史亞平 王佳麗 徐世雄

1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司勘察分公司 江蘇 揚(yáng)州 225000

2.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司 江蘇 揚(yáng)州 225000

水利工程作為協(xié)調(diào)水資源為社會發(fā)展提供服務(wù)的作業(yè)，對于社會的發(fā)展具有很大的影響，所以水利工程的功能發(fā)揮就成為相關(guān)單位的作業(yè)要點。智慧水利工程作為借助先進(jìn)設(shè)備以及技術(shù)對水利工程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的作業(yè)，能夠在保證水利工程作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上加快工程的作業(yè)效率，很大程度上滿足社會發(fā)展的需要。然而智慧化水利工程具有很強(qiáng)的技術(shù)性，作業(yè)環(huán)節(jié)需要先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備以及專業(yè)的技術(shù)人員支撐，所以智慧水利的落實還需要數(shù)字孿生技術(shù)的引進(jìn)。在此背景下，就需要相關(guān)人員加強(qiáng)對智慧水利以及數(shù)字孿生技術(shù)的研究，科學(xué)合理地將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到智慧水利作業(yè)中，以滿足社會發(fā)展的需要。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)示意圖

1 數(shù)字孿生技術(shù)以及智慧水利工程概述

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)以及智慧水利的概念

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)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，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。而在現(xiàn)階段水利工程的發(fā)展過程中，隨著社會對水利工程的需求不斷提升，智慧水利逐漸成為社會發(fā)展的關(guān)鍵[1]。智慧水利是在以智慧城市為代表的智慧型社會建設(shè)中產(chǎn)生的相關(guān)先進(jìn)理念和高新技術(shù)在水利行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，能夠很大程度上提升智慧水利工程的作業(yè)效率和質(zhì)量，從而推動社會的發(fā)展。

1.2 智慧水利工程以及數(shù)字孿生的必要性

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)構(gòu)

對于數(shù)字孿生技術(shù)來說，其最主要的優(yōu)勢就在于實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋。在此背景下，專業(yè)的技術(shù)人員就能夠?qū)F(xiàn)實世界發(fā)生的各項事件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并且形成帶有回路反饋的全生命跟蹤，落實真正的全生命周期概念。這樣一來，相關(guān)人員就能保證數(shù)字世界和物理世界的協(xié)調(diào)一致，并且在數(shù)字化的基礎(chǔ)上借助計算機(jī)等設(shè)備對現(xiàn)實世界的各種物理特點進(jìn)行模擬研究，直接規(guī)避實際作業(yè)可能出現(xiàn)的隱患，深入推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。而且對于智慧技術(shù)來說，智慧系統(tǒng)只有通過感知、建模才能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)實生產(chǎn)體系的準(zhǔn)確模型化描述，所以數(shù)字孿生技術(shù)也就十分必要。而對于智慧水利工程來說，由于暴雨洪澇等水利災(zāi)害容易對城市經(jīng)濟(jì)、人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重傷害和巨大損失，水利工程就需要在保證水資源合理調(diào)配的基礎(chǔ)上滿足災(zāi)害治理的需要，技術(shù)要求較高，傳統(tǒng)的水利工程就難以滿足社會的發(fā)展需要，要求作業(yè)人員對現(xiàn)有的水利工程進(jìn)行優(yōu)化升級，在原有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級，以滿足現(xiàn)階段社會發(fā)展的需要。智慧水利工程作為水利工程的智能化作業(yè)，借助先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備實現(xiàn)了水利工程各項作業(yè)的智能化調(diào)控[2]。一方面在事前對當(dāng)?shù)氐乃礌顩r進(jìn)行調(diào)查，了解水源的潮汛、漲落潮、凌汛以及洪峰等特點，并且結(jié)合先進(jìn)設(shè)備實現(xiàn)對其的實時監(jiān)控，以方便后續(xù)水利工程的施工建設(shè)。另一方面，智慧水利工程通過利用先進(jìn)的信息科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)水利工程設(shè)施智能化管理和運(yùn)行。針對現(xiàn)階段存在的洪水防洪調(diào)度、水旱災(zāi)害防御以及應(yīng)急推演等狀況進(jìn)行預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演以及預(yù)案，從而有效地降低水利災(zāi)害對城市的影響，實現(xiàn)水利工程的可持續(xù)發(fā)展。

