数字孪生水库关键技术研究与应用

数字孪生水库关键技术研究与应用

1.文光旭,2.莫和建,3.陈家盛

贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂 贵州省遵义市564408

摘要：目前，我国各主要水库及灌区均建立了大坝安全监测信息的收集和管理体系，可以对大坝进行数据采集和安全管理，但是，不能及时、有效地分析和诊断水坝及灌区的安全情况，不能满足多层水库和储灌区域的安全管理，为此，应从工程与非工程的角度，引入新理论、新技术和新模式，改善水库和灌区的安全管理工作。随着物联网、边缘计算、云计算以及数字孪生等技术的不断发展和进步，为水库大坝的安全管理提出了新的设想。

关键词：：数字孪生；智慧水库；水库运行管理；大坝安全

引言

数字孪生（Digital Twin）是物联网及工业4.0重要技术手段。数字孪生概念最早由密歇根大学Grieves教授提出，其定义描述最早由美国国家航空航天局（National Aeronauticsand Space Administration，NASA）提出，即为更精准地分析物理实体，构建和实体等价的虚拟体或数字模型，监控实体运行的机理和状态，采集数据完善模拟体模型，为后续实体运行提供更精确的决策。水利部提出推进智慧水利建设，要坚持系统观念，做好顶层设计，从数字孪生流域、数字孪生工程、水利业务应用、网络安全体系等方面构建标准统一、模块链接、互为融通、共享共用的总体框架。随着BIM(Building Information Modeling)设计的普及、无人机倾斜摄影技术的投入、新型传感器的加速布置、机理模型与平台融合技术的研发、地理信息科技等的广泛应用，水利行业已开始关注数字孪生，但目前关于数字孪生的体系研究仍相对较少。本文总结数字孪生研究进展及相关技术，提出一套基于数字孪生的智慧水利框架体系，为智慧水利的建设提供参考。

1数字孪生

数字孪生体是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。通过结合5G通信、物联网、BIM、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。通过数字化手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制，综合运用感知、计算、建模等信息技术,在水利工程建设中综合集成应用，建立新型虚拟模型基础设施是实现水利治理能力现代化和发展数字经济的重要手段，是智慧水利建设的重要标志。

2数字孪生水利工程建设总体目标

数字孪生水利工程指在数字空间虚拟再现真实水利工程的复杂系统，主要是通过物联网、大数据、人工智能、虚拟仿真等技术，对实体水利工程全要素和建设运行全生命周期进行数字化映射、智慧化模拟，支撑工程调度应用精准化决策和持续迭代优化，实现数字孪生水利工程与实体水利工程同步仿真运行、虚实交互。数字孪生水利工程主要是建设数字化映射的数字孪生平台、建设基于数字孪生平台搭建的各类智慧业务应用系统以及建设配套基础设施。数字孪生水利工程主要建设内容应包括数据数字孪生平台、智能业务应用和信息基础设施等。通过数字孪生平台的建设，构建与实际水利工程高度仿真、同步模拟的数字孪生体，可以在数字孪生体模拟和预测各类业务应用场景。通过信息基础设施的建设。可以提升工程整体的基础信息化水平，提升工程获取数据的时效性、稳定性和范围，提升算力能力。围绕不同的工程任务，基于统一的数字孪生平台，以防洪、水资源、工程安全等水利工程重点业务为主，构建不同业务应用场景，同时利用数字孪生的特性，提升工程安全生产及日常管理的效率和水平。

3数字孪生水库关键技术

3.1 BIM+GIS数字孪生水库

通过将关键业务数据与BIM+GIS模型融合，图形化展示大坝实时运行形态，并列出各类告警事件、关键运行数据等信息，展示水库工情和管理情况，帮助用户直观、快速概览水库运行全局，掌握关键信息。将BIM模型与大坝安全诊断模型深度融合，通过大坝安全综合评价模型实现对大坝实时工作状态的综合评价，及时发现大坝病险情况，为决策提供支持。搭建水库工程设备设施BIM模型，进行BIM模型编码及属性数据加载，可实现对水库工程设施设备的“可视化”管理。

