臨淮崗數(shù)字孿生工程建設(shè)研究和探索

李君廷

(安徽省臨淮崗洪水控制工程管理局，安徽 合肥 230088)

加快數(shù)字化高質(zhì)量發(fā)展,建設(shè)數(shù)字中國(guó),是大勢(shì)所趨。推進(jìn)智慧水利建設(shè),是建設(shè)數(shù)字中國(guó)的重要組成部分。2022年3月22日,水利部部長(zhǎng)李國(guó)英提出將智慧水利建設(shè)提上日程,并提出智慧水利建設(shè)應(yīng)以“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”為要求,以“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)功能為目標(biāo)[1],實(shí)現(xiàn)水安全風(fēng)險(xiǎn)從被動(dòng)應(yīng)對(duì)向主動(dòng)防控轉(zhuǎn)變。

臨淮崗洪水控制工程管理局為積極響應(yīng)智慧水利建設(shè)要求,探索數(shù)字孿生工程建設(shè)技術(shù)和工程調(diào)度全過程仿真應(yīng)用,立足臨淮崗洪水控制工程(以下簡(jiǎn)稱“臨淮崗工程”)實(shí)際,提出臨淮崗工程數(shù)字孿生建設(shè)的總體框架和任務(wù),運(yùn)用三維建模、數(shù)字映射、虛擬仿真等技術(shù),結(jié)合工程調(diào)度需求,形成數(shù)字孿生臨淮崗工程智慧應(yīng)用,進(jìn)而提升臨淮崗工程防洪調(diào)度能力以及工程運(yùn)行科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化水平。

1 工程概況及信息化現(xiàn)狀

1.1 工程概況

臨淮崗工程(見圖1)處于淮河流域中游,位于潁上、霍邱、阜南三縣,線性布置橫亙于淮河之上,壩體由8.54km主壩、8.41km南副壩和60.56km北副壩三部分組成,其中臨淮崗船閘、深孔閘、淺孔閘和姜唐湖進(jìn)洪閘由南至北依次坐落于主壩之上,南北副壩上布置有50座穿壩涵閘和陶壩閘、張集閘2座中型水閘,姜唐湖退水閘、城西湖退水閘隸屬臨淮崗工程洪水調(diào)度運(yùn)用。工程同上游大型水庫(kù)、沿淮行蓄洪區(qū)、分洪河道一起構(gòu)成淮河中游多層次綜合防洪體系,使淮河中游正陽(yáng)關(guān)以下地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到百年一遇,被譽(yù)為“淮河上的三峽工程和小浪底工程”,結(jié)束了淮河中游無大型洪水防御控制性工程的歷史[2]。

圖1 臨淮崗工程鳥瞰圖

1.2 信息化現(xiàn)狀

臨淮崗工程已竣工安全運(yùn)行15年,管理單位積累了一定的管理經(jīng)驗(yàn)。臨淮崗工程信息化建設(shè)起點(diǎn)高、規(guī)模大,但因工程建設(shè)期間施工單位多,信息系統(tǒng)集成整合不到位,后期受維護(hù)經(jīng)費(fèi)限制,加之當(dāng)今全球信息化技術(shù)的飛速發(fā)展,導(dǎo)致臨淮崗工程信息化與智慧水利建設(shè)明顯滯后,突出表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

a.水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為薄弱,缺乏完善的雨水情、工情智能化采集設(shè)施,一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集還依賴人工作業(yè)。

b.已建成的大型水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件廠家元器件更新?lián)Q代且缺乏專業(yè)人員維護(hù),損壞后難以及時(shí)修復(fù)。

c.業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)尚處于起步階段,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)分析、綜合應(yīng)用等系統(tǒng)還未建立。

d.不同部分之間存在數(shù)據(jù)資源不對(duì)等、信息不能共享的現(xiàn)象,無法充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析、優(yōu)化和輔助決策。

