数字孪生技术与智慧水利系统的融合及应用分析.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：侯晓彬（1986），男，汉族，河南濮阳人，本科，河水利委员会河南水文水资源局，工程师，研究方向为水文测验。-17-数字孪生技术与智慧水利系统的融合及应用分析 侯晓彬 黄河水利委员会河南水文水资源局，河南 郑州 450004 摘要：摘要：对水利系统内各式传感器数据全面搜集，经过计算机加工，建构一个可信赖的数字孪生模拟体系，可实现出真实的模拟效果。数字孪生技术能够实现对水利设施的数字化建模和仿真，使专业人员能够更全面、准确地了解水资源的流动和利用情况。本文对数字孪生和智慧水利系统进行了详细介绍，并深入研究了二者的融合路径以及应用方向，以期能够为后续水利领域的发展带来一定参考作用。关键词：关键词：数字孪生技术；智慧水利系统；融合 中图分类号：中图分类号：TV51 数字孪生技术能够实现对水利设施的数字化建模和仿真，使专业人员能够更全面、准确地了解水资源的流动和利用情况。这有助于提高水资源的有效利用率，减少浪费，从而降低水资源的供需矛盾带来的经济压力。智慧水利系统的融合将实现自动化监测和控制，优化水资源调度和分配，提高供水的稳定性和可靠性，不仅可以降低维护成本，还能减轻水资源短缺所带来的经济损失。1 数字孪生 数字孪生是在物理世界和数字世界之间建立联系，通过数字化的方式实时模拟、监测和分析物理对象或系统的行为和状态。它是现实世界与虚拟世界的一种融合，利用传感器、数据采集技术和人工智能等技术，将真实对象的实时数据反馈到数字模型中，同时将数字模型的预测和分析结果应用于实际物体，实现对实体物体的远程监控、优化和控制。这一概念最早于 2017 年由美国国家航空航天局（NASA）提出，将虚拟仿真技术与实际运行设备相结合，其应用领域广泛，包括工业制造、智能城市、物联网、农业、医疗保健等。在水利工程中，数字孪生的思想是通过创建和维护一个虚拟的、数字化的水利系统模型，以实时或准实时地复制和模拟实际水利系统的运行状况。数字孪生技术的实现依赖于传感器网络、物联网、人工智能、大数据分析等多种先进技术，能实时采集水利系统中的水位、流量、压力、水质等各种数据，并将其传输到数字孪生模型中进行处理。数字孪生的应用在水利工程中带来了众多好处，它提供了实时监测和预警系统，工程师和水电工程管理者可以更及时地了解水利系统的运行状况，从而更好地做出决策1。该技术还可以模拟不同的工程方案和应急预案，以此来优化水资源的利用和管理工作，提高水利工程的运行效率。2 智慧水利概况 在当前时刻，我国水利事业正在迎来一场全新的发展浪潮，而智慧水利已经成为衡量该领域进步的重要标杆。智慧水利是指利用先进的信息技术手段与水利工程相结合，以提高水资源的综合利用效率、水文监测预测能力和水灾防控水平的水利管理模式。随着科技的飞速发展，智慧水利正逐渐成为推动水利事业发展的重要引擎。智慧水利在灾害防控方面有着显著的优势，通过监测和预测，可以提前预警洪水、干旱等自然灾害，采取相应的措施避免或减轻损失2。同时，在灾后的救援和重建过程中，智慧水利技术也能够提供有力支持，快速恢复受灾地区的水利基础设施，降低灾害造成的影响。建设智慧水利平台，水利部门能够实现信息的共享和交流，提高工作效率，优化资源配置，实现精细化管理。此外，智慧水利还有助于提高水利部门的决策水平，为水利规划和政策制定提供科学依据。3 数字孪生技术与智慧水利系统的融合 3.1 数字孪生技术与工程调度运行管理系统的融合 中国科技期刊数据库 工业 A-18-为确保工程操作的质量，要时刻监测工程状况，并妥善安排工程调度，以使用户能高效且方便地监控运行情况，并同时记录所有操作过程，借助软件对操作进行深入分析，采用流程化的调度方法，以确保调度过程无缝连接，消除跳跃式操作，从而保障工程启闭的稳定和安全。调度的主要任务有三项：接受调度指令、验证调度指令，并记录运行状况。水利工程的管控一体化纽带，涉及多项运行监视任务。其中包括实时数据监测，例如水利工程自动化监控、视频监控、工程安全监测和泵闸运行状态监测等控制系统数据。