數(shù)字孿生技術在水庫大壩及灌區(qū)信息化建設中的應用

馬宏偉

（北京中水科工程集團有限公司，北京 100048）

引言

目前，我國各主要水庫及灌區(qū)均建立了大壩安全監(jiān)測信息的收集和管理體系[1]，可以對大壩進行數(shù)據(jù)采集和安全管理，但是，不能及時、有效地分析和診斷水壩及灌區(qū)的安全情況，不能滿足多層水庫和儲灌區(qū)域的安全管理，為此，應從工程與非工程的角度，引入新理論、新技術和新模式，改善水庫和灌區(qū)的安全管理工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云計算以及數(shù)字孿生等技術的不斷發(fā)展和進步，為水庫大壩的安全管理提出了新的設想。

數(shù)字孿生技術是將物理模型、傳感器更新、運行歷史等綜合起來的多學科、物理量、規(guī)模和概率的仿真技術。事實上，數(shù)字孿生技術是基于某種特殊設備或系統(tǒng)而形成的“克隆體”。

數(shù)字孿生系統(tǒng)以信息技術平臺為基礎，與設計圖比較，該數(shù)字孿生系統(tǒng)最大的特點是可以實現(xiàn)對物體的動力學仿真。它的“動”，是建立在本體的物理實體模型之上，還會得到來自于身體表面感應器的反饋和關于本體論的歷史資料?！皩\生體”的實時狀況以及所處的周圍環(huán)境，都會在“身體里重現(xiàn)”。數(shù)字孿生不僅具有“會動”的特性，還具有“全壽命”“實時/準實時”“雙向”等特征。

在其它產(chǎn)業(yè)中，數(shù)字孿生已經(jīng)得到了廣泛的應用，與其它項目相比，水庫壩體及灌區(qū)具有從設計、施工、運營和管理等全過程，因此，必須要把數(shù)字孿生技術和大壩有機地結合起來，數(shù)字孿生技術在水利領域的應用必然會使傳統(tǒng)的水利管理方式發(fā)生變化，為水庫大壩及灌區(qū)管理提供了一種更為方便、科學的技術方法[2]。

1 當前水庫大壩及灌區(qū)信息化現(xiàn)狀

目前，我國各大港口企業(yè)普遍認為，水庫大壩及灌區(qū)由機械化進入智能化時代，并在業(yè)內(nèi)形成了一股合力。2017年2月初，交通部發(fā)布《關于開展智慧港口示范工程的通知》，沿海水庫和灌區(qū)的建設，都在以人工智能為突破口參與其中，利用智能管理系統(tǒng)，可以極大地降低碼頭的經(jīng)營管理費用，減少產(chǎn)品制造、貿(mào)易等環(huán)節(jié)，逐步降低水庫大壩、灌區(qū)交易和物流鏈條各個環(huán)節(jié)的費用，從而創(chuàng)造更多的間接效益。因此，運用現(xiàn)代化的智能技術已成為港口發(fā)展的必然趨勢。

隨著水庫壩址和灌區(qū)裝卸貨物種類的不斷細化，裝卸設備的科技水平不斷提高，由于裝卸過程越來越復雜，僅憑經(jīng)驗是不可能實現(xiàn)的。國外已在水庫大壩和灌區(qū)信息平臺上進行了相應的研究，通過信息存儲、人工智能、AIS和云計算等大數(shù)據(jù)技術，持續(xù)改進水庫和灌區(qū)設施的現(xiàn)代化程度。我國的水庫和灌區(qū)的信息化建設平臺也在迅速發(fā)展。