3.2可视化平台

构建棘洪滩水库智慧管理可视化平台，通过多种方式或技术相互结合，全面展示综合运行状态。可视化平台界面主要设计板块包括基础信息板块、调度信息板块、告警信息板块、水情信息板块、工情信息板块、视频监控板块、水质监测板块、水文信息板块、二三维全景展示等功能板块。综合运行动态，具体包括但不限于：水位、蓄水量、库容、雨水情、水质监测、当前调水任务、工程安全、设备运行状态及参数、视频监控、水文等多类数据的整合展示分析。系统提供灵活的数据查询方式，利用多维度、不同时间对比等方式，体现运行动态。指标数据需展示近一段时间的数据曲线，例如：近一个月水位变化、近一年的蓄水量变化、不同时期的水质细分指标浮动等等。

3.3视频与三维ＧＩＳ融合技术

视频数据直观、丰富，实时性好，多通过视频监控室进行查看。地理信息实时性差，更新慢，无法反映动态变化的场景。但视频中均包含了特定的地理场景，将视频中的地理场景与ＧＩＳ尤其是三维ＧＩＳ的有效融合，才能更好地发挥视频监控的优势。视频与地理信息的融合在目标检测跟踪、地图数据更新方面均有广阔的应用前景。本文视频融合技术主要为视频监控同三维场景融合，主要将特定场景的帧序列视频通过建模、特征拼接等方式与三维场景融合，生成一体化的实时虚拟世界，增加了视频画面的互动性，有效提升用户对监控视频关联性的体验感。

3.4数字孪生技术与巡检管理系统的融合

水利工程水工及设备巡检是日常管理重点工作之一。通过建立巡检系统，及时发现问题、解决问题，降低损失，保障水利工程的正常运行和各设备的维护。巡检系统应具备巡查线路、巡检类型（日常检查、定期检查、专项检查）、巡检任务、问题记录、巡检报表查询等功能，从而推动维修养护管理工作程序化、精细化、规范化。巡检管理系统与工程管理系统实现了设备信息的互连互通，同时结合RFID技术和手持终端实现对水利工程关键点位的多维度巡查，满足不同类型的巡查任务。将RFID技术运用于巡检系统中，在主要机电设备、启闭设备、水泵设备等主要巡视检查设备上安装电子标签，巡视人员按照指定巡视检查线路进行巡视，掌握设备的运行状态。

3.5无人船＋AI智能库区安防

针对传统安防巡检频次有限、效率低下问题，可采用无人船搭载AI视频设备，对水库水面进行全覆盖监控，对库区容易出现人员进入点重点监控，对库区相关非法行为和危险活动进行警示、提醒和驱离，实现库区安防从“人防”到“技防”转变。

3.6泵站智慧管理

全面、准确了解泵站设备基础数据与运行状况，具备辅助决策各台机组的负荷分配功能，为泵站的工作效率、能量消耗、安全调度以及优化标准提供相应依据，协助运行人员进行优化调度控制，提高泵站级的调度运行水平，实现经济效益最大化。针对多种融合的数据进行趋势预测，并考虑到外部干扰的影响，其预测处理的结果能有更加宽泛的可比性。

4数字孪生水库建设策略

4.1完善信息基础设施

基础设施主要为数字孪生水利工程服务。主要建设内容包括为孪生平台提供“算据”的基础信息感知测站、为孪生平台提供“算力”的计算存储设备以及配套的通信和展示环境。水利工程多位于距离人类生活较远的区域，因此应根据工程实际需要建设完善监测感知设施。新建监测设施宜选用具备自动测报、双路供电、多种通讯、断电存储等功能的产品。重要监测信息应采用多路冗余采集。信息基础设施应集约建设、匹配兼容，并具有网络安全防护功能，测点编码应符合水利对象编码要求。应根据需要配置卫星应急通信设备，保障极端情况下的信息报送和预警发布能力。绝大多数工程管理单位数据量和计算量较小，考虑建设和运行维护成本，建议工程单位以小型虚拟化云节点或者单机服务器的形式，构建计算存储环境。配套通信和展示环境以复用现有的设备为主，视经济情况建设大屏等展示手段。

