數(shù)字孿生技術(shù)賦能水利工程建設(shè)管理路徑

宋 敏,周伊文

(1.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.河海大學(xué)投資研究所,江蘇 南京 211100)

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,借助新一代信息技術(shù)建設(shè)數(shù)字孿生流域、智慧水利保障體系,推進(jìn)水利工程智能化改造,建成七大江河數(shù)字孿生流域等是“十四五”期間智慧水利建設(shè)的主要目標(biāo)[1]。當(dāng)前,為了完成這一主要目標(biāo)所要面對和亟待突破的難題仍有不少,其中的關(guān)鍵是如何順利完成水利工程項目建設(shè)與當(dāng)代數(shù)字信息化技術(shù)的融合交互。

數(shù)字孿生技術(shù),將傳統(tǒng)技術(shù)與人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)融合,基于物理實(shí)體和虛擬映射構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),對物理世界場景進(jìn)行全要素、多尺度、多視圖的模擬仿真,可以實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的實(shí)時交互和融合。將數(shù)字孿生技術(shù)與水利工程建設(shè)相結(jié)合,構(gòu)建具有實(shí)時監(jiān)測、動態(tài)管理等多種功能的數(shù)字孿生模型,有助于搭建水利工程建設(shè)的物理世界和虛擬世界之間的橋梁[2-3],對突破水利工程建設(shè)與信息化技術(shù)交互融合的瓶頸具有積極作用。在水利工程建設(shè)的管理過程中,充分利用數(shù)字孿生技術(shù)有利于將水利工程建設(shè)管理各部門的信息進(jìn)行實(shí)時映射、深度融合、模擬分析,進(jìn)而幫助解決水利工程建設(shè)管理的科學(xué)決策問題。

1 水利工程建設(shè)管理歷史沿革分析

1.1 傳統(tǒng)水利工程建設(shè)管理趨于制度化

傳統(tǒng)的水利工程項目從前期建設(shè)到后期項目管理通常使用較為寬泛的項目建設(shè)管理體系,一般在項目初期就具備明晰的規(guī)章制度和具化的人工操作流程,以此來完成該項目的建造和管控,如以都江堰為代表的傳統(tǒng)水利工程大多采用專管部門維護(hù)、流域系統(tǒng)統(tǒng)一治理、標(biāo)準(zhǔn)化管理的管理制度。據(jù)《水經(jīng)注》記載,公元168年,漢靈帝設(shè)立都水椽、都水長對都江堰進(jìn)行專項管理,并有專管部門對所屬灌溉區(qū)工程、供用水等事項進(jìn)行統(tǒng)籌管理。都江堰的水系治理人員一直放眼于整個岷江、沱江水系,運(yùn)用完備、系統(tǒng)、整體的思考方式來實(shí)現(xiàn)所屬流域的綜合治理與管理。都江堰的水利管理經(jīng)驗(yàn),是先輩勇于求索、仔細(xì)試驗(yàn)的治水管水經(jīng)驗(yàn),其中一部分固化為程式、準(zhǔn)則,也有一部分最終成為管理制度。傳統(tǒng)水利工程管理體系的發(fā)展,雖然為現(xiàn)代水利工程建設(shè)提供了參考,但隨著時代的發(fā)展,傳統(tǒng)水利工程的管理制度已無法滿足現(xiàn)代水利工程建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要。在制度方面,需要完善的智能化制度對水利工程的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明和管理,并對建設(shè)、運(yùn)行等過程中的安全處理做出明確的說明[4]。在監(jiān)測方面,水利工程數(shù)量龐大,需要提高信息監(jiān)測在水利工程建設(shè)各個環(huán)節(jié)的覆蓋率,及時全面地獲取區(qū)域水利工程信息,更準(zhǔn)確高效地提出合適的管理方案[5-6]。