2 大壩安全及灌區(qū)管理的數(shù)字孿生技術

為了實現(xiàn)水庫大壩及灌區(qū)的數(shù)字化運營和安全管理，開發(fā)了一套高性能、可擴展、易使用的數(shù)字孿生技術。

2.1 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生應用需求體系

根據(jù)國家、地方政府的相關政策文件及業(yè)主需求，全面部署，頂層設計，通過對水庫、油庫工程、管理和信息化建設的現(xiàn)狀進行調(diào)研，從工程概況、業(yè)務管理、系統(tǒng)應用等多方面入手，對數(shù)字孿生應用系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了深入的剖析，明確了安全監(jiān)控業(yè)務的關鍵點和雙應用技術的重點。

2.2 大壩及灌區(qū)安全運行管理體系與數(shù)字孿生應用框架

綜合調(diào)研業(yè)務需求、發(fā)展趨勢，對“一頁一圖”“基本信息”“水雨情”“預報調(diào)度”“安全監(jiān)測”“視頻監(jiān)控”“閘門監(jiān)控”等系統(tǒng)管理業(yè)務流程、指標體系、運行體系等方面進行了詳細闡述。

2.3 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生應用標準組件庫

基于企業(yè)內(nèi)部邏輯，建立了包括BIM、GIS、傾斜攝影等多個立體顯示模塊的模塊庫。由水工建筑物、監(jiān)測斷面、監(jiān)測點等組成的組合式安全監(jiān)測體系，包含雨量計、滲壓計、流量計、溫度計、GNSS和應力計等模塊，由水質模型、氣象預報模型、水文預報模型、調(diào)洪演算模型、防洪調(diào)度模型和大壩安全預測預警模型等構成，由彈窗、列表、餅圖、柱狀圖等構成模塊庫。集成組件開發(fā)、封裝和接口技術，實現(xiàn)組件、業(yè)務、應用和平臺的集成[3-4]。

2.4 大壩及灌區(qū)安全數(shù)字孿生支撐平臺

采用標準化、模塊化、可視化和智能化的開發(fā)思路，建立了水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，并通過圖形化的編輯方法，根據(jù)具體工程的實際工作要求，在可視化環(huán)境下進行組件組裝，減少了開發(fā)人員的工作量，提高了工作效率，達到了低成本、高效率、用途廣泛的目的。該支撐平臺能夠支持三維可視化數(shù)字化場景，包括空間數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資源的無縫整合，并實現(xiàn)了與現(xiàn)實生活的動態(tài)映射。

3 數(shù)字孿生技術在水庫大壩及灌區(qū)運行管理中的應用研究

3.1 應用分析

在信息技術飛速發(fā)展的今天，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術已經(jīng)成為信息技術發(fā)展的一個重要方向。數(shù)字孿生技術是目前智能領域中一個新的研究熱點，也是復雜系統(tǒng)的智能化操作與維修中的一個重要課題。水庫大壩及灌區(qū)的運營管理，涉及到監(jiān)測、預警、調(diào)度和維護等業(yè)務，也涉及到對資源的收集、儲存等方面的規(guī)劃。以此為基礎，構建一個數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整個生命周期采集、存儲、交換、更新和共享。在這一過程中，數(shù)字孿生技術可以為水庫及灌區(qū)的整體管理提供有力的技術支撐。

隨著信息技術、自動化和通訊技術的飛速發(fā)展，信息資源短缺、數(shù)據(jù)整合能力差、開發(fā)利用效率低下等問題正在逐步得到改善。

3.2 運行機制

在信息空間中，利用幾何、物理、行為、規(guī)則等多種不同的方式，建立了一個基于數(shù)學、行為和規(guī)則的數(shù)學模型。在此基礎上，通過對狀態(tài)感知、分析、決策、執(zhí)行等過程的閉環(huán)管理，實現(xiàn)了實體空間與信息空間的實時互動。

3.3 單元級水庫大壩及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)

