羅小林，隋 欣，張 爽，尹 婧

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，100038，北京）

為加快推進(jìn)智慧水利建設(shè)，推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展，水利部印發(fā)了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》三個(gè)綱領(lǐng)性文件，明確以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵?，加快?gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能的智慧水利體系。

數(shù)字孿生小水電是小水電智慧化管理的核心和關(guān)鍵，對(duì)于推進(jìn)小水電轉(zhuǎn)型升級(jí)、綠色發(fā)展具有重要作用。引導(dǎo)基礎(chǔ)條件較好的小水電站探索開展數(shù)字孿生試點(diǎn)，完善防洪調(diào)度、電力優(yōu)化調(diào)度、安全應(yīng)急管理、生態(tài)保障等應(yīng)用功能，提升“四預(yù)”能力，被列入2024年全國(guó)農(nóng)村水利水電工作要點(diǎn)。但是，目前數(shù)字孿生小水電建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，有關(guān)數(shù)字孿生小水電內(nèi)涵、特征、總體技術(shù)要求等研究不足。本文梳理了當(dāng)前小水電智慧化管理需求，提出了數(shù)字孿生小水電內(nèi)涵，搭建了數(shù)字孿生小水電工程建設(shè)技術(shù)框架，旨在為推動(dòng)數(shù)字孿生小水電試點(diǎn)示范和行業(yè)智慧化管理與高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

一、小水電基本情況與面臨的新機(jī)遇

1.基本情況

小水電是水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是國(guó)際公認(rèn)的清潔可再生能源。我國(guó)小水電資源十分豐富，技術(shù)可開發(fā)量約1.28億kW，遍及全國(guó)1700多個(gè)縣，居世界首位。截至2023年年底，全國(guó)共有小水電站約4.1萬(wàn)座，裝機(jī)容量超過8100 萬(wàn)kW，占全國(guó)水電裝機(jī)容量的19%；年發(fā)電量2300多億kW·h，占全國(guó)水電發(fā)電量的17%，可替代8000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放2.44億t，減排效益巨大。

我國(guó)小水電具有點(diǎn)多面廣、小而分散的特點(diǎn)，1000 kW 及以上的小水電站約1.3 萬(wàn)座，2000 年以前建成比例為48.8%，民營(yíng)化程度超過80%，集約化、規(guī)范化、現(xiàn)代化水平低，且屬地方事權(quán)，審批監(jiān)管的主體責(zé)任基本在縣及縣以下政府，監(jiān)管能力和手段薄弱（見圖1）。

圖1 全國(guó)小水電數(shù)量分布特征

2.新形勢(shì)下面臨的新機(jī)遇

隨著水利水電進(jìn)入科學(xué)快速發(fā)展新階段，“雙碳”戰(zhàn)略為小水電綠色轉(zhuǎn)型提供了內(nèi)生動(dòng)力，小水電迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。一方面，小水電從粗放向集約發(fā)展轉(zhuǎn)變，小水電各級(jí)管理部門、業(yè)主、地方行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)智慧化管理需求巨大。另一方面，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)快速發(fā)展為小水電行業(yè)提供了先進(jìn)技術(shù)條件；衛(wèi)星遙感、智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代遙感和監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟，為小水電在線監(jiān)測(cè)提供了精準(zhǔn)感知手段；理論建模、技術(shù)創(chuàng)新、軟硬件升級(jí)整體推進(jìn)，為小水電智能分析研判和科學(xué)高效決策提供了強(qiáng)大技術(shù)支撐。因此，在統(tǒng)籌推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的大背景下，小水電轉(zhuǎn)型升級(jí)面臨數(shù)字賦能和智慧化管理的新形勢(shì)、新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。

二、小水電智慧化管理需求

為破解當(dāng)前集約化、規(guī)范化、現(xiàn)代化水平低的管理瓶頸，梳理了小水電智慧化管理需求，主要包括：

①加強(qiáng)小水電信息化應(yīng)用體系建設(shè)，進(jìn)一步更新完善小水電站基礎(chǔ)信息等，拓展相關(guān)業(yè)務(wù)模塊功能，夯實(shí)數(shù)據(jù)底板，優(yōu)化算法模型，增強(qiáng)分析應(yīng)用功能。

