劉浩杰 馮 慶 褚 敏

1. 湖北省漢江興隆水利樞紐管理局 湖北 武漢 430062

2. 湖北省王英水庫管理局 湖北 咸寧 437199

水利工程建設(shè)的全面開展實(shí)施過程應(yīng)當(dāng)建立在智能化與自動(dòng)化的建模技術(shù)保障基礎(chǔ)上，其中非常關(guān)鍵的就是采用數(shù)字孿生的工程模擬技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的合理采用有助于水利工程的設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確呈現(xiàn)在虛擬結(jié)構(gòu)的模型空間中，進(jìn)而提供了水利工程建模設(shè)計(jì)的科學(xué)完善思路。近些年以來，各地水利工程項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)總體規(guī)模正在趨于擴(kuò)大，客觀上展現(xiàn)了建設(shè)水利工程開展實(shí)施中的數(shù)字孿生技術(shù)良好運(yùn)用價(jià)值。

1 數(shù)字孿生水利工程的內(nèi)涵

數(shù)字孿生的技術(shù)本質(zhì)在于構(gòu)建仿真空間環(huán)境中的映射模式，進(jìn)而對(duì)于特定的操作流程、物理實(shí)體或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的模擬再現(xiàn)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確反映上述實(shí)體與系統(tǒng)整個(gè)生命周期特征的目標(biāo)。因此從根本上來講，數(shù)字孿生構(gòu)成了仿真建模技術(shù)中的重要組成部分，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建設(shè)計(jì)方案主要依靠于智能傳感器、物理結(jié)構(gòu)模型或者工程運(yùn)行的資料數(shù)據(jù)，融合了多個(gè)尺度、多個(gè)學(xué)科與多個(gè)概率的仿真建模元素[1]。在當(dāng)前時(shí)期的虛擬建模技術(shù)轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)于數(shù)字孿生的信息化技術(shù)應(yīng)當(dāng)看做自動(dòng)映射的信息集成系統(tǒng)，其中容納了多個(gè)層面的系統(tǒng)構(gòu)成元素以及系統(tǒng)設(shè)備裝置。

具體在涉及到水利工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐運(yùn)用而言，關(guān)鍵就是要構(gòu)建信息化的模型構(gòu)建平臺(tái)，通過采取模擬映射的技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路來全面模仿特定的實(shí)體事物結(jié)構(gòu)[2]。在數(shù)字孿生的技術(shù)平臺(tái)支撐下，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠以智能化及自動(dòng)化的實(shí)體組件運(yùn)行控制，據(jù)此實(shí)現(xiàn)監(jiān)控實(shí)體系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行的目標(biāo)，確保對(duì)于工程系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)備使用性能給予常規(guī)性的管理與維護(hù)。工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型方案應(yīng)當(dāng)能夠在數(shù)字孿生的技術(shù)支撐基礎(chǔ)上獲得必要的修正，旨在合理創(chuàng)新與改進(jìn)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行控制設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)水利工程的運(yùn)維管理綜合實(shí)踐效益實(shí)現(xiàn)優(yōu)化提高。水利工程現(xiàn)有的管理運(yùn)維總體設(shè)計(jì)方案較為復(fù)雜，因此必須要合理采用數(shù)字孿生的工程建模輔助技術(shù)，構(gòu)建全方位的流域防洪、水資源調(diào)配以及工程安全運(yùn)維等方案支撐。

2 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 流域防洪系統(tǒng)

參與流域防洪的工程系統(tǒng)是水利工程的核心，各主要流域如果缺少了水利工程防洪智能化的管理系統(tǒng)作為保障，那么流域出現(xiàn)大規(guī)模洪災(zāi)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)就會(huì)顯著增加[3]。具體針對(duì)于流域防洪的智能化管理系統(tǒng)模型在進(jìn)行設(shè)計(jì)完善的實(shí)踐中，現(xiàn)階段的技術(shù)思路就要集中體現(xiàn)在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流域洪災(zāi)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)此達(dá)到了準(zhǔn)確防控流域洪災(zāi)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。大型水利工程基礎(chǔ)設(shè)施的流域防洪自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須要實(shí)現(xiàn)全方位的信息準(zhǔn)確采集，避免預(yù)測(cè)流域洪災(zāi)的數(shù)據(jù)信息存在錯(cuò)誤。

