基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利工程運行管理體系構(gòu)建措施

干慧瑛

（天臺縣龍溪水庫事務(wù)中心，浙江 臺州 317200）

信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，推動水利工程信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為實現(xiàn)水利信息資源的全面整合與實時共享，并對工程運行狀態(tài)進行全過程把控與監(jiān)管，需認識到數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的必要性，針對工程運行管理，打造物理實體與虛擬體的實時交互、相互映射、高效協(xié)同的管理系統(tǒng)，對工程運行情況進行現(xiàn)代化管理。

1 水利工程運行管理問題

水利工程運行管理時需執(zhí)行的管理工作內(nèi)容較多，如引水工程管理、堤防管理、水閘管理、灌溉工程管理等，水利工程類型的不同，使得運行環(huán)境與功能也表現(xiàn)較多差異性，并有著各自的管理特點，需結(jié)合外界環(huán)境實際情況對管理形式進行優(yōu)化。此外，水利工程的綜合性、系統(tǒng)性較強，需同時具備發(fā)電、灌溉、防洪等基本功能，且各地區(qū)、各部門對水的要求也不同，甚至?xí)嬖诶鏇_突，這是水利工程運行管理時需著重考慮的問題，并需打造科學(xué)且可行的運行管理機制，實現(xiàn)對各項管理工作的綜合決策，確保工程中水資源的合理、充分利用，提升水利工程運行效益。

物聯(lián)網(wǎng)、自動化以及仿真技術(shù)的完善與應(yīng)用，推動水利工程管理工作數(shù)字化、智能化開展，加快工程建設(shè)步伐，促使水利信息化范圍的不斷擴大，但與水利事業(yè)實際改革需求相比，現(xiàn)階段水利工程的運行管理水平仍較低，且存在較多的不足：其一，缺乏完善的水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施，無法在第一時間采集、獲取有價值信息。其二，水利數(shù)據(jù)整合能力弱，各部門掌握的信息資源有較大偏差，不利于數(shù)據(jù)的共享與應(yīng)用，缺乏水利信息資源共享體系。其三，工程運行調(diào)度時，始終依托于現(xiàn)行的規(guī)章制度與準(zhǔn)則，致使各項工作固化開展，嚴(yán)重影響資源配置效果。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于水利工程運行管理的意義

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)多種現(xiàn)代化技術(shù)的推廣，以及聚類分析、機器學(xué)習(xí)等優(yōu)化算法的實現(xiàn)，使得數(shù)字孿生技術(shù)理論研究與應(yīng)用領(lǐng)域多元化發(fā)展，而具體應(yīng)用也從產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品制造與運行管理方面。水利工程運行與管理時，需同時執(zhí)行多項業(yè)務(wù)，如維護、預(yù)警、調(diào)度、監(jiān)測等，水利信息化也對水利業(yè)務(wù)范圍提出更多要求，應(yīng)細致、全面規(guī)劃主體信息資源采集、傳輸、應(yīng)用等工作。為保證規(guī)劃作業(yè)的有效、順利開展，需打造水利數(shù)據(jù)模型，動態(tài)模擬工程各種現(xiàn)象，并實時交互融合工程物理實體與信息空間數(shù)據(jù)信息，以保證水利工程全生命周期運行與管理時，各類運行數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、更新與共享。由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)思想與水利信息化實現(xiàn)有較多相同點，并在技術(shù)的支撐下，實現(xiàn)水利工程精細化管理。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利工程運行管理體系構(gòu)建

3.1 構(gòu)建思路

水利工程運行管理數(shù)字孿生體系融合多樣化信息技術(shù)，包括通信、計算、感知、控制等，在此基礎(chǔ)上，有機結(jié)合技術(shù)與各生產(chǎn)要素，如管理者、物理實體、運行環(huán)境等，在虛擬空間中精準(zhǔn)映射、實時反饋水利工程運作期間表現(xiàn)出的狀態(tài)、特征以及變化過程，實現(xiàn)工程運行管理模式的全面優(yōu)化。這一期間，創(chuàng)造的與現(xiàn)實物理實體在外表、內(nèi)容、性質(zhì)相同的虛擬產(chǎn)品被稱為水利工程數(shù)字孿生體，是與物理實體整個生命周期完全一致的虛擬模型，能夠有效聯(lián)系物理與虛擬空間，對物理實體在物理世界中行為、狀態(tài)、性能等進行仿真。依托于水利工程運行管理實際和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用特點，分別從目標(biāo)、原則與功能三方面分析體系構(gòu)建思路：