2 智慧水利工程中數(shù)字孿生技術(shù)的難點

實際作業(yè)環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生技術(shù)雖然能在很大程度上推動智慧水利工程的發(fā)展，但是由于二者具有很強(qiáng)的技術(shù)性，再加上各種現(xiàn)實因素的影響，現(xiàn)階段的水利工程數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用還存在諸多缺陷，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對其的研究。

2.1 數(shù)據(jù)管理方面的問題

智慧水利工程相較于傳統(tǒng)水利工程的區(qū)別之一就在于數(shù)據(jù)的大量轉(zhuǎn)移，所以實際的發(fā)展過程中智慧水利工程就需要進(jìn)行大量的信息處理。而且數(shù)據(jù)作為虛擬體模擬仿真和決策的依據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)要想建立起相關(guān)模型就需要通過信息技術(shù)進(jìn)行大量的信息收集，以保證后續(xù)作業(yè)的開展。但是實際的作業(yè)環(huán)節(jié)，水利工程數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用過程中收集到的原始資料往往會夾雜有大量的無用數(shù)據(jù)以及噪聲，造成信息的誤差，進(jìn)而制約數(shù)字孿生技術(shù)的精準(zhǔn)度。所以實際的發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量就成為制約智慧水利工程數(shù)字孿生技術(shù)落實的關(guān)鍵，需要相關(guān)人員結(jié)合實際進(jìn)行研究，建立起質(zhì)量管理機(jī)制，以保證數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)獲取符合物理實際，推動水利工程智慧化的發(fā)展。

2.2 數(shù)字模型的構(gòu)建問題

現(xiàn)階段的數(shù)字孿生技術(shù)一般是將現(xiàn)實世界的物質(zhì)變化轉(zhuǎn)化為信息數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，而要想對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的應(yīng)用，還需要數(shù)字孿生技術(shù)的作業(yè)人員在虛擬世界建立起數(shù)據(jù)模型，更加直觀地將水利工程展現(xiàn)在作業(yè)人員面前，以保證作業(yè)的需要。然而實際的數(shù)據(jù)模型建立環(huán)節(jié)技術(shù)性很強(qiáng)，就還存在一些難點。首先是模型邊界問題，水利工程作為對自然界水利系統(tǒng)的調(diào)節(jié)工程，和自然界之間的邊界一般由人員構(gòu)成，所以邊界的設(shè)計就需要設(shè)計人員合理地進(jìn)行設(shè)計，以保證相關(guān)作業(yè)的需要；其次是數(shù)字模型的參數(shù)率定問題，水利工程主要承擔(dān)水源調(diào)動的任務(wù)，承擔(dān)很大的水源壓力，所以為了保證水利工程的質(zhì)量就需要明確其基礎(chǔ)參數(shù)。作業(yè)人員需要收集河道的形狀、寬度以及長度等，容易出現(xiàn)失誤[3]；然后是模型的選擇問題，現(xiàn)階段的智慧水利工程建模一般基于歷史數(shù)據(jù)用深度學(xué)習(xí)模型做局部模型的替代，但是深度學(xué)習(xí)模型存在新的輸入超過它的經(jīng)驗數(shù)據(jù)范圍后，輸出的結(jié)果無法把控的狀況。也就是說深度學(xué)習(xí)模型的輸入輸出不能超越它的經(jīng)驗范圍，很大程度上制約模型功能的發(fā)揮。