2.2 水源調(diào)配系統(tǒng)

流域水資源只有通過水利工程實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的利用分配，水資源調(diào)配與監(jiān)督管理的良好綜合效益才會(huì)充分的體現(xiàn)。具體針對(duì)于水資源的智能化調(diào)配管理模型在進(jìn)行了完善設(shè)計(jì)的前提下，關(guān)鍵就是要結(jié)合水利基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行與使用狀況，進(jìn)而做到了靈活拓寬調(diào)配水資源的區(qū)域覆蓋規(guī)模。流域水資源的優(yōu)化配置科學(xué)設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)全面考慮到多個(gè)層面的流域資源分配差異因素，結(jié)合實(shí)踐來進(jìn)行現(xiàn)有管理系統(tǒng)的使用功能拓展[4]。

2.3 模型構(gòu)建系統(tǒng)

近些年以來，采取智能化的水利工程虛擬模型構(gòu)建設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成為了調(diào)配水資源的最佳實(shí)踐方案。水利工程的建模設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思路必須要促進(jìn)實(shí)現(xiàn)更大力度的完善優(yōu)化，旨在構(gòu)建立體化以及動(dòng)態(tài)化的水源分配調(diào)度模型。水利工程的管理監(jiān)督部門對(duì)于全過程的工程運(yùn)維模型應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更加完善的設(shè)計(jì)，緊密結(jié)合水利工程項(xiàng)目建設(shè)中的流域資源調(diào)配、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入處理、業(yè)務(wù)實(shí)踐領(lǐng)域的擴(kuò)展等各項(xiàng)實(shí)踐任務(wù)，才能促進(jìn)現(xiàn)有工程模型的功能實(shí)現(xiàn)完善與更新。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在大體積的水利工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，水閘設(shè)備屬于非常關(guān)鍵的工程基礎(chǔ)設(shè)備。工程管理人員在自動(dòng)控制水閘設(shè)備的前提下，對(duì)于水閘運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確把握。自動(dòng)化的視頻監(jiān)控終端能夠采集清晰完整的視頻監(jiān)控圖像，實(shí)現(xiàn)水利工程在視頻監(jiān)控模式下的無人值守實(shí)踐技術(shù)優(yōu)勢(shì)[5]。現(xiàn)階段自動(dòng)化的水利工程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)方案正在日益趨向于實(shí)現(xiàn)整改優(yōu)化，從而保證了水利工程的數(shù)據(jù)信息能夠得到更加完整的反饋。工程決策人員能夠判斷得到水利工程的現(xiàn)有安全隱患，合理糾正存在誤差的水利工程運(yùn)維管理決策方案。對(duì)于自動(dòng)化的水利工程而言，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在全面采集實(shí)時(shí)性的水閘水位狀況以及水情預(yù)警等數(shù)據(jù)，并且通過連接水利工程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋監(jiān)督。

圖1 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的總體框架設(shè)計(jì)

水閘自動(dòng)化監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)備主要應(yīng)當(dāng)包含泄洪道與供水閘門的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控管理，確保實(shí)現(xiàn)全方位的水閘信息數(shù)據(jù)采集，并且還要將目前采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的上傳。系統(tǒng)值班值守人員對(duì)于水閘應(yīng)當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)化的開啟與關(guān)閉功能調(diào)整，據(jù)此達(dá)到了節(jié)約水利工程人工成本的良好效果，促進(jìn)了水閘自動(dòng)化控制的良好使用效能得到最大程度的發(fā)揮。水閘基礎(chǔ)設(shè)施在水利工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中占有顯著地位，水閘自動(dòng)化控制管理設(shè)備亟待得到必要的優(yōu)化完善。通過采取視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要表現(xiàn)形式，應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確反映出水利工程水閘設(shè)備在不同時(shí)段的使用狀況，進(jìn)而有助于水閘基礎(chǔ)設(shè)備的良好綜合使用效益得到最大程度的展現(xiàn)。