每個庫壩及灌區(qū)的數(shù)字孿生系統(tǒng)都能感知、計算、分析相應的監(jiān)控對象和環(huán)境，水庫、灌區(qū)的物質世界和信息世界能夠相互交融，具有可感知、可計算、可交互、可擴展和可自主決策的最小單元。運用現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)了對水閘、水輪發(fā)電機組、輸水隧洞、水渠、雨情和水情等物理實體從幾何、狀態(tài)、行為、變化等方面進行全要素重建，即通過構建相應的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對水利工程實際空間的運行狀況、變化趨勢（如水位變化、電壓變化、配電設備等）進行實時跟蹤，利用大數(shù)據(jù)、機器學習等技術，對數(shù)據(jù)進行實時分析與處理，并根據(jù)實際情況，做出有效決策。

本文以閘門啟閉機水庫及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)為實例，利用感知模塊獲取閘門啟閉機的各種信息，其中包括閘門啟閉機的外形、啟閉力、啟閉行程和閉合速度、啟閉機功率狀態(tài)、空間尺度、閘門振動等，對閘門開閉器的幾何模型、物理模型、行為模型等進行分析。在閘門運動過程中，如果閘門運動模式出現(xiàn)了明顯的跳高或提高，則會自動切斷，并向工作人員匯報故障的原因。在檢測到開啟高度的振動時，可以向閘門開啟裝置發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)打開高度，調(diào)整后的狀態(tài)會被反饋到虛擬模型中，反復計算，避免出現(xiàn)震動。通過使用支持向量機、動態(tài)貝葉斯等數(shù)據(jù)挖掘技術以及知識庫、經(jīng)驗庫等，對閘門啟閉機的安全性能進行了研究。

3.4 系統(tǒng)級水庫大壩及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)

系統(tǒng)級的水庫和儲罐數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于其所有的單位級數(shù)對系統(tǒng)，利用狀態(tài)感知、信息交互、即時分析等方法，改進了水庫及灌區(qū)的管理和決策能力，從而達到資源的總體分配。采用現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等技術，實現(xiàn)了多個單位層次的數(shù)字孿生系統(tǒng)的互聯(lián)和互操作，并實現(xiàn)了各功能模塊間的數(shù)據(jù)自動流通，從而使水庫和儲灌區(qū)域的資源優(yōu)化配置得到更好的發(fā)揮。系統(tǒng)級水利數(shù)字孿生系統(tǒng)綜合考慮了各單位級水庫及灌區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及其相互關系，實現(xiàn)了對各模塊的統(tǒng)一調(diào)度，提高了各單位級數(shù)字孿生系統(tǒng)的協(xié)同工作能力，確保了水利項目的安全。

4 關鍵技術

在技術路線的選擇上，綜合運用了物聯(lián)網(wǎng)、3S技術、云計算和大數(shù)據(jù)等先進技術，實現(xiàn)了對水庫大壩及灌區(qū)安全管理的統(tǒng)一。

4.1 基于混合存儲架構的大數(shù)據(jù)存儲方案

經(jīng)過多次的實驗與對比，最后選定了MongoDB的DB分布式內(nèi)存，以及MySQL，用于基于關系的數(shù)據(jù)和時間。提出了兩種混合數(shù)據(jù)存儲器方案，即原始的數(shù)據(jù)存儲器和結果的存儲器。本系統(tǒng)采用ETL技術，將各個水庫、灌區(qū)域的原始資料、水文氣象資料和地形地貌資料等數(shù)據(jù)收集起來，然后歸檔。建立了一個基于MapReduce的Hadoop分布式計算體系結構，主要內(nèi)容有：水文預報模型、調(diào)度演算模型、氣象預報模型、回歸分析模型、相關性分析模型、浸潤線分析模型、滲透坡降分析模型和模型容量擴展接口。利用集群模型對結果進行分析，把得到的資料匯集在一個復合內(nèi)存里進行備份。采用微服務集群訪問的方式，實現(xiàn)了心跳管理、負載平衡和服務權限管理。應用WebAPI，為水庫管理、水資源管理、流域管理以及其他服務機構提供數(shù)據(jù)服務[5]。