2.3 接口設(shè)計以及集成問題

實際作業(yè)環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生系統(tǒng)一般由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，而且這些子系統(tǒng)由不同的單位承建，要想保證子系統(tǒng)功能的發(fā)揮，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)健運(yùn)行，就需要合理地進(jìn)行邊界設(shè)計和接口設(shè)計。但是實際作業(yè)環(huán)節(jié)，部分企業(yè)之間的聯(lián)系不夠深入，就導(dǎo)致相關(guān)人員在實際的發(fā)展過程中難以和外界進(jìn)行充分的交流，參數(shù)的設(shè)計也就容易出現(xiàn)紕漏，很大程度上制約相關(guān)作業(yè)的開展，影響子系統(tǒng)之間的耦合。而在集成方面，由于多數(shù)子系統(tǒng)來自不同的企業(yè)，部分時期就出現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及參數(shù)之間的差異，再加上企業(yè)之間缺乏溝通，就很大程度上制約子系統(tǒng)的結(jié)合，影響集成的落實。

2.4 系統(tǒng)功效評價方面的問題

數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜，會在多個系統(tǒng)間產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互。在工程中一般遇到的問題是數(shù)字模型和信息化系統(tǒng)耦合性太強(qiáng)，導(dǎo)致調(diào)試運(yùn)行時互為掣肘，難以理清頭緒。而且智慧水利工程的效果評價也存在一定的難點，智慧水利工程下的設(shè)備系統(tǒng)同為一個整體，各個系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)作業(yè)，很難對單個系統(tǒng)的功能進(jìn)行明晰，相關(guān)人員在進(jìn)行功效評價之時還存在一些難度[4]。而且數(shù)字孿生技術(shù)下的智慧水利工程一般很難出現(xiàn)失誤，也會制約功效的評價。再加上部分單位對于效果評價的重視程度不足，也會在一定程度上制約效果評價作業(yè)的開展。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利工程中的應(yīng)用與發(fā)展

實際作業(yè)環(huán)節(jié)，由于數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利工程中的應(yīng)用存在一些難度，一定程度上制約水利工程的發(fā)展，所以實際的發(fā)展過程中就需要相關(guān)人員結(jié)合實際對其進(jìn)行研究，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的實際將其科學(xué)合理地應(yīng)用到指揮水利工程中。

3.1 水利業(yè)務(wù)賦能

3.1.1 流域總攬，感知大規(guī)模的跨地動態(tài)

實力作業(yè)環(huán)節(jié)，智慧水利工程需要對流域狀況進(jìn)行總攬，方便相關(guān)人員結(jié)合實際進(jìn)行協(xié)調(diào)。數(shù)字孿生技術(shù)就能夠借助專業(yè)的技術(shù)手段建立起流域一張圖，并且整合水利工程流域內(nèi)的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，調(diào)查流域內(nèi)的江河湖泊、電站以及重要設(shè)備位置等的分布、范圍以及類型等并進(jìn)行綜合監(jiān)測。然后再結(jié)合關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行可視分析，對流域內(nèi)的動態(tài)進(jìn)行管理。

3.1.2 實現(xiàn)水利樞紐以及重點設(shè)備的精細(xì)化管控

在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，相關(guān)人員就能夠?qū)λこ痰臉屑~、壩體、地形地貌以及電站機(jī)組等在計算機(jī)上進(jìn)行模擬，建立起專業(yè)的模型，實現(xiàn)對其的動態(tài)化掌控。而且數(shù)字孿生技術(shù)還能夠針對水利工程區(qū)域內(nèi)的天氣狀況、流量、降水量以及工程參數(shù)等信息進(jìn)行收集，并且通過專業(yè)的模型計算方法對工程的閘門與泵站等設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，進(jìn)一步落實設(shè)備的精細(xì)化管理。

3.1.3 水庫蓄水調(diào)度的科學(xué)分析

相較于傳統(tǒng)的水利工程來說，智慧水利工程的特點之一是落實了工程作業(yè)的智能化管理，技術(shù)性很強(qiáng)。數(shù)字孿生技術(shù)就能借助專業(yè)的設(shè)備將各項數(shù)據(jù)集中到計算機(jī)中，幫助水利單位建立起水庫監(jiān)測管理系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)就能夠?qū)λこ痰膩硭A(yù)報、水量分配以及水量調(diào)度等分析，確定水利工程可能遇到的作業(yè)狀況，并且結(jié)合水利工程的實際承載能力確定平衡蓄水和泄洪等作業(yè)，在對水利進(jìn)行協(xié)調(diào)的同時降低水利工程的壓力[5]。而且該技術(shù)下相關(guān)人員還能夠?qū)λ畮煺{(diào)蓄能力不足、水位超限等異常態(tài)勢進(jìn)行可視化預(yù)警告警，提升水庫運(yùn)行監(jiān)管力度。