3 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的技術(shù)運(yùn)用難點(diǎn)

3.1 模型平臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

現(xiàn)階段的水利工程虛擬結(jié)構(gòu)模型主要建立于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)、人工智能控制、物聯(lián)網(wǎng)等核心技術(shù)手段的保障支撐下，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬模型平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及自動(dòng)運(yùn)行控制監(jiān)測(cè)目標(biāo)。具體在涉及到數(shù)字孿生的工程虛擬化建模方案完善實(shí)踐中，工程建模的現(xiàn)有技術(shù)方案應(yīng)當(dāng)集中體現(xiàn)在準(zhǔn)確劃分虛擬結(jié)構(gòu)模型的各個(gè)不同層次，確保實(shí)現(xiàn)可視化的模型構(gòu)建場(chǎng)景展示[6]。水利工程的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)構(gòu)建全方位與多層次的水利信息網(wǎng)，充分確保現(xiàn)有的水利信息網(wǎng)能夠完整容納多個(gè)不同流域與不同級(jí)別的水利項(xiàng)目基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)致力于工程信息資源網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有帶寬實(shí)現(xiàn)拓展，構(gòu)建立體結(jié)構(gòu)的水利云。水利工程現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)都要促進(jìn)實(shí)現(xiàn)全方位的改造優(yōu)化升級(jí)，確保對(duì)于各個(gè)關(guān)鍵性的水利監(jiān)測(cè)站配備齊全的無人船與無人機(jī)等監(jiān)測(cè)設(shè)備。

下表為水利工程建設(shè)中的數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)模型框架：

表1 水利工程的數(shù)字孿生模型框架體系

圖2 模型構(gòu)建的框架圖

3.2 算法選擇以及數(shù)據(jù)資源獲取

水利工程所在流域的水質(zhì)狀況以及水流速度等因素都要得到客觀準(zhǔn)確的反映，確保以上各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息得到全面反映的重要保障基礎(chǔ)就是合理進(jìn)行建模算法的選取。在目前的情況下，能夠進(jìn)行水利工程的數(shù)字孿生模型運(yùn)算設(shè)計(jì)方案存在多樣化的顯著發(fā)展特征，那么工程建模的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)采取因地制宜的建模算法最佳選擇方案。應(yīng)當(dāng)采取全過程的水利設(shè)施監(jiān)測(cè)方式，確保做到準(zhǔn)確獲取實(shí)時(shí)性的工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源，避免存在數(shù)據(jù)資源的遺漏風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)信息資源的安全風(fēng)險(xiǎn)

在當(dāng)前時(shí)期的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)下，網(wǎng)絡(luò)信息資源普遍存在著程度較為顯著的信息安全隱患。因此，充分發(fā)揮數(shù)字孿生的建模技術(shù)最大化實(shí)踐作用，目前需要做到緊密結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息化模型的數(shù)據(jù)安全管理與維護(hù)。工程項(xiàng)目的運(yùn)行安全監(jiān)督管理各項(xiàng)工作必須要體現(xiàn)出更大的總體實(shí)施力度，切實(shí)維護(hù)數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型安全性。對(duì)于直接關(guān)系到水利工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的信息數(shù)據(jù)資源應(yīng)當(dāng)采取必要的加密訪問措施，從而做到了有效防范工程核心數(shù)據(jù)的丟失風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生，增強(qiáng)針對(duì)于水利工程現(xiàn)有各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的安全保障約束力度。