（1）構(gòu)建目標(biāo)。水利信息化是以水利工程為中心，對水利運行管理資源進行整合，并合理、科學(xué)配置所掌握的各類信息，實現(xiàn)信息資源開發(fā)與共享，促進水利業(yè)務(wù)與信息技術(shù)的有機結(jié)合。水利工程運行期間，在運行環(huán)境、狀態(tài)等方面均體現(xiàn)出不確定性的特點，需要確保物理、信息空間中各項要素的一致性，對此，應(yīng)打造彼此交互、相互映射、高效協(xié)同的控制系統(tǒng)，以此起到優(yōu)化配置系統(tǒng)內(nèi)部資源的作用，還可達到系統(tǒng)運行按需響應(yīng)、快速迭代的效果。同時，應(yīng)充分融合工程運行全要素，依托于多元現(xiàn)代化技術(shù)，實現(xiàn)對用戶、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，增強所有要素之間的互聯(lián)互通性；融合、集成工程運行全流程，實時、跟蹤監(jiān)測工程整體運行狀況；整合工程運行全業(yè)務(wù)，主要集成對象有水利業(yè)務(wù)、全局水利數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)關(guān)系等，以保證信息共享服務(wù)全面性、完整性。

（2）構(gòu)建原則。首先，物理對象真實反映原則。水利工程運行環(huán)境較為復(fù)雜，要求工程物理實體具備實時感知、互聯(lián)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的能力，全面感知、融合四大要素即環(huán)境、物、機、人，與此實時，全過程采集并傳輸完整的物理實體運動、狀態(tài)等信息；其次，虛擬模型構(gòu)建真實性原則，虛擬模型是水利工程物理實體在信息空間中的數(shù)字化映射，模型的分析與應(yīng)用可模擬仿真、評估、決策水利工程檢查、控制、養(yǎng)護等，全生命周期監(jiān)管、預(yù)測水利工程運行狀態(tài)；最后，孿生數(shù)據(jù)動態(tài)性原則。水利工程運行管理期間會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，且類型多樣，并表現(xiàn)出多源異構(gòu)、多維度等特征。利用虛擬模型分析、處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)，以此得到新數(shù)據(jù)信息，被稱為衍生數(shù)據(jù)，而孿生數(shù)據(jù)則在服務(wù)系統(tǒng)、虛擬模型、物理實體中獲得。

（3）功能介紹。對水利工程運行管理時發(fā)生的所有行為進行模擬、評估、分析、預(yù)測，具體來說就是在虛擬環(huán)境中模擬工程運行管理行為，實現(xiàn)對各要素狀態(tài)、運行參數(shù)以及任務(wù)成功率加以精準(zhǔn)掌握，確保管理計劃設(shè)計有據(jù)可依。運行管理時，對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析，利用規(guī)則模擬對現(xiàn)行管理模式先進性加以評估，在此期間，應(yīng)融合交互、迭代優(yōu)化信息空間與物理空間，依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)控制物理實體，利用數(shù)字孿生體動態(tài)化、可視化監(jiān)管物理實體，以此診斷、定位、管理水利設(shè)施運行故障。打造預(yù)測模型，依托知識庫、經(jīng)驗庫中的原始數(shù)據(jù)與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘、聚類分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析與處理，預(yù)測工程后期運行狀態(tài)，并針對可能發(fā)生的運行管理問題制定相應(yīng)的措施，確保工程穩(wěn)定、健康運作。此外，在數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的幫助下，可在數(shù)字孿生體中實時映射水利工程安全管理、調(diào)度管理、工程維修養(yǎng)護等，全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)工程狀態(tài)、行為與物理參數(shù)。而管理人員可借助各類可視化數(shù)據(jù)著手于主體信息的規(guī)劃工作，再借助統(tǒng)一資源管理服務(wù)平臺將可靠、便捷的服務(wù)提供給用戶。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)可細分為兩部分，即虛擬體、物理實體。其中，虛擬體是在物理實體最初形態(tài)以及條件的基礎(chǔ)上通過模擬仿真而得到，再將決策仿真驗證后的結(jié)果映射到針對物理實體構(gòu)建的信息系統(tǒng)中，以此起到實時監(jiān)管物理實體的作用。常見的物理實體有水閘、水泵等設(shè)施。

