè)異質(zhì)信息進(jìn)行統(tǒng)一、同步和預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)了身份識(shí)別系統(tǒng)、RFID、雷達(dá)、AIS、CCTV、機(jī)械設(shè)備和船用設(shè)備等信息的同步、預(yù)處理。

3）基于4G/5G通信技術(shù)，以智能手機(jī)為終端，將庫(kù)區(qū)、大壩、灌區(qū)、閘門(mén)、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)房和控制室等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一的“數(shù)字孿生”體系。在雷達(dá)、視覺(jué)深度處理、工業(yè)總線(xiàn)、激光雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)等手段支持下，極大地提高了“數(shù)字孿生”的感知和整合功能，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。

4）搭建云服務(wù)平臺(tái)，與操作維護(hù)人員的手機(jī)APP相連，提高水壩本身的智能監(jiān)控功能；從參與大壩安全監(jiān)督管理的角度出發(fā)，采用“數(shù)字孿生”技術(shù)，為不同的用戶(hù)提供數(shù)據(jù)和控制界面。最后，在不增加現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的情況下，進(jìn)行最優(yōu)整合，提高水庫(kù)整體大壩、儲(chǔ)灌區(qū)及其相關(guān)水系的服務(wù)效率。

5）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變、滲流滲壓、變形監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)乃至水雨情的各種信息的收集和整理，并保障消息的實(shí)時(shí)性與可靠性，通過(guò)系統(tǒng)提前進(jìn)行預(yù)判和管理，解決了以往水庫(kù)大壩及灌區(qū)依靠人的視覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理的比較落后的模式。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)大壩及灌區(qū)全生命周期、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)的雙向信息傳輸，提出了水利信息化的新思路、新技術(shù)、新模式。數(shù)字孿生技術(shù)在水庫(kù)大壩及灌區(qū)的應(yīng)用還處于起步階段，為了能與現(xiàn)實(shí)接軌，要在理論、技術(shù)和信息化方面進(jìn)行探索，在信息化的認(rèn)識(shí)和方法創(chuàng)新上，都要與GIS、BIM技術(shù)緊密結(jié)合。本文所開(kāi)發(fā)的“數(shù)字孿生”技術(shù)平臺(tái)，對(duì)中國(guó)大壩及灌區(qū)安全管理和運(yùn)營(yíng)具有一定的參考價(jià)值。