霍建偉，李永勝，張軍琿，陳見長，郭冬冬

(云河(河南)信息科技有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展和無人機等硬件的成熟應(yīng)用，如何充分利用新技術(shù)，推進引調(diào)水工程運行管理的數(shù)字化、智能化水平，已經(jīng)成為當前引調(diào)水工程信息化研究的熱點。數(shù)字孿生作為實現(xiàn)物理世界和虛擬世界數(shù)據(jù)實時交互、融合的一種有效方法，得到了廣泛的關(guān)注和重視。借助數(shù)字孿生技術(shù)，對數(shù)字孿生和引調(diào)水工程運行管理進行理論融合分析，構(gòu)建引調(diào)水工程運行管理數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠增強引調(diào)水工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學(xué)決策能力和精準執(zhí)行能力，大幅提高引調(diào)水工程的智能化運行管理水平。

1 引調(diào)水工程運行管理現(xiàn)狀

引調(diào)水工程運行管理涉及業(yè)務(wù)領(lǐng)域較多，工作內(nèi)容比較復(fù)雜，包括工程運行監(jiān)視、工程巡檢、工程安全監(jiān)測、水量調(diào)度管理、設(shè)施設(shè)備運維等，各項工作都有很強的系統(tǒng)性和綜合性。

“十三五”期間，重大引調(diào)水工程的建設(shè)全面提速，擴大了水利信息化范圍，完善了相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，顯著提升了引調(diào)水工程信息化、智能化水平。但是和國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的總體要求及水利改革發(fā)展需求相比，當前引調(diào)水工程運行管理信息化、智能化水平仍存在一些差距和不足，主要表現(xiàn)在以下方面。

一是由于環(huán)境、交通、網(wǎng)絡(luò)、資金等問題，引調(diào)水工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動化采集設(shè)施不夠完善，一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集還需要依賴人工作業(yè)。

二是引調(diào)水工程各業(yè)務(wù)相關(guān)部門存在嚴重的數(shù)據(jù)資源不對等現(xiàn)象，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)存在大量的信息孤島，無法充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進行數(shù)據(jù)整合、分析和優(yōu)化、輔助決策。

2 數(shù)字孿生與引調(diào)水工程運行管理融合理論分析

2.1 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生概念最早源于2003年密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫教授在產(chǎn)品生命周期管理課程上提出的“等同于物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達”思想[1_2]。在2012年美國國家航空航天局(NASA)正式給出了數(shù)字孿生的明確定義：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬信息空間完成對物理實體的映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程[3]。具體講就是將各種傳感器部署到物理實體上，通過感知物理世界的運行狀態(tài)，在信息空間構(gòu)建和物理實體相互映射、實時交互、高效協(xié)同的虛擬模型。這個模型能夠反應(yīng)這個物理實體的幾何參數(shù)、物理屬性、運行規(guī)律等，模型具有評估、優(yōu)化、預(yù)測等功能，基于物理實體和虛擬模型能夠提供智能運行、精準管控和可靠運維服務(wù)[4_5]。

2.2 數(shù)字孿生與引調(diào)水工程運行管理融合分析

針對引調(diào)水工程運行監(jiān)視業(yè)務(wù)，利用數(shù)字孿生理論，基于GIS+BIM技術(shù)，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數(shù)據(jù)，在信息空間中對引調(diào)水工程物理實體進行刻畫，構(gòu)建相應(yīng)的引調(diào)水工程虛擬模型，虛擬模型與物理實體在空間位置、幾何、物理、行為、規(guī)劃等方面有準確的映射關(guān)系；并且虛擬模型和物理實體通過服務(wù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交互，從而實現(xiàn)引調(diào)水工程運行管理過程的可視化全景監(jiān)視。

針對引調(diào)水工程水量統(tǒng)一調(diào)度管理，通過建立二三維一體模擬仿真平臺，實現(xiàn)水量調(diào)度方案及實時調(diào)度過程相關(guān)要素的仿真模擬，有效提高水量調(diào)度決策的科學(xué)化、精細化水平。

通過以上分析可知，數(shù)字孿生及時為物理實體和虛擬模型的交互融合搭建了橋梁，借助數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建引調(diào)水工程數(shù)字孿生系統(tǒng)，促成了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、交換和共享，能夠?qū)崿F(xiàn)引調(diào)水工程物理空間和信息空間的實時交互、迭代優(yōu)化，在全局范圍內(nèi)增強引調(diào)水工程信息全面感知能力、深度分析能力、科學(xué)決策能力和精準執(zhí)行能力。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在引調(diào)水工程運行管理中的應(yīng)用

3.1 基于GIS+BIM構(gòu)建數(shù)字孿生底座

在某引調(diào)水工程中基于GIS+BIM技術(shù)，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了引調(diào)水工程數(shù)字孿生底座，實現(xiàn)了直觀展示引調(diào)水工程全景及工程重要區(qū)域建筑物工程信息模型，同時為其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成提供虛擬模型支持(見圖1)。

圖1 工程運維駕駛艙

基于數(shù)字孿生底座和物聯(lián)網(wǎng)融合集成技術(shù)，集成了引調(diào)水工程概況信息、水雨情監(jiān)測信息、流量監(jiān)測信息、水質(zhì)檢測信息、各類報警信息、視頻監(jiān)控信息、工程運行信息等。同時，深度整合大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，為引調(diào)水工程的數(shù)據(jù)可視化、仿真分析、交互、智能決策提供了平臺支撐。

3.2 水調(diào)統(tǒng)一調(diào)度管理系統(tǒng)

南水北調(diào)東線一期工程山東段水量調(diào)度系統(tǒng)利用“數(shù)字孿生”技術(shù)建立了二三維一體模擬仿真平臺，在計算機中建立一個與現(xiàn)實引調(diào)水工程相對應(yīng)的數(shù)字模擬體。同時，結(jié)合工程特點，利用渠池蓄量平衡原理自主研發(fā)了“同步控制自適應(yīng)平衡”調(diào)度控制模型，實現(xiàn)水量調(diào)度方案及實時調(diào)度過程相關(guān)要素的仿真模擬，有效提高了水量調(diào)度決策的科學(xué)化、精細化水平(見圖2)。

(1)調(diào)度方案模擬 (2)實時調(diào)度監(jiān)視圖2 二三維一體模擬仿真平臺

4 結(jié) 語

數(shù)字孿生技術(shù)當前正處于飛速的發(fā)展過程中，越來越多的行業(yè)領(lǐng)域也正在利用數(shù)字孿生技術(shù)給行業(yè)發(fā)展提質(zhì)增效。引調(diào)水工程是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，本文針對當前引調(diào)水工程運行管理存在的問題，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，進行了兩者在運行監(jiān)視、水量統(tǒng)一調(diào)度管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域融合的理論研究。研究成果在某引調(diào)水工程運行管理中進行了應(yīng)用，增強了引調(diào)水工程運行管理的科學(xué)性和前瞻性，提高了引調(diào)水工程運行管理的信息化、可視化與智能化水平。