4.2安全管理

安全管理模块涵盖工程安全、水源安全、库区安全及安全生产，满足大坝安全全面管理需求，其中工程安全模块运用大坝安全诊断模型为用户决策提供辅助支撑作用。按照水库功能定位，实现水量安全和水质安全管理；库区安防使用AI摄像头及无人船巡库等手段，实现了库区安全的综合管控，同时提供游客预约功能，基于现场的AI摄像头布设，对游客行踪进行规范化监控。基于先进的安全生产考核体系，实现安全生产的综合管控。

4.3动态监管云平台设计

动态监管云平台是整个应用的大脑。小型水库大坝安全动态监管云平台通过自动化数据采集、实时在线监测、实时分析及安全预警，建立包含地理信息、水库特性、水雨情、安全监测、智能巡检、视频融合、安全管理、运行管理、年度报告、３个责任人、３个重点环节、知识库、信息下达、系统管理等。平台汇聚了二三维的地理空间数据、实时监控数据、基础的河流、水利数据、业务管理数据及外部共享的其他数据，形成统一的数据引擎。在此基础上，结合通用能力平台服务，包括物联网平台、视频平台、ＧＩＳ平台等，构建模拟仿真引擎。通过洪水淹没模型，洪水预报模型，图像识别等，进一步为其他系统提供服务。

4.4系统级水库大坝及灌区数字孪生系统

系统级的水库和储罐数字孪生系统，基于其所有的单位级数对系统，利用状态感知、信息交互、即时分析等方法，改进了水库及灌区的管理和决策能力，从而达到资源的总体分配。采用现场总线、以太网、无线网络等技术，实现了多个单位层次的数字孪生系统的互联和互操作，并实现了各功能模块间的数据自动流通，从而使水库和储灌区域的资源优化配置得到更好的发挥。系统级水利数字孪生系统综合考虑了各单位级水库及灌区数字孪生系统的数据及其相互关系，实现了对各模块的统一调度，提高了各单位级数字孪生系统的协同工作能力，确保了水利项目的安全。

4.5网络安全保障

根据《海委网络安全管理办法(试行)》,本项目网络安全遵循网络安全与信息化“同步规划、同步建设、同步运行”的原则。参考网络安全等级保护要求,结合数字孪生平台安全需求特点,遵循适度安全为核心,以重点保护、分类防护、保障关键业务、技术、管理、服务并重、标准化和成熟性为原则,从多个层面进行建设,构建必要的信息安全体系,使信息系统在安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境、安全管理中心等各个层面不仅达到“第三级网络安全等级要求”,而且还符合信息系统业务特点,为信息系统业务的运行提供安全保障。安全通信网络方面,在漳卫南局互联网出口部署抗拒绝服务(抗DDOS)、链路负载均衡;安全区域边界方面,在漳卫南局互联网出口部署下一代防火墙(高性能),在广域网上连海委以及服务器区之前部署下一代防火墙(中低性能),在互联网出口防火墙之后部署入侵防御系统;安全计算环境方面,在核心交换机旁路部署入侵检测系统,并全局部署日志审计设备、数据库审计系统、WEB应用安全网关、数据备份系统、杀毒软件和用户准入及行为监控系统;安全管理中心方面,在运维管理区部署堡垒机和漏洞扫描系统,并提升综合安全运营服务(态势感知)能力和重大活动网络安全保障服务(含应急响应)能力。