站在廣義的角度對物理實體進行分析，同時包含數(shù)據(jù)質(zhì)量管理系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)，后者設(shè)備的功能模塊有水質(zhì)監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、閘泵監(jiān)控等。信息系統(tǒng)監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)便是物理實體狀態(tài)數(shù)據(jù)，但水利工程運作期間，極易遇到通訊異常、傳感器故障等問題，無法保證系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的真實性、可靠性，也不能準(zhǔn)確將物理實體實際狀態(tài)進行反饋，不利于虛擬體決策。對此，需為物理實體打造數(shù)據(jù)質(zhì)量管理系統(tǒng)，科學(xué)篩選數(shù)據(jù)信息，并刪除存有異常的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)糾正功能。

若基于廣義視角對虛擬體加以解讀，涉及到?jīng)Q策算法、數(shù)字模型兩項內(nèi)容。其中，數(shù)字模型有河網(wǎng)水動模型、產(chǎn)匯流模型等，又包括時間序列、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等黑箱模型。但水利工程的調(diào)度與決策無法僅依靠數(shù)字模型執(zhí)行，還應(yīng)依托于決策算法，比如動態(tài)、線性規(guī)劃算法、粒子群算法、遺傳算法等，為數(shù)據(jù)的大規(guī)模計算提供可靠技術(shù)支撐。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

通過對數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)框架以及不同層的基本功能進行研究，能夠發(fā)現(xiàn)水利工程運行管理時，應(yīng)用的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)主要針對物理實體層與虛擬層不同功能。其中，物理實體層的數(shù)據(jù)采集與共享需在多種技術(shù)的支撐下實現(xiàn)，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)有分布式傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)、分布式云服務(wù)存儲技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等；虛擬層主要執(zhí)行的工作為數(shù)據(jù)建模與計算，為保證建模仿真能夠真實、準(zhǔn)確映射物理實體，則需應(yīng)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)、信息接口技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、模擬融合與集成技術(shù)、虛擬混合現(xiàn)實技術(shù)、多物理多尺度建模技術(shù)、模擬仿真驗證與優(yōu)化技術(shù)等。

3.4 運行機制

單元級水利工程孿生系統(tǒng)：各單元級系統(tǒng)都可感知、計算分析相對應(yīng)的監(jiān)測對象與環(huán)境，以此融合、交互水利工程的虛擬空間與物理空間，是水利工程孿生系統(tǒng)的最小單元，擁有多元功能，如延展、計算、感知、自動決策等。借助信息技術(shù)，全過程采集、整合系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，還可對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以此為依據(jù)，分別從狀態(tài)、行為、集合等方面對信息空間中的各類物理實體如水輪發(fā)電機組、閘門啟閉機、河渠等進行重建，以此得到水利工程數(shù)字孿生體，實現(xiàn)對水利工程物理實體實際情況以及變化趨勢的實時、全方位監(jiān)測，如配電設(shè)備運行狀態(tài)、水位變化等。與此同時，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)打造對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)化分析、處理所掌握的數(shù)據(jù)信息，為外部復(fù)雜環(huán)境變化的應(yīng)對決策制定提供數(shù)支持，并采取“以虛控實”的手段實現(xiàn)對物理實體的管控。

