基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺研究

梁志開，江志明，李甘，吳剛

摘要：隨著數(shù)字孿生水利工程的建設(shè)需求不斷增長，對數(shù)字孿生在設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域的研究受到廣泛關(guān)注。為了研究基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理體系，詳細(xì)闡述了基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺設(shè)計方案與架構(gòu)，并從數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、仿真模擬、設(shè)備孿生體等方面詳細(xì)闡述了該平臺數(shù)字孿生相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)果表明：實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)的感知、分析、預(yù)測，對提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維可靠性、保障電站安全運(yùn)行具有重要意義，對其他水利工程機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：智慧水利； 水利機(jī)電設(shè)備； 數(shù)字孿生； 智慧運(yùn)維平臺

中圖法分類號：TP315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.020

文章編號：1006-0081（2023）09-0116-07

0引言

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、傳感器實(shí)時更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程［1］。具體來講，數(shù)字孿生以數(shù)字化形式在虛擬空間構(gòu)建一個與物理世界相一致的虛擬模型，通過物聯(lián)感知、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對物理世界場景的虛實(shí)對應(yīng)、精準(zhǔn)映射、協(xié)同交互、智能推演［2-3］。數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品、電力系統(tǒng)、智慧城市等領(lǐng)域已建立了相對成熟的技術(shù)體系與初步應(yīng)用，但在水利行業(yè)尚處于起步階段。

水利部于2021年底開始陸續(xù)頒布了一系列數(shù)字孿生水利建設(shè)的政策文件，明確了智慧水利是新時期推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展的6條實(shí)施路徑之一，應(yīng)按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵?，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案（簡稱“四預(yù)”）功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動。

生產(chǎn)運(yùn)營智慧管理是數(shù)字孿生水利工程建設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要內(nèi)容之一，而水利工程機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維是支撐生產(chǎn)運(yùn)營智慧管理的重要環(huán)節(jié)?；跀?shù)字孿生水利工程機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維的新發(fā)展方向，集成了多學(xué)科、多尺度、超高保真的數(shù)字孿生模型，能反映物理設(shè)備的幾何特征、物理性質(zhì)、動態(tài)相互作用和演化機(jī)制，提高了全因素預(yù)測維護(hù)決策的實(shí)時感知能力。目前，對數(shù)字孿生在設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，基于數(shù)字孿生的水利工程機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維是數(shù)字孿生水利工程建設(shè)的研究熱點(diǎn)［4］。

本文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺設(shè)計方案、總體架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)，并重點(diǎn)闡述數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、仿真模擬、設(shè)備孿生體等數(shù)字孿生相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知、分析、預(yù)測，對提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維可靠性、保障電站安全運(yùn)行具有重要意義［5］。

1管理平臺設(shè)計

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺以具體應(yīng)用需求為目標(biāo)，基于數(shù)字孿生相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，通過構(gòu)建物理空間與數(shù)字空間之間的閉環(huán)數(shù)據(jù)交換通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間和水利機(jī)電設(shè)備物理空間的虛實(shí)客觀映射，在數(shù)字空間對物理設(shè)備的運(yùn)維實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行呈現(xiàn)，并對歷史狀態(tài)進(jìn)行記錄。基于其狀態(tài)的映射和記錄，面向具體運(yùn)維需求，對物理空間的活動進(jìn)行分析決策支持或閉環(huán)控制，并支持設(shè)備物理實(shí)體與數(shù)字孿生系統(tǒng)的雙向迭代優(yōu)化。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺依托傳感器感知與反饋控制通路，根據(jù)水利機(jī)電設(shè)備運(yùn)維真實(shí)數(shù)據(jù)的反饋控制指令，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬數(shù)字孿生體的精準(zhǔn)映射、交互融合和智能反饋控制。同時，物理空間和數(shù)字空間的功能又可在機(jī)電設(shè)備運(yùn)維過程中進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)迭代升級［6］。

1.1總體架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺總體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)層、組件層、應(yīng)用層5個部分，圖1為平臺總體架構(gòu)。