②健全完善全國(guó)小水電管理一張圖，繼續(xù)推動(dòng)小水電和河流河道信息關(guān)聯(lián)匹配，打造數(shù)字化小水電。

③完善小水電信息化管理，加強(qiáng)小水電信息化監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)，推進(jìn)數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通，強(qiáng)化監(jiān)督檢查、技術(shù)復(fù)核等在線行業(yè)監(jiān)管應(yīng)用。

④推進(jìn)數(shù)字孿生小水電工程建設(shè)，通過先進(jìn)的人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)以生態(tài)流量監(jiān)管為目標(biāo)，具備多種監(jiān)測(cè)功能，可廣泛應(yīng)用于生態(tài)流量監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)警等服務(wù)場(chǎng)景；智慧調(diào)整水電站的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量聯(lián)調(diào)聯(lián)控，充分發(fā)揮小水電綜合效益；實(shí)現(xiàn)小水電站電子資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析挖掘及可視化管理。

此外，基于全數(shù)據(jù)信息模型構(gòu)建起的數(shù)字水電站將直觀地展示小水電站全貌，并能夠通過可視化的手段對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行模擬和管理，提高能效指標(biāo)和生產(chǎn)管控能力，實(shí)現(xiàn)小水電企業(yè)綜合效益的全面提升。因此，數(shù)字孿生小水電將是行業(yè)管理部門和企業(yè)多方共贏的新模式。

三、數(shù)字孿生小水電工程建設(shè)技術(shù)框架

1.內(nèi)涵與特征

數(shù)字孿生小水電是指構(gòu)建能反映小水電這一物理對(duì)象真實(shí)特性的數(shù)字模型，通過數(shù)字模型分析小水電的物理實(shí)體，并在數(shù)字世界中的不同場(chǎng)景試錯(cuò)，避免在物理世界中做同樣行為，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)行成本。為此，數(shù)字孿生小水電需要與小水電物理實(shí)體形成閉環(huán)，前者將決策實(shí)時(shí)反饋給小水電物理實(shí)體，使小水電運(yùn)行和管理更加科學(xué)。

數(shù)字孿生小水電與普通小水電所采用的數(shù)學(xué)模型存在本質(zhì)區(qū)別。數(shù)字孿生模型精確反映小水電站的物理結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性和環(huán)境影響，通過模擬應(yīng)用操作情景和環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)自我優(yōu)化和改進(jìn)。因此，數(shù)字孿生小水電模型具有動(dòng)態(tài)性，可與物理小水電共同自演化。此外，數(shù)字孿生技術(shù)需要持續(xù)改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過收集和分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)字孿生模型，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和升級(jí)，不斷提升小水電站的運(yùn)行效率和管理水平。

2.基本框架

數(shù)字孿生小水電系統(tǒng)是以小水電工程為物理單元、時(shí)空數(shù)據(jù)為底座、數(shù)學(xué)模型為核心、水利知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)小水電工程全要素和建設(shè)運(yùn)行全過程進(jìn)行數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，與物理小水電工程同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理小水電工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化調(diào)度等應(yīng)用功能的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)字孿生小水電系統(tǒng)基本框架包括數(shù)字孿生平臺(tái)、信息化基礎(chǔ)設(shè)施、主要業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系（見圖2）。其中，數(shù)字孿生平臺(tái)包括數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等；信息化基礎(chǔ)設(shè)施包括感知網(wǎng)、信息網(wǎng)、云基礎(chǔ)設(shè)施；主要業(yè)務(wù)應(yīng)用覆蓋綜合調(diào)度、運(yùn)維管理、安全應(yīng)急管理、生態(tài)流量保障等不同應(yīng)用場(chǎng)景；網(wǎng)絡(luò)安全體系包括網(wǎng)絡(luò)安全組織管理、安全技術(shù)、安全運(yùn)營(yíng)、監(jiān)督檢查以及數(shù)據(jù)安全等。