2 數(shù)字孿生臨淮崗工程建設(shè)思路研究

數(shù)字孿生臨淮崗工程建設(shè)圍繞新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的要求,積極踐行“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路,結(jié)合臨淮崗工程管理現(xiàn)狀,以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑[3],充分運(yùn)用新一代信息技術(shù),以數(shù)字地形為基石,以傾斜攝影模型、BIM模型為重點(diǎn),對(duì)臨淮崗工程進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化映射;強(qiáng)化信息技術(shù)和水利業(yè)務(wù)深度融合,以數(shù)字賦能工程防洪、水資源管理等重點(diǎn)領(lǐng)域,構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生臨淮崗工程體系,提升管理單位水治理和水管理能力。將大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)與工程水旱災(zāi)害防御、水資源精準(zhǔn)調(diào)度、工程巡查管理、水行政執(zhí)法等業(yè)務(wù)有效地結(jié)合起來,通過全量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合、實(shí)時(shí)處理與智能計(jì)算,形成數(shù)據(jù)采集、信息整合、綜合調(diào)度、智能控制、智慧決策全過程智能監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)臨淮崗物理實(shí)體工程與數(shù)字孿生臨淮崗工程之間的數(shù)字化映射、同步仿真管理運(yùn)行,有效支撐洪水防御和工程管理的精準(zhǔn)化決策。逐步建成洪水防御、水資源管理、工程管理、水行政執(zhí)法等各類系統(tǒng),優(yōu)先構(gòu)建工程主壩核心區(qū)的數(shù)字孿生展示應(yīng)用,進(jìn)而逐步覆蓋工程管理全過程管控、安全監(jiān)測(cè)、設(shè)備養(yǎng)護(hù)及水行政執(zhí)法等,扎實(shí)推進(jìn)分系統(tǒng)模塊化建設(shè)、數(shù)據(jù)全方位集成融合的建設(shè)思路,各類數(shù)據(jù)不但能為臨淮崗數(shù)字孿生提供支撐,也同樣能服務(wù)于整個(gè)淮河流域。

3 數(shù)字孿生臨淮崗工程總體框架

統(tǒng)籌臨淮崗工程信息化現(xiàn)狀和管理需求,堅(jiān)持智慧水利建設(shè)要求,研發(fā)LHG數(shù)字孿生架構(gòu)平臺(tái),以場(chǎng)景全要素表達(dá)為基礎(chǔ),以數(shù)據(jù)信息加載為主線,實(shí)現(xiàn)宏觀尺度GIS空間地理信息與微觀尺度工程三維模型數(shù)據(jù)、運(yùn)管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)等多維多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合,全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè),充分利用數(shù)字孿生新技術(shù),深入水利行業(yè)服務(wù)場(chǎng)景,打造實(shí)用先進(jìn)的信息基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生平臺(tái),建設(shè)具有“四預(yù)”功能的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,逐步提升臨淮崗工程防洪調(diào)度、水資源管理、工程運(yùn)管等業(yè)務(wù)的現(xiàn)代化水平。數(shù)字孿生臨淮崗工程的總體框架見圖2。

圖2 數(shù)字孿生臨淮崗工程總體框架

4 數(shù)字孿生建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生工程建設(shè)最為突出的是數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)工程信息化建設(shè),數(shù)字孿生工程從信息采集、信息傳輸、模型融合、交互協(xié)同及系統(tǒng)性能等方面,都具有一定的先進(jìn)性,能夠支撐智慧應(yīng)用。本次臨淮崗數(shù)字孿生工程建設(shè)主要從數(shù)據(jù)采集和傳輸、模型融合、交互與協(xié)同等方面進(jìn)行數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用說明,明確各技術(shù)定義及在數(shù)字孿生工程建設(shè)中的作用。

4.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)

數(shù)字孿生工程是將物理世界的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反映在虛擬世界中,因此數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性至關(guān)重要。本次臨淮崗數(shù)字孿生工程建設(shè)借助IoT等技術(shù),將復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集及傳輸過程簡(jiǎn)單化,并且兼顧臨淮崗已有的監(jiān)測(cè)體系,適配現(xiàn)有的感知體系,構(gòu)建集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸于一體的感知體系平臺(tái)。

4.2 數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)

數(shù)字孿生工程建設(shè)時(shí),涉及多專業(yè)、多領(lǐng)域模型,為實(shí)現(xiàn)多模型實(shí)時(shí)更新、修正、優(yōu)化及動(dòng)態(tài)評(píng)估,從結(jié)構(gòu)、流程、物理場(chǎng)景等角度出發(fā),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性建設(shè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的融合[4]。臨淮崗工程地處淮河流域地形平緩區(qū)域,下游水位等要素對(duì)上游的水流運(yùn)動(dòng)的影響較大,在模型模擬計(jì)算時(shí)不能忽略,必須在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)之內(nèi)進(jìn)行耦合求解,也就是必須在內(nèi)層考慮到空間上的耦合關(guān)系,外層按照時(shí)間循環(huán)進(jìn)行求解。臨淮崗工程在防洪調(diào)度時(shí)通過數(shù)值離散構(gòu)建節(jié)點(diǎn)方程,在步長(zhǎng)級(jí)耦合求解。

4.3 交互與協(xié)同技術(shù)

數(shù)字孿生工程主要是在虛擬世界中,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體各類參數(shù)的模擬與仿真,突出工作人員在虛擬世界的沉浸感,真正做到解放雙眼的目標(biāo)。臨淮崗數(shù)字孿生工程建設(shè)主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等交互技術(shù),將防洪調(diào)度和工程管理中的各類情形進(jìn)行交互展現(xiàn),增強(qiáng)防洪調(diào)度預(yù)演的真實(shí)體驗(yàn)感,增強(qiáng)閘門開度、工程管理、運(yùn)行維護(hù)等場(chǎng)景應(yīng)用的交互沉浸感。