4.6水闸数字孪生工程构建

本文结合某水闸数字化建设方案，应用智慧水利框架体系，构建数字孪生工程。（1）感知层建设：布置传感器实时采集流量、水位、雨量、水质、位移、压力等数据，利用无人机倾斜摄影获取水闸附近地形、地貌和影像位置信息，配置北斗终端将水文监测数据实时上传，采用卫星导航提供基础遥感数据，使用计算机视觉与感知技术实时监管水闸运行。（2）设施层建设：通过北斗终端等通讯设备，将感知层中采集数据接入水利单位云存储服务器与云计算平台。利用5G通讯技术实现数据快速响应，采取包括数据备份、数据加密、设备套层等数据安全防护措施。（3）数据处理层建设：结合感知层技术手段和数据库相关数据，开展轻量化建模，实现水闸外部几何模型、闸门启闭运动模型、河道水位及流量变化模型等的构建。利用AI视频处理技术及时监控水闸内部异常情况，连通模型快速标注确切位置。采用GIS+技术分析暴雨时空特征、退水、洪水淹没等为搭建系统防汛子平台提供支撑。（4）模型层建设：结合数据处理层实时动态处理感知数据，构建水闸工程安全、调度管理、水生态评价等模型，映射模型状态特征，搭建动态建模子平台，实现动态评价。（5）平台服务层建设：接入上述模型计算软件的处理结果，结合操作系统展示相关数据与图形。

4.7孪生引擎建设区别

孪生引擎主要包括数据引擎、知识引擎、模拟仿真引擎。孪生引擎应满足水利工程数据的加载、渲染、应用等要求，在调用接口、调用效率等方面应具有一定通用性，同时还应兼容国产软硬件环境。对于大型水利工程或工程数据较大的情况，数据引擎应当具备数据汇聚、清洗、转换、共享、展示、计算、更新等服务能力；对于数据量和投资有限的工程，应当在满足数据的加载、渲染、应用等基本功能基础上，以空间数据融合和服务为主要建设内容。对于大型水利工程，知识引擎应提供知识语义提取、知识推理、知识更新、集成应用等服务能力，提升工程安全分析预警与调度决策全流程智能化、精准化水平。对于中小型水利工程，可酌情开展知识引擎建设。模拟仿真引擎是数据底板展示的主要平台，应为数据底板提供数据加载、场景管理、仿真建模、空间分析、仿真计算、三维渲染、特效处理、模型轻量化等服务能力，实现物理工程的同步直观表达、工程建设运行全过程高保真模拟。对于大型水利工程，建议以高性能仿真的游戏引擎作为主要模拟仿真引擎，辅助建设低时延的轻量化模拟仿真引擎。对于中小型水利工程建议建设轻量化模拟仿真引擎。

结束语

数字孪生是实现智慧水利的必要技术手段。为理清智慧水利与数字孪生内在关系，研究总结各类数字孪生前沿技术及水利行业应用情况，提出一套逻辑关系清晰的智慧水利框架体系，并基于模型层相关技术研究提出动态建模流程，同时将该框架体系应用于某水闸数字孪生工程构建以开展实践探索。本文仅对数字孪生涉智慧水利相关技术做出初步总结和探讨。未来将结合所构建体系深入研究相关技术，逐步完善体系理论，并进一步开展该体系在数字孪生流域的应用。

参考文献

[1]王伟,周少良.数字孪生工程建设背景下水利工程智能感知巡检系统建设[J].水利建设与管理,2023,43(01):26-31.

[2]张瑜洪,韩涵.严守水利工程安全底线不断提升运行管理水平——访水利部运行管理司司长张文洁[J].中国水利,2022,(24):17-18.

[3]汪涛,孙海波.智慧灌区数字孪生技术的应用构想[J].江苏水利,2022,(S2):86-89+92.

[4]张阿哲,李家欢,朱子建.数字孪生流域数据安全问题探究及对策[J].水利信息化,2022,(06):15-19.

[5]左海阳.基于数字孪生的松辽流域水工程防灾联合调度系统探索[J].中国防汛抗旱,2022,32(12):41-47.

[6]夏润亮,李涛,余伟,李英睿.流域数字孪生理论及其在黄河防汛中的实践[J].中国水利,2021,(20):11-13.