1.2 水利工程建設(shè)管理逐步信息化

中國特色社會主義進(jìn)入新時代,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)。傳統(tǒng)的水利工程建設(shè)管理方式已無法滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求,水利工程建設(shè)亟須創(chuàng)新管理思路[7]?！捌呶濉逼陂g,我國的水利工程信息化建設(shè)就已起步,通過通信、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等,初步實(shí)現(xiàn)了水利工程信息的基本傳輸?！笆濉逼陂g,中華人民共和國水利部(以下簡稱水利部)發(fā)布《全國水利信息化“十三五”規(guī)劃》,提出深化信息技術(shù)與各項水利工作的融合,積極研究大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等技術(shù)應(yīng)用,強(qiáng)化信息化對水利各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的服務(wù)與支撐[8]。黨的十九大報告中提出要“加強(qiáng)水利等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”[9],為此,水利部加緊穩(wěn)步推進(jìn)新一輪的智慧水利總體方案編制工作,推動水利相關(guān)的政策改革,以期利用數(shù)字信息化、智慧化手段完成一系列智慧化水利工程的重點(diǎn)任務(wù)。近年來,我國水利工程信息化建設(shè)發(fā)展迅速,逐漸朝著智慧水利的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、可視化及智能化等新一代信息技術(shù)的充分運(yùn)用,為水利工程建設(shè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持,也在一定程度上推動了水利工程建設(shè)管理工作的發(fā)展。

1.3 數(shù)字孿生成為水利建設(shè)核心部分

2017年以來,水利部及各地區(qū)相關(guān)部門就水利數(shù)字化問題多次召開會議,廣泛聽取意見,發(fā)布多份文件,以期從政策上賦能水利建設(shè),具體內(nèi)容詳見表1。

表1 2017年以來我國水利數(shù)字化相關(guān)會議內(nèi)容

具體到建設(shè)實(shí)踐上,各地積極響應(yīng),貫徹并落實(shí)習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的“十六字”治水思路[10],各地有關(guān)部門加大水利工程項目前期資金投入和技術(shù)運(yùn)用力度,調(diào)用實(shí)時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)字發(fā)展技術(shù),充分運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)推動水利建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展[11]。江西省政府積極響應(yīng)中央的號召,聯(lián)合有關(guān)部門于省內(nèi)吉安市率先開展“智慧防汛”建設(shè)試點(diǎn)項目,旨在通過“建設(shè)監(jiān)測站網(wǎng)、開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)平臺、升級預(yù)警設(shè)施設(shè)備、完善網(wǎng)格化責(zé)任制”4項舉措,形成“一張網(wǎng)、一平臺、兩體系”,即覆蓋全區(qū)的監(jiān)測網(wǎng)、監(jiān)測預(yù)警平臺、水量預(yù)警發(fā)布體系和群測群防體系。通過“智慧防汛”建設(shè),在全區(qū)范圍基本形成預(yù)案到鄉(xiāng)、預(yù)警到村、信息到戶、安全到人的防災(zāi)減災(zāi)保障體系,有效應(yīng)對了2020年暴雨災(zāi)害、2022年罕見干旱,確保了全區(qū)人民的生命、財產(chǎn)安全?！爸腔鄯姥础苯ㄔO(shè)效果良好,預(yù)計該地區(qū)該體系最終形成時,受益人口將達(dá)8.92萬人。通過加大數(shù)字信息化投入、該項目最終將涵蓋吉安市61個地區(qū)的行政村、共計226個山洪災(zāi)害防治區(qū)。

各省建管并舉,深化實(shí)施數(shù)字化水利,始終堅持以數(shù)字孿生技術(shù)為支撐,以數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ),建成“六大系統(tǒng)”,打造集“感知、預(yù)警、決策、外警、發(fā)布”于一體的水利信息化指揮中心。建成水庫水位雨量監(jiān)測系統(tǒng)、河長制管理系統(tǒng)、水土保持管理系統(tǒng)、山洪災(zāi)害防治監(jiān)測平臺,充分利用數(shù)字孿生技術(shù)推動水利工程建設(shè)發(fā)展。

2 數(shù)字孿生賦能水利工程建設(shè)管理的現(xiàn)實(shí)困境

隨著智慧水利工程的不斷推進(jìn)以及數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設(shè)管理中將發(fā)揮出更為重要的作用。然而,不可忽視的是,目前數(shù)字孿生技術(shù)賦能水利工程建設(shè)管理仍然面臨著諸多現(xiàn)實(shí)困境。