圖2 數(shù)字孿生小水電系統(tǒng)基本框架

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用內(nèi)容

（1）綜合調(diào)度

綜合調(diào)度主要包括水情監(jiān)控與仿真、超前精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度、防汛安全調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度等調(diào)度場(chǎng)景。主要開展不同氣象條件孿生場(chǎng)景同步仿真，小水電工程洪水等超前精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)分析，電站安全度汛業(yè)務(wù)的智能預(yù)判、預(yù)警、可視化分析，對(duì)工程安全風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行應(yīng)急會(huì)商，智能分析評(píng)估各調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)增發(fā)電量、安全度汛、保障供水、改善生態(tài)環(huán)境等調(diào)度目標(biāo)。

（2）運(yùn)維管理

運(yùn)維管理主要包括生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)信息管理、三維可視化監(jiān)視與智能巡檢、數(shù)字化運(yùn)行檢修指導(dǎo)、運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等功能模塊。主要完成小水電多維數(shù)據(jù)感知，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)集約化運(yùn)維管理；基于小水電設(shè)施設(shè)備劣化趨勢(shì)分析與故障診斷模型，推動(dòng)“預(yù)防修”“精準(zhǔn)修”的動(dòng)態(tài)檢修運(yùn)維模式；對(duì)水電站基本情況和重要點(diǎn)位定位及三維可視化展示，實(shí)施全局監(jiān)控、可視化管理，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與三維模型的動(dòng)態(tài)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)模擬預(yù)警優(yōu)化的三維可視化展示等。

（3）安全應(yīng)急管理

安全應(yīng)急管理主要包括故障診斷與模擬仿真、日常巡檢管理制度信息化、“四遙”（遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)）安全管理集成。主要開展水輪機(jī)等大型機(jī)組、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷的數(shù)據(jù)化、模擬仿真制定日常巡檢管理制度，完成制度信息化；通過“四遙”提高資源利用率，減少運(yùn)維成本，提升安全管理的信息化水平，實(shí)現(xiàn)小水電安全管理手段的綜合集成。

（4）生態(tài)流量保障

生態(tài)流量保障主要包括在已建各省級(jí)生態(tài)流量監(jiān)管平臺(tái)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、水利專業(yè)模型等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量確定、生態(tài)流量泄放、生態(tài)流量監(jiān)管等業(yè)務(wù)功能。主要用于構(gòu)建生態(tài)流量確定模型等各類可復(fù)用的功能模塊，對(duì)生態(tài)流量泄放過程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)、模擬和優(yōu)化，為水電站生態(tài)流量泄放設(shè)施監(jiān)管提供數(shù)字化手段。

4.實(shí)踐案例

數(shù)字孿生概念提出后受到各界廣泛關(guān)注，在小水電領(lǐng)域也開展了探索實(shí)踐。湖南省潤(rùn)海水電站構(gòu)建了一個(gè)涵蓋發(fā)電機(jī)組及大壩樞紐的三維虛擬平臺(tái)，安裝了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，搭建物聯(lián)網(wǎng)中臺(tái)，并在可視化人機(jī)交互方面進(jìn)行了初步探索。安徽省霍山縣對(duì)縣域內(nèi)具備條件的小水電站進(jìn)行集約化管理，建成視頻總站、生態(tài)流量監(jiān)管系統(tǒng)、流域安全監(jiān)管系統(tǒng)、綠色小水電管理系統(tǒng)、電站集控管理系統(tǒng)、可視化展示等應(yīng)用模塊。江西省上饒市建成小水電集控系統(tǒng)平臺(tái)，并在智能巡弋巡檢、GIS 地圖監(jiān)視、水情水務(wù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)地聯(lián)控、大壩安全及閘門監(jiān)控、廠區(qū)安全及工業(yè)電視、設(shè)備全生命周期管理等方面開展應(yīng)用。廣西壯族自治區(qū)格強(qiáng)水電站構(gòu)建了三維可視化數(shù)字模型和交互系統(tǒng)等。