（1） 數(shù)據(jù)源。主要用于多源異構(gòu)孿生體的匯集，數(shù)據(jù)來源包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、大數(shù)據(jù)平臺、現(xiàn)有模型、新建模型、異構(gòu)三維模型?；跀?shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺橫向關(guān)聯(lián)水利各專業(yè)、縱向貫通水利全業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)各部門、各專業(yè)分散建設(shè)的設(shè)備數(shù)字孿生匯集。這些孿生體來源分散、結(jié)構(gòu)多樣、體量巨大。匯集的主要任務(wù)是對模型、屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系等數(shù)字孿生核心要素進(jìn)行整合。

（2） 數(shù)據(jù)接入層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的歸一化與校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容包括模型歸屬類別、唯一性、完整性、元數(shù)據(jù)、模型預(yù)覽等。

（3） 數(shù)據(jù)層。用于實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺的核心數(shù)據(jù)管理。數(shù)字孿生管理平臺通過數(shù)據(jù)匯集搭建孿生體模型數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)多維度、跨專業(yè)、格式歸一化的孿生體數(shù)據(jù)集中存儲與管理，通過模型唯一識別碼實(shí)體ID關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)中心的各類業(yè)務(wù)和感知數(shù)據(jù)及映射關(guān)系，服務(wù)于后期孿生體的復(fù)用。同時，模型數(shù)據(jù)庫的搭建沿用數(shù)據(jù)中心的建設(shè)技術(shù)框架，為后期數(shù)據(jù)中心整合和擴(kuò)展提供技術(shù)準(zhǔn)備。

（4） 組件層。用于提供基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺的核心業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐服務(wù)，基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺應(yīng)用服務(wù)能力，以統(tǒng)一目錄體系、可視化展示、空間坐標(biāo)配準(zhǔn)、屬性編輯、場景組合、數(shù)據(jù)檢索等基本的管理組件作為支撐，基于一系列組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、信息管理以及相關(guān)工作業(yè)務(wù)管理，為平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐功能。

（5） 應(yīng)用層。搭建平臺的基本應(yīng)用功能，用于實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺的各項(xiàng)具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)孿生體上傳入庫、在庫管理和出庫共享分發(fā)等環(huán)節(jié)功能。

1.2技術(shù)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺的技術(shù)架構(gòu)，主要分為部署環(huán)境、數(shù)據(jù)層技術(shù)、支撐層技術(shù)和服務(wù)層微服務(wù)架構(gòu)、網(wǎng)關(guān)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)等主要技術(shù)環(huán)節(jié)，以此支撐多樣的孿生體應(yīng)用，如圖2所示。

（1） 部署環(huán)境。主要包括基于虛擬器、容器架構(gòu)、專用網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載均衡設(shè)備進(jìn)行的部署安裝，實(shí)現(xiàn)在水利工程體系下兼容與適配。

（2） 數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)接入方面，采用ETL數(shù)據(jù)中間件的方式完成數(shù)據(jù)的集成過程，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NoSql數(shù)據(jù)庫、對象存儲服務(wù)和分布式文件存儲系統(tǒng)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的混合存儲。在數(shù)據(jù)分析與計算方面，為滿足孿生體海量空間與非空間數(shù)據(jù)計算的性能需求，采用分布式計算架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

（3） 支撐層。用于對平臺應(yīng)用與數(shù)據(jù)操作進(jìn)行技術(shù)支撐。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具為定制開發(fā)的用于多源數(shù)據(jù)歸一化的工具軟件，完成多類三維數(shù)據(jù)的歸一化處理。而三維轉(zhuǎn)換插件則是針對BIM，OSGB等特殊三維格式的專業(yè)化、輕量化、結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)換插件，可將BIM輕量化為通用三維格式，將OSGB結(jié)構(gòu)化為OBJ格式，從而適配更多的三維平臺。

（4） 服務(wù)層。采用微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，兼顧擴(kuò)展性、容錯性、技術(shù)選型靈活、開發(fā)運(yùn)維效率等因素。微服務(wù)架構(gòu)是將原本單一進(jìn)程拆分為多個進(jìn)程服務(wù)，且相互之間存在調(diào)用關(guān)系，又能獨(dú)立部署運(yùn)行的松耦合架構(gòu)，便于服務(wù)的穩(wěn)定、擴(kuò)展和維護(hù)，可以更好支撐數(shù)字孿生多種多樣的應(yīng)用需求。