2.1 技術(shù)困境:數(shù)字孿生平臺建設(shè)中數(shù)據(jù)支撐能力不足

a.從數(shù)據(jù)采集上看,數(shù)字孿生系統(tǒng)中各個數(shù)字單位內(nèi)部數(shù)據(jù)互享渠道不足以滿足當(dāng)前技術(shù)需求。水利工程建設(shè)板塊繁多,板塊數(shù)據(jù)采集存在難度,部分板塊也難以進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)。在當(dāng)前生產(chǎn)力條件下,數(shù)字智慧水利需要借助電子傳感器、項目大數(shù)據(jù)、云端云計算等設(shè)備及技術(shù)的支持,除了硬件上的需求,目前為水利管理提供全天候監(jiān)測、風(fēng)險智能預(yù)警、智能大數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計分析的智慧應(yīng)用仍十分匱乏。伴隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的升級,部分的水利工程已初步建設(shè)起感知采集體系,可是仍有相當(dāng)一部分水利工程在數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面存在明顯不足,例如,當(dāng)前監(jiān)測、傳輸、控制方式陳舊,監(jiān)測種類不全,監(jiān)測分布難以平均,這些遠(yuǎn)達(dá)不到智慧水利升級的需求。另外,水利工程設(shè)計涵蓋地理縱覽、項目統(tǒng)籌管理等多種要素,設(shè)計的數(shù)據(jù)類型種類繁多,包括氣象、水文監(jiān)測、地形地貌、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等,其中水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取相比其他數(shù)據(jù)更為艱難。

b.從數(shù)據(jù)分析上看,僅靠大量積累數(shù)據(jù)并以此驅(qū)動的大數(shù)據(jù)分析模型無法滿足數(shù)字孿生的需求。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)實(shí)況反應(yīng)快、數(shù)據(jù)承載量大、數(shù)據(jù)源異構(gòu)性強(qiáng),當(dāng)下我國未對“數(shù)據(jù)+機(jī)理”的新型數(shù)據(jù)分析模型給予足夠的重視,缺少將物理模型與大數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行集聚統(tǒng)合的能力,數(shù)據(jù)集聚與分析能力的不足導(dǎo)致數(shù)字孿生輔助決策無法到達(dá)預(yù)期效果。

c.從數(shù)據(jù)格式上看,數(shù)字孿生系統(tǒng)的整體性的難度大。由于尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式,數(shù)據(jù)采集的度量或計量單位涵蓋物理、幾何、時間等多種參數(shù)類型,且數(shù)據(jù)格式在各個獨(dú)立采集周期中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)狀況不一致,這增大了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的整體性的難度。此外,水利相關(guān)的政府單位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存在數(shù)據(jù)信息繁雜且數(shù)據(jù)電子信息化程度低的現(xiàn)象,一般來說,水利工程管理業(yè)務(wù)的涵蓋面廣,工作過程長,工程數(shù)據(jù)種類多樣且復(fù)雜,尚有諸多如岸線規(guī)劃、供水工程等與水利業(yè)務(wù)管理有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚未錄入,在現(xiàn)實(shí)中,水利管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還存在存儲位置分散因而無法形成體系等問題。這一系列的問題最終產(chǎn)生了統(tǒng)計維度單一、分析深度淺薄、要素?zé)o法有效關(guān)聯(lián)等問題。

2.2 政策困境:數(shù)字孿生賦能水利工程建設(shè)缺乏規(guī)范政策

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對現(xiàn)有社會制度與社會結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大影響,需要政府盡快轉(zhuǎn)變自身角色,加強(qiáng)制度體系建設(shè),創(chuàng)新、構(gòu)建、完善適應(yīng)數(shù)字孿生發(fā)展的完整體制機(jī)制,以此充分發(fā)揮數(shù)字孿生為傳統(tǒng)水利工程發(fā)展創(chuàng)新賦能的巨大作用。

2021年11月,水利部印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》,明確表示將數(shù)字孿生作為智慧水利的核心。數(shù)字孿生技術(shù)不僅成為智慧水利工程不可或缺的組成部分,還為智慧水利工程增加了內(nèi)生動力。隨著中國式現(xiàn)代化的不斷推進(jìn),水利工程亟待變革,而數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用在水利工程建設(shè)管理方面具有較大潛力。