比如，針對閘門啟閉機設(shè)計的孿生系統(tǒng)，先打造相應(yīng)的感知模塊，實現(xiàn)對閘門啟閉機運行期間產(chǎn)生的各類信息進行采集，如閘門震動、空間尺度、閘門開啟與下降牽引力等，科學(xué)、細致分析與處理采集數(shù)據(jù)，為設(shè)備打造多種數(shù)據(jù)模型，包括行為模型、物理模型、幾何模型等，操控閘門時，可全過程、跟蹤監(jiān)測、管控閘門啟閉機整體情況。當(dāng)閘門狀態(tài)變化時，通過觀察、分析閘門運作模型，了解閘門高度，如果有非正常變化狀況，系統(tǒng)會自動切斷電源。若閘門出現(xiàn)振動，系統(tǒng)可在第一時間向閘門下達指令，以此調(diào)控閘門高度，再借助感知模塊將處理后的閘門狀態(tài)呈現(xiàn)到虛擬模型上，通過反復(fù)迭代，避開振動位置。

系統(tǒng)級水利工程孿生系統(tǒng)：系統(tǒng)級孿生系統(tǒng)針對所有單元級系統(tǒng)，對其進行分析、交互與感知，促使水利工程決策、組織能力得以提升，確保資源配置合理性。利用多元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等，建立起各單元及系統(tǒng)之間的聯(lián)系，達到互聯(lián)互通的效果，還可實現(xiàn)相互操控，使水利工程所有功能模塊中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)自動流動，極大程度地提高水利工程資源配置深度與廣度。系統(tǒng)通過分析、整理單元級系統(tǒng)運行信息，統(tǒng)一調(diào)度各模塊，確保單元級系統(tǒng)協(xié)作效率，增強水利工程運作安全性。

3.5 應(yīng)用場景

梯級泵站恒水位控制參數(shù)率定。某調(diào)水工程為梯級泵站，并建設(shè)有明渠實現(xiàn)水資源的輸送，但未安裝調(diào)蓄設(shè)備，為保持前池水位的恒定，下級泵站變頻機組需自動調(diào)頻。借用PID對調(diào)頻行為進行控制，在此之前，需科學(xué)、合理選取調(diào)節(jié)步長以及其他參數(shù)，包括比例、積分、微分，規(guī)避系統(tǒng)振蕩、超調(diào)。但由于泵站運行時無法高頻率執(zhí)行啟停機試驗，因此，率定參數(shù)僅可進行有限次數(shù)試驗，嚴(yán)重影響調(diào)控效果。

對此，決定使用數(shù)字孿生技術(shù)，依據(jù)渠道設(shè)計圖紙和泵組特性曲線，打造渠段、泵組數(shù)字模型，實現(xiàn)渠段、上下級泵站的有機整合，再分析原始數(shù)據(jù)，著手于渠系水動模型、泵組模型的優(yōu)化，確保模型可準(zhǔn)確反應(yīng)渠系與泵站的性能。還需利用數(shù)字模型優(yōu)選調(diào)節(jié)步長與各參數(shù)，并在物理系統(tǒng)中對所選取數(shù)據(jù)進行驗證。

系統(tǒng)同樣利用Python語言開發(fā)，使用PySwmm打造渠道出水口、進水口、水源模型，依據(jù)特性曲線搭建變頻泵組模型，將泵組模型與PID控制器嵌入到PySwmm的單步時間步長St中，對各項參數(shù)進行設(shè)定，將St作為時間步長模擬仿真恒水位調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)對前池水位變化情況的實時掌握。

應(yīng)用成果：模擬仿真下級泵站前池恒水位控制參數(shù)率定，在此期間，各項參數(shù)的設(shè)定值如下：比例0.003、積分0.002、微分0.000 01、調(diào)節(jié)步長60，前池水深6.61 m。啟動上級泵站后，下級泵站的前池水位會上升，當(dāng)運行時長達3 h時，恒水位控制器會發(fā)揮其自動調(diào)節(jié)功能，確保前池水深始終保持在設(shè)定水深范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

水利工程運行管理時，通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)打造虛擬模型，實現(xiàn)對工程物理實體的精準(zhǔn)仿真，以此處理引水環(huán)通中閘泵群最優(yōu)調(diào)度的決策問題，還可對泵站恒水位進行全面管控。與此同時，構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，完善工程運行管理體系，依托于人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)，推動“信息水利管理”向“智慧水利管理”的高速變革。