王松岳，陳鳳琴，朱照遠(yuǎn)

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014；3.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250100）

近年來，水利行業(yè)一直嘗試用更現(xiàn)代的方法突破傳統(tǒng)管理瓶頸，追求高效、精準(zhǔn)、便捷的治水方式。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的日臻成熟，使得“智水”技術(shù)環(huán)境不斷完備，水利高質(zhì)量發(fā)展與“智”結(jié)合成為大勢所趨。在眾多“智水”新技術(shù)中，不論是從政策支持力度還是技術(shù)本身優(yōu)勢來看，數(shù)字孿生技術(shù)都是一種高效、便捷、可靠的方式。探索數(shù)字孿生技術(shù)與水利工程融合發(fā)展的最佳路徑，加快水利治理體系和治理能力的智慧化建設(shè)，助力水利高質(zhì)量發(fā)展，是水利科技工作者當(dāng)下的迫切任務(wù)。

1 數(shù)字孿生技術(shù)機理分析

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)運行機制

經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展，我國的水利工程形成了完整的運行體系，對數(shù)字化管理的需求更加迫切。數(shù)字孿生作為一種全新的思維模式，結(jié)合具體的應(yīng)用場景，能夠為水利工程的管理運維注入智能。數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的運行機制是利用數(shù)字孿生技術(shù)融合狀態(tài)感知、云計算、人工智能等技術(shù)，在虛擬空間中構(gòu)建與現(xiàn)實世界中的實體水利工程相對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，使其與物理實體在信息、行為、規(guī)則上具有精準(zhǔn)的映射，并且能夠進(jìn)行實時交互，從而提供科學(xué)的決策方案，推動水利工程的精準(zhǔn)管理，實現(xiàn)以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的“狀態(tài)感知—實時分析—科學(xué)決策—精準(zhǔn)執(zhí)行”的閉環(huán)，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利中的運行機制

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，將真實的實體世界與虛擬的信息空間進(jìn)行交互融合，并以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)水利工程管理的智能優(yōu)化，以提升水利工程整體感知、深度分析、科學(xué)決策和精確實施的能力。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)實施步驟

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用特點，將數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)過程分為3 個步驟：

1）方案設(shè)計。該階段主要是構(gòu)建與水利工程相對應(yīng)的數(shù)字孿生體的軟件系統(tǒng)和控制體系，明確在不同的水利業(yè)務(wù)中所需要建立的水利工程數(shù)字孿生體以及虛擬模型設(shè)計方案，要求數(shù)字孿生體可以在虛擬空間中體現(xiàn)模型構(gòu)建對象的幾何、物理、行為等信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的感知接入與融合，明確數(shù)字孿生體與物理實體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）數(shù)據(jù)采集。該階段主要是確定數(shù)據(jù)收集的采集對象，根據(jù)數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)要求構(gòu)建數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲機制，統(tǒng)一數(shù)據(jù)的科學(xué)分類、編碼格式、交換標(biāo)準(zhǔn)等，并以通用標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，構(gòu)建出與水利工程需求相匹配的數(shù)據(jù)集。此外，還應(yīng)建立信息融合機制的規(guī)范和數(shù)據(jù)共享機制的規(guī)范，以降低數(shù)據(jù)的冗余，加速信息的整合。

3）模型設(shè)計。該階段是在獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立多尺度、多耦合的水利模型，實現(xiàn)模擬結(jié)果與實際結(jié)果的有效匹配，并實現(xiàn)信息的實時同步。其主要構(gòu)建內(nèi)容包括：虛擬工程建模、信息協(xié)同建模、可視化建模、運行過程行為建模、管理決策建模、仿真實驗建模等。

1.3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以分為3 個方面，如圖2 所示。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

1）水利工程運行。在虛擬空間中，對各任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)行仿真，使用多種模擬參數(shù)，盡可能地將任務(wù)執(zhí)行過程可能出現(xiàn)的各種狀況進(jìn)行模擬監(jiān)測。與此同時，還可以對水利工程的運行狀況進(jìn)行智能化監(jiān)控，并以實際的運行情況為依據(jù)，及時調(diào)整水利工程的管理方案，對所有的水利活動進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，以促進(jìn)水利工程的智能化運行。

2）水利設(shè)備運維。利用實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)以及相關(guān)的水利設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)，借助信息處理分析、模擬仿真演練等智能分析技術(shù)，對正在運行的水利設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，對在運行過程中可能出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行及時預(yù)警處理，針對水利設(shè)備出現(xiàn)的故障，依據(jù)虛擬空間中的數(shù)字孿生模型，制定合理的維修方案，以實現(xiàn)出現(xiàn)問題設(shè)備的精準(zhǔn)維修，從而保障水利工程的可靠運行。

3）風(fēng)險預(yù)警。通過智能服務(wù)平臺，綜合考慮多方面的因素，對各部門的聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行有效協(xié)同，制定出最優(yōu)決策。數(shù)字孿生技術(shù)提供了工程運行期間的狀態(tài)感知，反映出現(xiàn)實水利工程的運行狀態(tài)，有助于對可能出現(xiàn)的意外狀況進(jìn)行及時規(guī)避，提前實施預(yù)防措施，減少風(fēng)險的不利影響。

2 建 議

2.1 完善流域空間地理信息

數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵是對實體場景進(jìn)行建模，為更好地發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，需要針對不同區(qū)域采用不同精度和類型的數(shù)據(jù)，相關(guān)部門應(yīng)完善流域空間地理信息，將二三維空間地理數(shù)據(jù)、BIM 模型及傾斜攝影等數(shù)據(jù)通過專題圖層進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，方便數(shù)字孿生平臺調(diào)用，從而支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

2.2 完善數(shù)據(jù)底板服務(wù)能力

作為數(shù)字孿生流域的算法構(gòu)建部分，數(shù)據(jù)底板匯聚了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地理空間數(shù)據(jù)，從而支撐數(shù)據(jù)、模型、知識等3 個平臺引擎的建設(shè)。但數(shù)據(jù)底板的數(shù)據(jù)往往來源于不同單位，這就對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和真實性提出了更高的要求。通過建設(shè)以數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐平臺，可以更好地落實“一數(shù)一源、一源多用”的數(shù)據(jù)方針，支撐數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展。

2.3 完善水利信息基礎(chǔ)設(shè)施

遵循“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建”的要求，加強水利工程對資源的整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)利用的最大化，構(gòu)建水利信息基礎(chǔ)設(shè)施體系，為水利工程的運行提供完善的基礎(chǔ)支撐環(huán)境。