然而,當(dāng)前相關(guān)制度建設(shè)尚不健全,制約著數(shù)字孿生賦能水利工程的發(fā)展,政策支持有待加強(qiáng)。隨著數(shù)字孿生在水利工程建設(shè)中的滲透,政府出臺的有關(guān)水利工程的文件多次提到推動數(shù)字化和水利工程相互融合,加快數(shù)字化進(jìn)程。然而,我國數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設(shè)上目前仍處于探索階段,圍繞著數(shù)字孿生賦能水利工程建設(shè)發(fā)展的政策支持有待進(jìn)一步加強(qiáng),暫無針對性的法律法規(guī)和行業(yè)政策對數(shù)字孿生中的應(yīng)用形式進(jìn)行規(guī)范,致使數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用存在一定風(fēng)險。

2.3 安全困境:數(shù)字孿生存在多方面安全問題

當(dāng)水利工程的運(yùn)行高度依賴于數(shù)字技術(shù)時,各類數(shù)據(jù)的安全問題便日益凸顯。根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心數(shù)據(jù),截至2022年6月,在接受調(diào)查的網(wǎng)民中,有63.2%的網(wǎng)民表示過去半年在上網(wǎng)過程中未遭遇過網(wǎng)絡(luò)安全問題,而36.8%的網(wǎng)民表示過去半年在上網(wǎng)過程中遭遇過一類或多類安全問題,其中遭遇個人信息泄露事件的網(wǎng)民最多,占比為21.8%;其次是遭遇網(wǎng)絡(luò)詐騙事件的網(wǎng)民,占比為17.8%;遭遇設(shè)備中病毒或木馬的網(wǎng)民,占比為8.7%;遭遇賬號或密碼泄露的網(wǎng)民,占比為6.9%。[12]可見當(dāng)前我國數(shù)據(jù)安全面臨著較大挑戰(zhàn)。

從國內(nèi)數(shù)字安全整體環(huán)境來看,水利工程的安全性存在著極大威脅。由于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,當(dāng)前物理世界和信息世界交融聚合,一定程度上打破了傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域相對封閉、數(shù)據(jù)安全可信的狀況。數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng),掌握著水利工程建設(shè)管理運(yùn)行的全部核心數(shù)據(jù),一旦運(yùn)用時出現(xiàn)數(shù)據(jù)被泄露、數(shù)據(jù)端被不法分子惡意攻擊和竊取篡改等類似情況,極易造成管理層決策出現(xiàn)誤差,嚴(yán)重時可能摧毀整個項目的交付使用及后續(xù)管理。

從數(shù)字安全技術(shù)來看,水利工程的數(shù)字安全技術(shù)需要完善。當(dāng)前,我國水利工程的數(shù)字安全保衛(wèi)能力不足,主要體現(xiàn)為面對數(shù)據(jù)攻擊時的應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)不足,安全技術(shù)儲備欠缺,缺乏行業(yè)承認(rèn)的第三方專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對技術(shù)服務(wù)全過程進(jìn)行合規(guī)的審查評估或開具書面形式的審查報告。此外,我國目前對于有預(yù)先組織計劃的安全事件的全程監(jiān)測、實(shí)時檢測、風(fēng)險準(zhǔn)確預(yù)警、困境快速處置等技術(shù)尚處于襁褓階段,仍需要相當(dāng)長的一段時間來進(jìn)行技術(shù)發(fā)展,更新迭代。

2.4 資金困境:數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用需要投融資體制改革

相較于傳統(tǒng)水利工程建設(shè),數(shù)字孿生技術(shù)賦能的水利工程建設(shè)與管理具有新特征,亟須深化投融資體制改革。

數(shù)字孿生技術(shù)具有軟件與硬件兩種不同形態(tài),需要綜合運(yùn)用各類投融資工具,以致其投融資模式愈加復(fù)雜。數(shù)字孿生技術(shù)賦能的水利工程建設(shè)不僅包含硬件設(shè)施建設(shè),例如水利信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水利業(yè)務(wù)網(wǎng)形成等,還包括軟件設(shè)施的技術(shù)更新,如數(shù)字孿生平臺構(gòu)建、水利檢測數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)收集分析、水利業(yè)務(wù)模型的建立分析等。軟硬件協(xié)同發(fā)展,共同構(gòu)建了數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)具有較強(qiáng)的協(xié)同發(fā)展特性。從資金角度來看,物理屬性的不同將直接影響投資工具、投資主體、投資周期等,因此,針對數(shù)字孿生技術(shù)的投融資模式更為復(fù)雜。同時,數(shù)字孿生技術(shù)與水利工程建設(shè)的深度融合需要針對不同技術(shù)形態(tài),以適用于各類投融資工具。