4 數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的未來完善措施

首先是完善數(shù)字孿生的工程建模設(shè)計(jì)算法。數(shù)字孿生的工程建模算法目前表現(xiàn)為多樣化的基本發(fā)展傾向，水利工程現(xiàn)有的建模技術(shù)方法只有得到了合理科學(xué)的選擇和采用，工程立體化的空間結(jié)構(gòu)模型才能顯示出最佳的建模技術(shù)效果。在此前提下，工程設(shè)計(jì)人員必須要針對(duì)于數(shù)字孿生的模型算法進(jìn)行合理的優(yōu)化選擇，避免表現(xiàn)為工程建模計(jì)算方法的實(shí)踐運(yùn)用誤差[7]。構(gòu)建水利工程體系結(jié)構(gòu)的虛擬建模設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)采取明確清晰的框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)在水利基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行保障力度提高。

其次是積極拓展水利工程的信息化模型覆蓋空間范圍。構(gòu)建水利工程現(xiàn)有的智能化與一體化結(jié)構(gòu)模型主要依靠于數(shù)字孿生的技術(shù)手段，從而決定了正確采取水利工程的結(jié)構(gòu)建模算法具有非常顯著的作用。水利工程現(xiàn)有的信息化模型應(yīng)當(dāng)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)建模技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)大發(fā)展，確保水利工程能夠全面納入到虛擬建模的科學(xué)決策保障范圍。因此在自動(dòng)化的水利工程建設(shè)以及工程管理實(shí)施情況下，現(xiàn)階段的關(guān)鍵完善思路就要體現(xiàn)在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的共享保障體系，通過實(shí)施一體化的水利工程信息共享網(wǎng)絡(luò)建設(shè)舉措來提升水利工程的安全運(yùn)維管理成效性。水利工程設(shè)備目前存在的重大安全缺陷應(yīng)當(dāng)?shù)玫脚挪榕c解決，避免水利工程的管理運(yùn)維人員存在忽視的心理態(tài)度。

第三是嚴(yán)格確保一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)安全?，F(xiàn)階段的水利工程智能化控制模型必須要依靠于一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采取一體化的網(wǎng)絡(luò)資源維護(hù)與更新模式來保障水利工程的現(xiàn)有信息資源完整性。從總體角度來講，一體化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源共享機(jī)制具有降低水利工程成本以及優(yōu)化配置工程資源的良好實(shí)施效果，有助于水利工程設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)得到全面的排查整改。網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)的實(shí)踐措施應(yīng)當(dāng)貫穿融入在現(xiàn)代化的水利工程管理實(shí)踐工作，旨在保證水利工程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息完整性，避免威脅到水利工程的穩(wěn)定運(yùn)行。水利工程的自動(dòng)化與智能化數(shù)據(jù)信息共享保障機(jī)制應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖M快的建立完善，通過采取一體化的水利工程網(wǎng)絡(luò)資源共享平臺(tái)來支撐水利工程的效益提高。

5 結(jié)束語

經(jīng)過分析可見，數(shù)字孿生技術(shù)手段的正確采用將會(huì)顯著促進(jìn)當(dāng)前時(shí)期的水利工程綜合使用效能發(fā)揮，同時(shí)促進(jìn)了水利工程的實(shí)踐資源得到科學(xué)的優(yōu)化分配利用?，F(xiàn)階段的水利工程建設(shè)以及運(yùn)維管理設(shè)計(jì)思路正在逐步獲得更新完善，水利工程的運(yùn)維設(shè)計(jì)成本應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁屿`活的節(jié)約控制，采取數(shù)字孿生的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施方案來支撐水利工程的安全等級(jí)提升。具體在水利工程的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐運(yùn)用中，完善思路應(yīng)當(dāng)集中于建模算法的選擇與適用，并且還要關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)虛擬化模型的數(shù)據(jù)安全，切實(shí)防范水利工程的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)遭受到安全隱患威脅。