此外，采用 BIM 三维场景查询监控信息，以提升监测的可视化效果 3.1.1 调度运行流程 数字孪生技术通过实时监测和传感器数据采集，将水利系统的实际运行状态数字化，构建数字孪生模型。这一模型包含水库、水文、气象等多个子模块，实现对水利系统各个环节的全面模拟与反映。其次，智慧水利系统将数字孪生模型与实际水利设施实时连接，通过数据同步与传输，保证数字孪生模型的实时性和准确性。接着，基于数字孪生模型的数据分析与处理，智慧水利系统能够预测未来水文气象状况，以及水利系统的运行状态。根据预测结果，系统自动优化调度方案，实现对水库蓄水、泄洪以及供水计划等关键指标的优化调控。3.1.2 调度运行监测 计算机监控系统通过与安全设备的链接，运用工业控制协议来提取信息。这些信息被实时用于显示闸泵的主要运行数据，涵盖目前的流量、闸泵状态、开启台数、温度，以及电气量等关键参数。系统为了实现设备运行状态的实时监测，不仅提供了全站视频监控画面，还将水雨情数据成功接入，为闸泵的启动提供了重要的数据依据3。3.1.3 调度管理 数字孪生技术与智慧水利系统的融合，能够实现智能化的自动调度与优化，通过建立智能算法，实现系统自主学习与优化，提高调度决策的精准性和效率，降低对人工干预的依赖。接收工程运行的调度指令是调度管理系统的首要任务，系统会根据相应规定，自动呈现多种调度方案以供选择，而后进行记录和追踪调度指令的传递与执行过程。3.1.4 值班管理 值班人员可以通过智慧水利系统实时监测和控制水利设施，及时响应突发事件，提高对水资源的有效调控和应急处理能力。虚拟仿真场景进行实践和培训等相关操作，能有效提升应对复杂情况的技能水平。此外，数字孪生技术还可以对历史数据进行回溯和分析，从而帮助值班人员发现问题的根源，优化运行策略，提高水利系统的稳定性和可靠性。3.2 数字孪生技术与工程设备管理的融合 水利工程的工程管理需要提供多项功能来支持其高效运行，其中包括基于工程的信息管理、设备编码管理、设备台账管理、备品备件管理以及运维资产管理。这些功能的结合让水利工程管理人员能够更好地把控工程的状态和设备的使用情况，以及更好地规划和管理备品备件的库存。3.2.1 工程信息管理 将设备的设计、制造、安装、运行等各个阶段的数据纳入到统一的信息系统中，实现信息的共享与交流。这样一来，智慧水利工程项目的各方相关者，包括设计师、施工人员、运维团队等，都可以通过数字孪生平台，随时随地获取工程设备的状态信息、历史记录和预测数据。结合大数据分析和人工智能算法，可以发现设备运行中的异常行为和潜在问题，进一步优化维护计划和预防性维护策略。3.2.2 设备编码管理 每个水利设备都被赋予独一无二的编码，形成数字孪生模型与实际设备之间的关联，这些编码有设备的生产信息、技术规格、维护记录和实时状态等关键数据。智慧水利系统通过感知设备运行数据，实时更新数字孪生模型，保持与现实设备的同步性。设备编码的唯一性确保了每个设备都有独立身份，避免了信息混淆。其次，数字孪生技术实现了设备信息的动态更新，维护人员可随时通过智慧水利系统获取设备状态、故障预警等实用信息4。3.2.3 设备台账管理 中国科技期刊数据库 工业 A-19-传统的设备台账往往以纸质或电子表格形式存储，更新不及时且易于遗漏。而借助数字孪生技术，可以实现对水利工程设备的实时监测和数据采集。智慧水利系统通过传感器、互联网和物联网技术实时收集设备运行状态、温度、压力等数据，并将其与数字孪生模型进行同步。这样，管理人员可以在数字孪生平台上直观地了解设备的运行状况。3.3 数字孪生技术与维修项目管理的融合 3.3.1 维修项目管理 在进行各项保养工程时，应严格遵循相应准则，实施全面的流程管理，并仔细记载工程中的重要事件。以往的传统维修项目管理中，往往依靠经验判断和手动巡检，容易产生延误和漏检现象。而数字孪生技术的应用，可以在现实中实时呈现设施的运行状况，提供全面准确的数据支持。同时，智慧水利维修项目管理将数字孪生技术获得的数据与智能算法相结合，能够快速识别设施故障和异常，并自动制定最佳的维修方案，从而提高维修效率和质量。