（5） 網(wǎng)關(guān)層。主要包括負(fù)載均衡、緩存、限流、降級、熔斷等相關(guān)數(shù)字孿生共享服務(wù)網(wǎng)關(guān)技術(shù)，以支撐數(shù)字孿生平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（6） 應(yīng)用層。主要包括支撐水利機(jī)電設(shè)備孿生體配置、調(diào)用、變更、運(yùn)維等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

數(shù)據(jù)是支撐數(shù)字孿生水利工程進(jìn)行模擬仿真和決策的依據(jù)與基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理水平將直接影響到數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)成功與否。

目前，中國水利行業(yè)除水文水情數(shù)據(jù)有行業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，其他水利工程子系統(tǒng)均沒有通用的數(shù)據(jù)格式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對水利工程各系統(tǒng)開展異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的研究，包括異構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式、接口規(guī)范等信息系統(tǒng)建設(shè)數(shù)據(jù)要素，促進(jìn)工程數(shù)據(jù)信息共享與整合。明確數(shù)據(jù)采集對象，建立數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲機(jī)制，建立水利數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)，制定滿足特定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求的專用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)字孿生水利工程采用異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成了多個相關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和透明訪問，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)信息資源、硬件設(shè)備資源和人力資源的合并和共享，從而有效解決了數(shù)據(jù)孤島問題，為數(shù)字孿生水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用打下堅實(shí)基礎(chǔ)［7］。

異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與各信息子系統(tǒng)信息交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。各信息子系統(tǒng)向異構(gòu)數(shù)據(jù)庫推送實(shí)時信息的交換流程包括：

（1） 異構(gòu)數(shù)據(jù)庫發(fā)起業(yè)務(wù)請求；

（2） 分發(fā)樞紐校驗(yàn)用戶名和密碼的正確性；

（3） 分發(fā)樞紐校驗(yàn)通過后，將業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)給信息系統(tǒng)平臺；

（4） 信息系統(tǒng)進(jìn)行用戶有效性校驗(yàn)；

（5） 信息系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；

（6） 信息系統(tǒng)將業(yè)務(wù)處理的消息返回給分發(fā)樞紐；

（7） 分發(fā)樞紐將消息的處理結(jié)果返回給異構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)，主要分為數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)映射、孿生模型和數(shù)據(jù)決策等主要數(shù)據(jù)模塊，以此連接物理與孿生空間的對象數(shù)據(jù)，如圖4所示。

（1） 數(shù)據(jù)連接。包括基于大數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集感知與反饋控制。

（2） 數(shù)據(jù)映射。包括數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通與模型互操作等功能模塊，功能模塊之間可進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、模型的管理。

（3） 孿生模型。包括模型的構(gòu)建、融合、修正與驗(yàn)證。

（4） 數(shù)據(jù)決策。包括對數(shù)據(jù)決策應(yīng)用的描述、診斷、預(yù)測與處置等。

2.2“數(shù)據(jù)+知識+模型”驅(qū)動建模技術(shù)

數(shù)字孿生建模技術(shù)根據(jù)模型更新機(jī)理可分為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、基于知識驅(qū)動、基于模型驅(qū)動的3類建模技術(shù)。① 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模技術(shù)：基于底層數(shù)據(jù)分析，無需知識和模型建立，通用性強(qiáng)、適用性廣；② 知識驅(qū)動建模技術(shù)：基于中層機(jī)理規(guī)律，無需精確建模，適用于原理知識成熟場景；③ 模型驅(qū)動建模技術(shù)：基于上層現(xiàn)有模型，需現(xiàn)有模型已知，適用于模型成熟場景。水電站機(jī)電設(shè)備運(yùn)維往往是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、多物理場耦合、運(yùn)維機(jī)理模型不全的復(fù)雜場景，可采用“數(shù)據(jù)驅(qū)動+知識驅(qū)動+模型驅(qū)動”相結(jié)合的建模方式［8］。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模采用深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及受生物啟發(fā)的各類演化計算方法。基于模型/知識驅(qū)動的建模面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)則知識、人在回路的操作經(jīng)驗(yàn)知識以及已有模型與算法知識等。數(shù)據(jù)、知識、模型驅(qū)動建模的優(yōu)缺點(diǎn)如圖5所示。