5 數(shù)字孿生臨淮崗工程建設(shè)方向

5.1 構(gòu)建臨淮崗工程智慧防洪“四預(yù)”體系

5.1.1 構(gòu)建防洪數(shù)字化場(chǎng)景

基于工程三維地理場(chǎng)景,集成防汛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等跨行業(yè)共享數(shù)據(jù),構(gòu)建臨淮崗工程防洪數(shù)字化場(chǎng)景,為提高洪水預(yù)報(bào)精度、提升防洪調(diào)度水平等提供數(shù)字化基礎(chǔ)支撐。

5.1.2 智慧化模擬

在數(shù)字化場(chǎng)景基礎(chǔ)上,集成耦合洪水推進(jìn)模型、工程聯(lián)合調(diào)度模型、災(zāi)害淹沒評(píng)估模型,結(jié)合預(yù)報(bào)調(diào)度方案庫(kù)、歷史場(chǎng)景庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)等知識(shí),通過仿真引擎和知識(shí)引擎驅(qū)動(dòng),根據(jù)氣象預(yù)報(bào)及洪水預(yù)報(bào)情況,對(duì)河道、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)蓄泄情況進(jìn)行模擬預(yù)演,實(shí)現(xiàn)洪水淹沒分析、水資源管理與調(diào)配等功能的數(shù)字孿生三維可視化場(chǎng)景預(yù)演展示,為工程精細(xì)化調(diào)度提供決策支持,實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度決策的智慧化模擬[5]。

5.1.3 精準(zhǔn)化決策

建設(shè)智慧防洪調(diào)度管理系統(tǒng),通過防洪數(shù)字化場(chǎng)景和智慧化模擬,根據(jù)實(shí)際雨水情預(yù)報(bào)情況,開展多目標(biāo)協(xié)同聯(lián)合調(diào)度,形成淮河流域不同水平年、不同工況條件下洪水調(diào)度方案,支撐構(gòu)建臨淮崗工程控制運(yùn)用時(shí)的淮河流域水工程聯(lián)合調(diào)度方案體系,為面臨強(qiáng)降雨大洪水等災(zāi)害天氣時(shí)科學(xué)決策提供支持。在數(shù)字流場(chǎng)中提升洪水防御工作中“四預(yù)”能力,做到“洪水有預(yù)報(bào)、預(yù)警信息有發(fā)布、防汛決策有預(yù)演、指揮調(diào)度有預(yù)案”,全面提升水災(zāi)害防御智能調(diào)度和精準(zhǔn)化決策能力。

5.2 提升臨淮崗水資源綜合利用精細(xì)化管理水平

淮河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,水資源短缺現(xiàn)狀日趨嚴(yán)重,迫切要求臨淮崗工程調(diào)蓄利用好洪水資源。臨淮崗水資源綜合利用工程是2020—2022年擬開工建設(shè)的150項(xiàng)重大水利工程項(xiàng)目之一。在后期臨淮崗水資源綜合利用工程建設(shè)中,積極響應(yīng)數(shù)字賦能號(hào)召,認(rèn)真謀劃數(shù)字孿生工程建設(shè),建立覆蓋臨淮崗工程及上游庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的水資源調(diào)度管理系統(tǒng),充分運(yùn)用仿真模擬、數(shù)字孿生、數(shù)字映射等技術(shù),在數(shù)字流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)水資源管理“四預(yù)”,合理調(diào)配水資源,實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約集約利用、改善生態(tài)環(huán)境,提高水資源調(diào)配與管理水平,增強(qiáng)決策的快速反應(yīng)能力和防斷流能力,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。融合智慧防洪調(diào)度管理系統(tǒng)和水資源調(diào)度管理系統(tǒng),可以將淮河洪水資源化,抓住洪水的尾巴,將壩上洪水尾量實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置,從而促進(jìn)臨淮崗工程以上河南省信陽(yáng)市,安徽省阜陽(yáng)市、六安市相關(guān)縣區(qū)“取、用、耗、排”水資源全過程整合,為建立和完善城鄉(xiāng)水資源合理配置和高效利用體系提供“智慧保障”。

5.3 打造工程調(diào)度全流程仿真模擬

針對(duì)臨淮崗工程調(diào)度的現(xiàn)狀和問題,運(yùn)用BIM、智能控制、三維仿真、監(jiān)測(cè)診斷等技術(shù),從工程調(diào)度日常數(shù)據(jù)展示、事中過程控制、閘門調(diào)度仿真及工程事后模擬評(píng)價(jià)等角度出發(fā),開展工程調(diào)度全流程仿真模擬,打造工程調(diào)度可視、可管、可控及全流程預(yù)演。