3.3.2 养护项目管理 在水利工程中，技术人员借助专用的信息管理平台，录入养护项目的各项要素，包括养护计划、养护情况、养护决算、养护总结和验收信息。所有这些数据将按照设定的步骤进行逐一审查，并由智能系统自动生成管理卡片，用于有效跟踪和监控养护进度与结果。3.4 数字孪生技术与巡检管理系统的融合 智慧水利巡检管理系统则是应用人工智能、物联网等技术，实现对水利设施的智能监控与巡检管理的一体化系统，两者的融合为水利巡检带来了前所未有的优势。通过实时采集水利设施的数据，数字孪生技术能够构建设施的数字影像，并将其与现实中的设施进行精确匹配。从智慧水利巡检管理系统中获取实际设施运行的数据，数字孪生技术可以对数字模型进行实时更新和优化。这种双向的数据交流与反馈机制，不断提升了数字孪生技术的精度和适应性，使其在更复杂的水利设施中也能得到应用。4 数字孪生技术在智慧水利系统中的应用路径 4.1 常规应用 针对水利工程的日常工作，采用了 SOA 架构，并且基于 BIM 技术，遵循主流 W3C 标准和规范，使得智慧水利的主要职能得到有效优化。借助数字化设计，能够提供丰富多样的信息服务，包括水利工程监控、工程概要、工程模型、工程维护、工程防洪、水情、空间、视频以及预警等方面。这些服务共同构建了一个高效、智能的水利工程管理体系。数字孪生技术可以实现对水资源的全面监测和预测。通过传感器网络和数据采集设备，实时监测河流、水库、湖泊的水位、流量、水质等信息，并将这些数据与数学模型相结合，建立数字孪生模型。这样一来，决策者可以获得水资源的实时状态和未来发展趋势，为制定合理的水资源管理策略提供有力支持。传统的维护方式主要是基于定期检查和经验，容易忽视潜在问题。而通过数字孪生技术，可以对水利设施进行虚拟仿真，实时监测设备状态和性能，发现异常情况，并及时预警，从而减少设施故障的发生，提高设施的运行可靠性和安全性。数字孪生技术还可以用于水灾预警与应急响应，通过数字孪生模型模拟水文过程和水灾扩展，预测可能发生的水灾情况，为防洪减灾提供科学依据。在水灾发生后，数字孪生技术可以实时监测灾情演变，辅助应急指挥决策，优化救援资源的配置，最大程度减少损失5。4.2 轻量化应用 该技术通过将实际水利系统与其数字模型相结合，实现了对系统运行状态的实时监测和预测，为决策提供了有力支持。数字孪生技术的轻量化应用使得智慧水利系统能够高效地进行资源调配和风险管理，从而实现水资源的合理利用和安全运行。此外，数字孪生技术还为智慧水利系统的优化和升级提供了新的思路，通过在数字孪生环境中模拟不同方案的效果，选择最优解决方案并快速实施，提高了系统的运行效率和响应能力。4.3 数字化应用 数字孪生是将实物系统与数字模型相结合的先进技术，通过实时采集、传输和分析水利系统的数据，构建出真实水利系统的虚拟复制品。这个数字化的复制品能够精确地模拟实际系统的运行状态，包括水文、中国科技期刊数据库 工业 A-20-水资源、水环境等关键信息。数字孪生技术的应用为智慧水利系统带来了许多优势。5 结束语 综上所述，通过实时模拟、监测和分析水利系统的运行状况，数字孪生技术提供了全面、精准的数据支持，助力智慧水利系统的优化决策、资源调配和灾害应对。随着科技不断进步，数字孪生技术在智慧水利领域的应用前景将更加广阔。参考文献 1王岩,刘斌,徐立建,张璇.数字孪生技术与智慧水利枢纽建设思考J.江苏水利,2022(2):76-80.2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):81-85.3王岩,刘斌,徐立建.数字孪生技术与智慧水利枢纽建设思考A.中国水利学会.2022 中国水利学术大会论文集(第四分册)C/中国水利学会:中国水利学会,2022:89-93.4蔡阳.以数字孪生流域建设为核心构建具有“四预”功能智慧水利体系J.中国水利,2022(20):2-6,60.5顿晓晗,王源楠,肖文,谢非.基于数字孪生技术的智慧水利应用研究A.中国水利学会.中国水利学会 2021 学术年会论文集第四分册C/中国水利学会:中国水利学会,2021:273-276.