数字孪生技术与智慧水利系统的融合及
应用
摘要：随着大数据技术的不断发展，促进数字孪生技术与智慧水利系统的融合及应用。数字孪生技术在水利上应用虽起步较晚，但目前已经是水利工程信息化研究的热点。借助数字孪生技术，实时仿真监控全面感知运行状态可充分发挥工程效益，数字孪生技术的趋势推演功能将提升水利工程深度分析水平，将大幅提高水利工程现代化管理水平。如何更好地融合物理世界和虚拟世界的实时交互，将是未来一段时间水利工程生命周期管理方面一个非常值得探索和研究的方向。本文就数字孪生技术与智慧水利系统的融合及应用展开探讨。
关键词：数字孪生技术；智慧水利；应用 引言
通过数字化手段对实体对象进行动态仿真、监测、分析和控制，综合运用感知、计算、建模等信息技术,在水利工程建设中综合集成应用，建立新型虚拟模型基础设施是实现水利治理能力现代化和发展数字经济的重要手段，是智慧水利建设的重要标志。
1定义
数字孪生（DigitalTwin），简称DT，又称数字映射、数字镜像，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相应物理设备的全生命周期过程。简单地说，就是利用安装在物理空间中的大量传感器，在数字世界中建立一套与物理实体性能完全一致的克隆孪生体。这个在信息化平台上运行的孪生体结合各类实时数据及历史运行经验，不仅可以实现与物理实体的同步和动态仿真，同时可以进行趋势推演和分析，反过来作用于物理实体，模拟、验证、预测、控制水利工程的全生命周期。
2数字孪生技术与智慧水利融合理论基础
数字孪生技术由实体、虚体、映射三大部分组成。实体包括江河、水库、河口、流域、湖泊等；虚体包括仿真沙盘、图片、动画、三维可视化模型等虚拟表现手法；映射是最重要的部分，分为硬件映射和软件映射，硬件包括遥感、无人机、机器人、监测站点、无人船等感知设备，软件包括基于自然科学的数值模型、气象数值模型、二维三维水动力模型、水质模型、泥沙输运模型、生态模型等和基于数理统计的大数据模型（视频识别、语音识别、图片识别、知识图谱等）。数字孪生技术用于描述信息空间中的物理实体，构建相应的水利工程数字孪生。双胞胎与物理实体在几何、物理、行为、规则等方面具有精确的映射关系，并实时交互，可实现水利工程运行管理过程的仿真、评估、优化、预测和决策。针对水利工程的运行过程，在信息空间中模拟各种任务的实施，采用多种仿真参数，尽可能掌握任务执行过程中可能遇到的各种情况。同时对水利工程运行情况进行动态监测，并根据实际运行情况和环境变化及时调整运行管理计划。有效协调优化系统内各项水利业务活动，实现水利工程智能化运行;对于水利设施设备的维护保养，通过实时监测数据、历史数据、孪生数据及相关物理参数，借助知识库、大数据分析、机器学习等智能分析技术，对水利设施设备的健康状态进行评估，对可能出现的故障进行及时预警，对存在的故障制定合理的维修保养方案。实现水利工程的可靠运行和维护;对于防洪调度决策，智能服务平台可以有效协调水利工程的联合运行，综合考虑各种因素做出最优决策，预测水利工程的运行状态，及时避免可能出现的意外情况或制定解决措施，实现对水利工程运行管理过程的精准控制。
3数字孪生技术与智慧水利的融合分析 3.1可视化业务平台
水利系统数字孪生的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。相比于工业制造短暂的“产品生命周期”，水利项目的“生命周期”更长，数字孪生部署的任务就相对更复杂，但由此带来的防洪减灾社会效益回报也更大。完成可视化业务展示平台，只需罗列项目中参与控制及辅助监测的实际设施部件，通过实时
视频、模拟运行图等可视化浏览手段，实现控制指令发送和数据交互，从而对整个项目的网络、监控、监视、报警、消防等系统实现集中管理。
3.2数字孪生技术与工程设备管理的融合
水利工程项目管理应根据项目提供信息管理、设备编码管理、设备台账管理、备件管理、运维资产管理等。(1)工程信息管理。对设计指标、技术参数、缺陷、养护处理设施状态、鉴定分级、工程建设、加固改造、工程事件等信息进行分类管理，方便查询、增加和修改。工程可按水利工程类型进行分类，各类水利工程可按管理单元或单个工程的形式进行划分，可对信息进行添加、编辑、修改，并具有根据单个工程、某一类型工程的不同组合条件进行查询的功能。2.设备编码管理。设备编码体系的建立，可以更好地统一水利工程设备对象的识别和管理，通过制定合理、科学、规范的设备编码，便于各种信息的传递和共享。(3)设备台账管理。设备分类帐记录并提供各种必要的设备信息，反映设备的基本信息和变化历史。设备台账主要包括设备基本信息、重要设备参数、备件定额等。在设备管理过程中，对设备的启停、重要故障、等级、以往维修、不同运动、缺陷情况进行及时记录，方便对设备运行、维护、变更等信息进行综合分析，也为设备的日常管理和维护提供相应的依据。
3.3信息基础设施
基础设施主要为数字孪生水利工程服务。主要建设内容包括为孪生平台提供“算据”的基础信息感知测站、为孪生平台提供“算力”的计算存储设备以及配套的通信和展示环境。水利工程多位于距离人类生活较远的区域，因此应根据工程实际需要建设完善监测感知设施。新建监测设施宜选用具备自动测报、双路供电、多种通讯、断电存储等功能的产品。重要监测信息应采用多路冗余采集。信息基础设施应集约建设、匹配兼容，并具有网络安全防护功能，测点编码应符合水利对象编码要求。应根据需要配置卫星应急通信设备，保障极端情况下的信息报送和预警发布能力。绝大多数工程管理单位数据量和计算量较小，考虑建设和运行维护成本，建议工程单位以小型虚拟化云节点或者单机服务器的形式，构建计算存储环境。配套通信和展示环境以复用现有的设备为主，视经济情况建设大屏等展示手段。
3.4数字孪生技术与巡检管理系统的融合
水利工程水工及设备巡检是日常管理重点工作之一。通过建立巡检系统，及时发现问题、解决问题，降低损失，保障水利工程的正常运行和各设备的维护。巡检系统应具备巡查线路、巡检类型（日常检查、定期检查、专项检查）、巡检任务、问题记录、巡检报表查询等功能，从而推动维修养护管理工作程序化、精细化、规范化。巡检管理系统与工程管理系统实现了设备信息的互连互通，同时结合RFID技术和手持终端实现对水利工程关键点位的度巡查，满足不同类型的巡查任务。将RFID技术运用于巡检系统中，在主要机电设备、启闭设备、水泵设备等主要巡视检查设备上安装电子标签，巡视人员按照指定巡视检查线路进行巡视，掌握设备的运行状态。
结语
数字孪生流域建设遵循需求牵引、应用至上、数字赋能、能力提升的原则。目标是实现数字化场景、智能模拟和准确决策。核心任务是加强数据、算法和计算能力的建设。只有实现物理实体全过程、空间建模、历史数据、水利过程、管理活动等要素的数字化仿真，才能真正实现智能水利系统的迭代优化，实现高效管理。
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