傅涛
靖江市江河堤闸管理处 江苏省泰州市靖江市 214500
摘要：文章主要阐述了数字孪生技术来源及定义，明确建设数字孪生模型能够反映物体实体运行规律、物理属性、集合参数等。以此为基础，在水利工程运行管理中应用该技术，从而实现水利工程的科学调度，提高运行管理效率，确保运行安全。
关键词：水利工程；运行管理；数字孪生技术；应用
前言：
水利工程管理涉及面广、成果质量要求高、作业流程复杂，承担着数据采集、整理、存储、分析及提交管理成果的工作。传统管理中，采取二维图纸、纸质记录等方式进行管理，投入时间、人力较多，存在效率低、管理混乱、数据多元易购的情况。而数字孪生技术作为表示物理流程、资产或系统及性能建模的数字化工程信息，具有现实与虚拟高度融合的特点，可为水利工程运行管理提供支持，实现工程精准管控、智能运作与可靠运维。
一、数字孪生技术概述
数字孪生概念来源“Digital Twin”词汇，2003年Grieves教授在美国密歇根大学的全生命周期产品管理课程提出，后美国国防部提出在NASA阿波罗计划航空航天飞行器上应用数字孪生技术，用于健康保障和维护，制造与飞行器完全相同的孪生提模拟飞行器状态。在初期阶段，受限于技术未能被人们重视，美国2012年NASA正式定义数字孪生：是指利用物理模型、运行历史、更新传感器，集成多概率、多尺度、多物理量、多学科的仿真过程，于虚拟信息空间内映射物理实体，反映实体装备的生命周期。实际而言，是指在物理实体上部署各种传感器，以此感知物理世界运行状态，通过信息空间构建映射物理实体，实现高效协同、实时交互的虚拟模型。该模型可反应物理实体运行规律、物理属性、集合参数等，具备评测、预测、优化及评估功能，以虚拟模型和物理实体为jchu，能够为工程提供精准管控、只能运行与可靠运维的服务。
二、水利工程运行管理中数字孪生技术应用措施
1.运行机制
水利工程运管中，应用数字孪生技术集计算、通信、感知与控制为一体，在信息空间描述建模物理实体的物理、行为、几何、规则等，达成信息空间与物理空间实时交互与动态链接，实现立足于数据自流动的实时分析、状态感知、合理决策与执行管理循环。具体如下：
（1）数据感知。运行管理中需拥有充分、广泛的数据源，通过水位仪、传感器、影像设备、气象站及温度仪获取基础水利工程信息，包含建筑物维护数据、水文气象数据、影响监测数据。其中，建筑围护数据为结构应力变量、建筑模型数据；水文气象数据是指降雨量、水质元素、水位、温湿度、风速等；影响监测是指仪器应用、环境、河道水位、人为因素等。借助预设采集数据设备与传感器，实现决策、分析的迅速可靠，能够获得最新实时数据，完成虚拟与现实的互动关联。
（2）数据传输。借助云储存、互联网及物联网将感知数据存储于数据库内，常用数据库包含MySQL、SQL、Oracle等，数据和孪生系统构建映射关系，以实现数据互相调用和动态响应。
（3）数据处理。数字孪生系统中，数据处理作为挂件部分，也是解决水利工程管理问题的重要方式，应结合历史数据与感知实施数据，应用智能预测方式，预测预报温湿度、水位等，反复修正训练非线性映射权重，保证数据满足精度要求。预报模型完成训练后，即可预测新感知数据。如，分析历史泄洪闸门数据，构建使用寿命与变形数据非线性关系，按照感知数据预测其应用寿命，安排人员定期维护泄洪闸。
2.单元级数字孪生系统
单元级工程数字孪生系统，能够感知与计算监测环境及对象状态，实现水利工程信息世界与物理世界的交互融合，具有可延展、可交互、可感知、自主决策的最小系统单元。借助信息技术，利用数据实时采集、监控和集成，信息空间重建水轮发电机组、闸门启闭机、排水沟、输水隧洞、水情、雨情、河渠等工程物理实体的行为、状态、变化等，建立工程对应数字孪生提，对工程物理空间变化趋势、运行状态动态跟踪，如电压配电设备、水位变化等，通过机械学习、大数据等分析技术，构建数据模型，处理分析数据，对复杂环境进行决策，以虚控实的方式管理物理实体。
3.系统级数字孪生系统
系统级工程数字孪生系统，是面对单个水利工程，基于单元级孪生系统的实时分析、信息交互与状态感知，提高工程决策与组织能力，优化整体资源配置。通过无线、以太网、总线等网络实现和单元级系统互通互联互操作，各功能模块数据能够自动流动，提高工程优化配置资源深度、广度及精度。该系统考虑了单元级系统的信息关系，统一调度各个模块，提高孪生系统协同效率，确保工程实现安全运行。如，闸门操作中，水情孪生系统监测上下游水位，根据知识库内始流闸下安全水位-流量关系曲线进行可泄放流量，计算闸门开孔数量。电源电压系统监测电网停电，也会自动启动备用发电机，以此为闸门提供电源能量，消除不正常情况。
4.SOS级数字孪生系统
SOS级工程数字孪生系统，面对某流域内多个水利工程系统构成，建立智能服务平台，统一监测系统工程工作状态，做好集中管控与实时分析工作，且拥有分布式多元易购数据计算与分析能力，协同优化多个组成部分，全面感知全局流域信息，科学决策。如，水库群联合调度中，水库梯级共同构成水库群，水文信息多样复杂，不同领域、工程、水库水利联动构成非线性关系，对于调度需求要求更为多样，增加了水位管理难度。根据系统智能平台，防洪调度前对径流汇流、入库流量等综合考虑，信息空间模拟调度过程，即可掌握工作中水利工程任务成功率、状态行为及运行参数。
总结：综上所述，水利工程作为国民经济发展基础设施，水利工程确保运行安全作为重要任务，对于管理的多变性、复杂性问题，可应用数字孪生技术构建运行管理体系，全过程监管水利工程运行，从而为统一调度、管理决策提供支持，推动水利工程发展。
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