5.3.1 調(diào)度數(shù)據(jù)可視化

工程調(diào)度全流程仿真模擬,可以多種角度直觀地展示水利工程的運(yùn)行狀態(tài),支持基于地理信息系統(tǒng),對(duì)管理范圍內(nèi)工程及上游庫(kù)區(qū)、關(guān)鍵水位控制測(cè)站等管理要素進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)展示大壩主體、壩前水位情況和大壩水閘垂直水平位移以及測(cè)壓管數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)壩體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變信息、氣象信息、滲流信息、水質(zhì)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)工程調(diào)度各類監(jiān)測(cè)信息一屏展示。見圖3。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

5.3.2 調(diào)度過程各類信息聯(lián)動(dòng)化

調(diào)度過程中,在三維場(chǎng)景下,融合綜合展示信息和成組或單閘控制,提供閘門開閘過程中其前后水位在線監(jiān)測(cè)信息及過程線,結(jié)合水位流量過程曲線,實(shí)現(xiàn)按照調(diào)度指令要求實(shí)時(shí)調(diào)整閘門開度。同時(shí)展示安全監(jiān)測(cè)信息與在線視頻聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)閘門開度在線監(jiān)控,為工程調(diào)度、泄洪監(jiān)管提供支撐。見圖4

圖4 調(diào)度過程各類信息聯(lián)動(dòng)

5.3.3 工程調(diào)度管理標(biāo)準(zhǔn)化

工程調(diào)度管理標(biāo)準(zhǔn)化主要是在三維數(shù)字化場(chǎng)景上,融合水位過程線及水位預(yù)警信息,同時(shí)集成閘門狀態(tài)及開度,聯(lián)合在線視頻監(jiān)控,實(shí)時(shí)洞察水閘泄洪過程中閘門運(yùn)行狀況及現(xiàn)場(chǎng)操作過程,為防汛管理及工程標(biāo)準(zhǔn)化操作提供技術(shù)支撐。見圖5。

圖5 調(diào)度仿真模塊

5.3.4 調(diào)度事后評(píng)估智慧化

調(diào)度事后評(píng)估根據(jù)不同調(diào)度情形,制定不同的指標(biāo)體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度相關(guān)工作的考核評(píng)估,穩(wěn)步推進(jìn)調(diào)度業(yè)務(wù)高質(zhì)量發(fā)展,從而推進(jìn)防洪治理工作。本模塊是在構(gòu)建智慧化的調(diào)度評(píng)估體系并實(shí)施防洪調(diào)度后,根據(jù)災(zāi)后統(tǒng)計(jì)得出的災(zāi)情損失數(shù)據(jù),在三維場(chǎng)景下,評(píng)價(jià)洪澇災(zāi)害發(fā)生前后過程中各種措施、方案、決策的合理性以及減災(zāi)的實(shí)際效果。同時(shí),將模塊估算的洪水淹沒范圍、受災(zāi)人口及重點(diǎn)設(shè)施影響程度與實(shí)際統(tǒng)計(jì)得出的災(zāi)情信息結(jié)果在三維場(chǎng)景中進(jìn)行對(duì)比,供決策人員作進(jìn)一步分析。如果成果對(duì)比分析表明模擬結(jié)果與實(shí)況統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差較大,需在查清原因的基礎(chǔ)上,對(duì)模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)做出修改,或?qū)︻A(yù)估災(zāi)情信息作進(jìn)一步分析。

6 結(jié) 論

數(shù)字孿生模型與傳統(tǒng)數(shù)字模型如CAD、GIS及BIM等相比,其優(yōu)勢(shì)是集成人、機(jī)、物三維空間全生命周期在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)持續(xù)迭代優(yōu)化。臨淮崗工程數(shù)字孿生模型不僅能精準(zhǔn)化映射物聯(lián)感知獲得的基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)反映的工程物理特征,還能精準(zhǔn)化映射其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及洪水演進(jìn)和預(yù)演,在感知手段局限的情況下,可以依靠水利專業(yè)及智能模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)進(jìn)行推斷。本文根據(jù)智慧水利、數(shù)字孿生工程建設(shè)等文件要求,結(jié)合臨淮崗工程信息化現(xiàn)狀和工程管理實(shí)際需求,對(duì)臨淮崗工程數(shù)字孿生建設(shè)總體框架、建設(shè)思路、先進(jìn)技術(shù)、建設(shè)方向等進(jìn)行了研究和探索,希望對(duì)臨淮崗以及其他水利工程數(shù)字孿生建設(shè)有一定的幫助和參考價(jià)值。