通過“數(shù)據(jù)+知識+模型”驅(qū)動建模技術(shù)，構(gòu)建機(jī)電設(shè)備運(yùn)維全視域及全聲域?qū)\生模型，原理如圖6所示，數(shù)據(jù)、知識、模型驅(qū)動建模從不同的技術(shù)場景與維度，豐富和完善了機(jī)電設(shè)備全視域與全聲域?qū)\生模型，提高了模型精確度與完整性，“數(shù)據(jù)+知識+模型”驅(qū)動建模技術(shù)既作為數(shù)字孿生模型的支撐，也接受孿生模型應(yīng)用反饋并不斷修正與完善，形成建模與應(yīng)用的良性自循環(huán)。

2.3多物理場耦合有限元仿真技術(shù)

隨著科技發(fā)展，水利工程運(yùn)維場景以及機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，各機(jī)電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)由復(fù)雜的圖4基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)多物理場耦聯(lián)系統(tǒng)組成，設(shè)備在運(yùn)行中受到電、磁、熱、力及流體等多物理場的耦合作用，影響的運(yùn)維場景包括水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子振動、母線溫升、電抗器振動噪聲、開關(guān)柜發(fā)熱故障等多場耦合作用場景。多物理場耦合仿真可以更準(zhǔn)確地反映物理實(shí)體真實(shí)的狀態(tài)和行為信息，擬實(shí)物理實(shí)體的功能和性能，提高數(shù)字孿生的擬實(shí)化程度及保真度，是數(shù)字孿生應(yīng)用取得成功的關(guān)鍵因素。多物理場耦合有限元仿真技術(shù)在設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用不僅包括構(gòu)建多場耦合的數(shù)學(xué)計算模型，如電-磁-流-熱-力-聲-結(jié)構(gòu)等多場耦合數(shù)學(xué)模型，而且還包括構(gòu)建大規(guī)模并行有限元算法。

研究大規(guī)模并行有限元算法技術(shù)，是解決多物理場耦合仿真難題的有效途徑。穩(wěn)定、可靠、快速、準(zhǔn)確的數(shù)值計算方法是多物理場耦合求解的關(guān)鍵問題。新型并行算法的提出、多場耦合模型分解或局部等效、有限元計算網(wǎng)格與步長的自適應(yīng)優(yōu)化、均勻化理論等有限元數(shù)值技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多場耦合問題的解決。

數(shù)字孿生平臺實(shí)時監(jiān)測物理實(shí)體的運(yùn)維狀態(tài)，將多物理場監(jiān)測量作為虛擬實(shí)體的一部分輸入，并借助多物理場耦合仿真模型計算得到各物理場分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬數(shù)字體之間的數(shù)據(jù)映射和交互?；跀?shù)字孿生平臺，可以進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真與多物理場仿真校核［9］。

2.4設(shè)備數(shù)字孿生體構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字孿生是物理世界的數(shù)字化呈現(xiàn)，可通過構(gòu)建設(shè)備設(shè)施數(shù)字孿生體來描述設(shè)備設(shè)施物理實(shí)體，對物理世界設(shè)備設(shè)施實(shí)體信息進(jìn)行實(shí)時采集、運(yùn)算分析、監(jiān)控統(tǒng)計等，使得運(yùn)行維護(hù)人員更精準(zhǔn)地掌握設(shè)備設(shè)施動態(tài)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際設(shè)備設(shè)施運(yùn)行過程的提效和降本目的［10］。

創(chuàng)建水利工程機(jī)電設(shè)備數(shù)字孿生體，需要實(shí)現(xiàn)添加孿生體、添加孿生節(jié)點(diǎn)、配置功能屬性、配置孿生規(guī)則、設(shè)置孿生體模板、添加數(shù)字映射、查看孿生體運(yùn)行日志等操作，運(yùn)行操作人員可在設(shè)備設(shè)施數(shù)字孿生體的數(shù)字孿生節(jié)點(diǎn)上配置物理模型屬性和孿生規(guī)則，通過數(shù)據(jù)映射能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施數(shù)字孿生體的系統(tǒng)管理，設(shè)備數(shù)字孿生體構(gòu)建流程如圖7所示。設(shè)備數(shù)字孿生體構(gòu)建涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括以下兩部分。