4.2 多級緩存熱點數(shù)據(jù)交互方法

為了提高速度，通過緩沖暫時將數(shù)據(jù)保存內(nèi)存中。為了提高系統(tǒng)的性能和使用效率，減少重復訪問和計算過程的消耗，需要對高頻熱點數(shù)據(jù)進行高速緩存。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，利用Redis集群緩存技術，可以減少數(shù)據(jù)的平均損耗，可以訪問數(shù)據(jù)簇，能快速發(fā)現(xiàn)高頻異常數(shù)據(jù)，并能對熱點信息進行統(tǒng)計和分析。

4.3 BIM+GIS融合技術

BIM+地理信息系統(tǒng)集成技術問題研究，利用三維BIM模型和3D地圖技術，實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生。利用當前國內(nèi)主要的GIS軟件，可以無損地接入BIM的主流數(shù)據(jù)，準確地與GIS系統(tǒng)進行BIM數(shù)據(jù)匹配。實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)與三維實體模型的無縫對接，并以GIS為平臺，以BIM+GIS為基礎，為BIM+GIS的應用提供技術支持和平臺支持。

5 創(chuàng)新點及社會效益分析

利用該數(shù)字孿生技術，對目前已有的水庫大壩和灌區(qū)信息系統(tǒng)實現(xiàn)了創(chuàng)新。

1）建立了與現(xiàn)實一致又高效的實時監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字孿生系統(tǒng)，并將這些信息融合在一起，進行分析、判斷，制定出合理的計劃。對水庫壩址、儲灌區(qū)域進行調(diào)度、管理，節(jié)約人力、物力和時間。

2）利用人工智能技術和云計算技術，搭建平臺，打通后方管理平臺、水庫大壩和灌區(qū)區(qū)域的信息屏障，基于云端的數(shù)字孿生技術，對多個異質信息進行統(tǒng)一、同步和預處理，實現(xiàn)了身份識別系統(tǒng)、RFID、雷達、AIS、CCTV、機械設備和船用設備等信息的同步、預處理。

3）基于4G/5G通信技術，以智能手機為終端，將庫區(qū)、大壩、灌區(qū)、閘門、現(xiàn)場機房和控制室等關鍵節(jié)點連接起來，形成一個統(tǒng)一的“數(shù)字孿生”體系。在雷達、視覺深度處理、工業(yè)總線、激光雷達以及毫米波雷達等手段支持下，極大地提高了“數(shù)字孿生”的感知和整合功能，并把實時數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)結合起來。

4）搭建云服務平臺，與操作維護人員的手機APP相連，提高水壩本身的智能監(jiān)控功能；從參與大壩安全監(jiān)督管理的角度出發(fā)，采用“數(shù)字孿生”技術，為不同的用戶提供數(shù)據(jù)和控制界面。最后，在不增加現(xiàn)有基礎設施和運營費用的情況下，進行最優(yōu)整合，提高水庫整體大壩、儲灌區(qū)及其相關水系的服務效率。

5）通過對系統(tǒng)內(nèi)應力應變、滲流滲壓、變形監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測乃至水雨情的各種信息的收集和整理，并保障消息的實時性與可靠性，通過系統(tǒng)提前進行預判和管理，解決了以往水庫大壩及灌區(qū)依靠人的視覺和經(jīng)驗來管理的比較落后的模式。

6 結語

數(shù)字孿生技術實現(xiàn)了對水庫大壩及灌區(qū)全生命周期、實時和準實時的雙向信息傳輸，提出了水利信息化的新思路、新技術、新模式。數(shù)字孿生技術在水庫大壩及灌區(qū)的應用還處于起步階段，為了能與現(xiàn)實接軌，要在理論、技術和信息化方面進行探索，在信息化的認識和方法創(chuàng)新上，都要與GIS、BIM技術緊密結合。本文所開發(fā)的“數(shù)字孿生”技術平臺，對中國大壩及灌區(qū)安全管理和運營具有一定的參考價值。