上述實(shí)踐案例對(duì)小水電站的集約化、信息化和智能化改造，以及小水電統(tǒng)一管理、集中監(jiān)控、安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)保、發(fā)電效益提升等方面具有示范作用，對(duì)數(shù)字化技術(shù)的普及推廣具有推動(dòng)作用。但是，這些探索性實(shí)踐本質(zhì)上仍是傳統(tǒng)小水電管理方式的延伸，未來亟待通過數(shù)據(jù)底板、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、孿生引擎創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)與小水電工程的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，將數(shù)字孿生從當(dāng)前的小水電管理擴(kuò)展至小水電工程。

四、展 望

數(shù)字孿生小水電有助于提升小水電站的運(yùn)行效率和管理水平，將成為未來小水電行業(yè)發(fā)展的主要模式之一。針對(duì)加快推進(jìn)數(shù)字孿生小水電提出如下建議：

1.建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)和規(guī)范行業(yè)發(fā)展與管理的技術(shù)手段。數(shù)字孿生小水電工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，亟須加強(qiáng)組織建設(shè)、頂層謀劃、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、協(xié)同推進(jìn)。由于數(shù)字孿生小水電建設(shè)工作處于起步階段，還存在全國(guó)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)缺失，數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)服務(wù)能力不足，數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集設(shè)施不完善、高度依賴人工作業(yè)，電站設(shè)備設(shè)施運(yùn)行情況同步模擬困難等難題亟待攻克。當(dāng)前，加快出臺(tái)數(shù)字孿生小水電建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則，建立數(shù)據(jù)采集、交換與模型標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范數(shù)字孿生小水電應(yīng)用和管理，明確技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)等方面的要求，為數(shù)字孿生技術(shù)在小水電智慧化管理中的推廣應(yīng)用提供規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

2.健全保障機(jī)制

踐行兩手發(fā)力，充分發(fā)揮政府和市場(chǎng)、中央和地方、金融資本和社會(huì)資本多方面作用。創(chuàng)新多元化投融資模式，利用各類金融工具，用足用好金融支持優(yōu)惠政策，提高融資能力；支持和培育一批專業(yè)化市場(chǎng)主體，使其參與數(shù)字孿生小水電工程建設(shè)，形成行業(yè)合力。針對(duì)小水電特殊功能定位，積極推動(dòng)建立小水電差異化電價(jià)運(yùn)行機(jī)制，激發(fā)小水電業(yè)主應(yīng)用推廣智慧化管理技術(shù)的主動(dòng)性和積極性。

3.加強(qiáng)科技支撐

數(shù)字孿生的本質(zhì)是建模和仿真技術(shù)，核心內(nèi)容是數(shù)字模型和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。目前，數(shù)字孿生小水電實(shí)踐集中于管理領(lǐng)域，未來亟須在對(duì)復(fù)雜小水電系統(tǒng)機(jī)理充分認(rèn)識(shí)的前提下，利用人工智能技術(shù)對(duì)小水電系統(tǒng)建模，確保數(shù)字孿生模型更加接近真實(shí)系統(tǒng)，而這些核心技術(shù)在我國(guó)當(dāng)前數(shù)字孿生領(lǐng)域較為缺乏。因此，亟須針對(duì)科技創(chuàng)新融合技術(shù)開展技術(shù)攻關(guān)，破解數(shù)字孿生小水電的技術(shù)瓶頸。

4.推進(jìn)先行先試

建議加快推進(jìn)具有良好數(shù)據(jù)支撐的小水電先行先試建設(shè)，充分用好專家?guī)斓燃夹g(shù)資源，強(qiáng)化數(shù)字孿生小水電跟蹤指導(dǎo)，加強(qiáng)交流和培訓(xùn)。打造一批典型數(shù)字孿生小水電，凝練形成一批可復(fù)制、可推廣的建設(shè)模式和先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，提升小水電智慧化管理和決策支持水平。