（1） 階段式數(shù)字孿生體生成技術(shù)。水利機(jī)電設(shè)備構(gòu)建數(shù)字孿生體的過程分為建模與仿真兩個階段。建模階段將待建立數(shù)字孿生體的設(shè)備物理實(shí)體拆解成各種基礎(chǔ)組件，逐層分級組合成水利機(jī)電設(shè)備數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)模型。仿真階段則是基于構(gòu)建好的三維數(shù)字模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁、流體等物理規(guī)律和機(jī)理，計算、分析和預(yù)測物理實(shí)體的未來狀態(tài)，從而建立水利機(jī)電設(shè)備數(shù)字孿生體內(nèi)部和孿生體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最終的數(shù)字孿生體由1個或多個單元級數(shù)字孿生體按層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系逐級復(fù)合而成，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的生成。

（2） 復(fù)合式數(shù)字孿生體信息模型庫。水利機(jī)電設(shè)備數(shù)字孿生體模型除了具有極強(qiáng)業(yè)務(wù)背景的水利機(jī)電設(shè)備數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)模型以外，還包括OSGB，3DMAX，GLTF，revit，bently，catia，OBJ，F(xiàn)BX，3DS等模型。因此，實(shí)現(xiàn)兼容眾多模型格式就是數(shù)字孿生體管理系統(tǒng)的核心功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，數(shù)字孿生體管理系統(tǒng)指定了水利機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)模型，對于其他格式的三維模型，首先通過格式導(dǎo)出工具標(biāo)準(zhǔn)化為水利機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)模型，如果不具備標(biāo)準(zhǔn)化條件的，轉(zhuǎn)化為通用三維格式OBJ。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，用于存儲各類模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專業(yè)數(shù)據(jù)、顯示圖形數(shù)據(jù)以及組件的編碼信息。同時支持存儲各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)字典，用于解析專業(yè)數(shù)據(jù)含義。

3結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理平臺設(shè)計方案、總體架構(gòu)與技術(shù)架構(gòu)，并重點(diǎn)闡述了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)、“數(shù)據(jù)+知識+模型”驅(qū)動建模技術(shù)、多物理場耦合有限元仿真技術(shù)、設(shè)備數(shù)字孿生體構(gòu)建技術(shù)，從數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、仿真模擬、設(shè)備孿生體等方面介紹了水利機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維平臺數(shù)字孿生相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)的感知、分析、預(yù)測，對提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)維可靠性、保障電站安全運(yùn)行具有重要意義，可為其他水利工程機(jī)電設(shè)備智慧運(yùn)維管理提供較好的示范與啟示意義。

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（編輯：李晗）

Research on intelligent operation and maintenance management platform of?hydraulic electromechanical equipment based on digital twin technology

LIANG Zhikai，JIANG Zhiming，LI Gan，WU Gang

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： With the growing construction demand of the digital twin water conservancy project，the research on the intelligent operation and maintenance management system of water conservancy electromechanical equipment based on the digital twin technology has gradually become one of the hot spots in the industry.To study of intelligent operation and maintenance and management system of hydraulic electromechanical equipment based on digital twin technology，the design scheme and architecture of the intelligent operation and maintenance management platform was described in detail，and the key technologies related to the digital twin of the intelligent operation and maintenance platform of hydraulic electromechanical equipment were introduced from the aspects of data management，model construction，simulation，equipment twins，etc.The results showed that the realization of sensing，analyzing and forecast was important to improve the reliability of the equipment and ensuring the safe operation of the station.It can provide a good demonstration and inspiration for the intelligent operation and maintenance management of other hydraulic engineering electromechanical equipment.

Key words： intelligent water conservancy； hydraulic electromechanical equipment； digital twins； intelligent operation and maintenance management platform