3.2 數(shù)字孿生底座賦能

3.2.1 三維超大范圍數(shù)字孿生流域態(tài)勢呈現(xiàn)

數(shù)字孿生技術(shù)擁有超高的渲染能力，借助三維渲染核心，就能夠?qū)崿F(xiàn)跨地域、跨流域以及超大范圍的水利態(tài)勢實時渲染，將水利工程中的水庫、閘門以及流域狀況等要素進(jìn)行精細(xì)化的復(fù)現(xiàn)，將水庫的各項功能直觀地展現(xiàn)在相關(guān)人員眼前，方便進(jìn)行后續(xù)的作業(yè)。而且渲染還能夠?qū)崟r地模擬四季、天氣、晝夜以繼日照的變化，在計算機(jī)上模擬出水利工程的實際運(yùn)行外界環(huán)境，高擬真復(fù)現(xiàn)物理環(huán)境效果，并支持與真實世界同步，進(jìn)一步深化工程的智慧化。

3.2.2 多源數(shù)據(jù)高效融合

數(shù)字孿生技術(shù)本身由多個子系統(tǒng)組成，而且智慧水利工程涉及面較廣，所以數(shù)據(jù)的整合也就成為現(xiàn)階段社會發(fā)展的關(guān)鍵，需要相關(guān)人員結(jié)合實際進(jìn)行研究，以保證相關(guān)作業(yè)的順利落實。現(xiàn)階段的數(shù)字孿生技術(shù)支持BIM、傾斜攝影、無人機(jī)航拍、高精度高程等多類型地圖數(shù)據(jù)高效集成，就能夠借助各項技術(shù)以及設(shè)備對區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)狀況進(jìn)行資料收集，在降低作業(yè)難度的基礎(chǔ)上更加完善地進(jìn)行資料收集，滿足實時數(shù)據(jù)監(jiān)測需求[6]。而且該技術(shù)還能夠和監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)一步收集作業(yè)環(huán)節(jié)存在的隱患，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的智能關(guān)聯(lián)分析，為用戶決策研判提供全面、客觀的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

3.3 基礎(chǔ)平臺賦能

3.3.1 通信融合

數(shù)字孿生技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)通信融合，實際的發(fā)展過程中，該技術(shù)還支持視頻會議、廣播以及實景指揮等技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)而實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，滿足數(shù)據(jù)交換的需要，進(jìn)一步提升通信指揮效能。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

針對園區(qū)現(xiàn)有多源、異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)，可提供豐富的可視化分析手段，結(jié)合專業(yè)分析算法和數(shù)據(jù)模型，按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行多維度并行分析；支持?jǐn)?shù)據(jù)實時顯示、態(tài)勢歷史回溯、上卷/下鉆/切片等數(shù)據(jù)分析支持，輔助用戶深度挖掘數(shù)據(jù)價值，為管理決策提供科學(xué)、全面的依據(jù)。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段水利工程的發(fā)展過程中，由于社會對水資源的需求不斷提升，傳統(tǒng)的水利工程管理技術(shù)就難以滿足社會發(fā)展需要，在此基礎(chǔ)上作業(yè)人員就需要結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，將數(shù)字孿生技術(shù)引進(jìn)到水利工程中，實現(xiàn)智慧水利工程的建設(shè)。然而數(shù)字孿生技術(shù)以及智慧水利工程的技術(shù)性很強(qiáng)，二者的落實還存在一些難度，在此背景下，作業(yè)人員就需要通過結(jié)合實際對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，保證相關(guān)作業(yè)的順利開展。