此外,數(shù)字孿生技術(shù)在為水利工程建設(shè)的智能化、信息化、數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化賦能的過程中,還需其它基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展支撐,例如 5G信息通信傳輸技術(shù)、區(qū)塊鏈、人工智能創(chuàng)新等互聯(lián)網(wǎng)科技技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,技術(shù)發(fā)展持續(xù)創(chuàng)新,由此催生出的許多新的結(jié)構(gòu)形式,技術(shù)迭代不斷加快,發(fā)展過快極易導(dǎo)致發(fā)展方向的不穩(wěn)定性與發(fā)展內(nèi)容的不確定性。從市場投融資的立場來看,一項新的技術(shù)經(jīng)歷研發(fā)、測試、試用,這其中大量資金的投入是不可或缺的,以此來看,當(dāng)前以地方政府財政支持和傳統(tǒng)商業(yè)銀行貸款等為主要的投融資方式的現(xiàn)行模式不適合作為主要的資金來源,亟須更多投融資方式,例如以社會其它資本為主導(dǎo)的投融資方式,以應(yīng)對當(dāng)前市場的迅速變化。在2020年7月13日的國務(wù)院政策例行吹風(fēng)會上,時任國家發(fā)改委副秘書長蘇偉說道,深化投融資體制改革,吸引多項投融資主體進(jìn)入市場,對于當(dāng)前推進(jìn)重大水利工程的建設(shè)與管理具有不可或缺的重大意義[13]。

3 數(shù)字孿生賦能水利工程建設(shè)管理的技術(shù)路徑探索

本質(zhì)上看,數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理試題或過程的數(shù)字化表達(dá)[14],因此,應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)賦能水利工程建設(shè),構(gòu)建以數(shù)字孿生為核心的智慧水利建設(shè),能有效地彌補(bǔ)當(dāng)前發(fā)展短板。

數(shù)字孿生技術(shù)賦能水利工程建設(shè)管理主要體現(xiàn)在對物理實(shí)體的虛擬映射上,可以通過數(shù)字化手段構(gòu)建一個水利工程建設(shè)在數(shù)字世界中的“完整分身”,和水利工程保持實(shí)時的交互聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)對水利工程建設(shè)的了解、分析、預(yù)測、優(yōu)化控制決策等。

針對“十四五”規(guī)劃中提出的“構(gòu)建智慧水利體系”的要求,水利部圍繞數(shù)字孿生水利工程編制了《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》(以下簡稱《導(dǎo)則》),對大型和重要中型樞紐工程數(shù)字孿生水利工程建設(shè)提供了指導(dǎo)。基于上述現(xiàn)狀,結(jié)合水利工程建設(shè)管理設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)測、預(yù)警、調(diào)度、維護(hù)等多要素結(jié)合復(fù)雜的情況,可進(jìn)一步利用數(shù)字孿生技術(shù)賦能,推動水利工程建設(shè)管理更精準(zhǔn)、更高質(zhì)量發(fā)展。

基于水利工程原有的建設(shè)管理思路,結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù),通過集成先進(jìn)的感知、計算、通信和控制技術(shù),進(jìn)行系統(tǒng)性的數(shù)字孿生建模。參照《導(dǎo)則》,構(gòu)建數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生水利工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 水利工程數(shù)字化映射實(shí)現(xiàn)智能感知與信息監(jiān)測

水利工程建設(shè)管理過程涉及項目建設(shè)、管理調(diào)度、預(yù)測防控等要素,對水利工程管理提出了科學(xué)性、系統(tǒng)性、動態(tài)性等要求。而數(shù)字孿生技術(shù)具備對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時感知和互聯(lián)能力,能夠針對人、機(jī)、物、環(huán)境四大要素進(jìn)行全面的感知融合。在水利工程建設(shè)整體上,要充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化映射作用,實(shí)現(xiàn)智能感知與信息共享。

在共享已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用部署在水利工程全域的智能采集裝備,對河湖、水庫、水電站、水廠、管網(wǎng)、渠道、閘門、泵站等基礎(chǔ)信息及地理信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和標(biāo)準(zhǔn)化處理。再利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真工具進(jìn)行數(shù)字化建模,形成虛擬數(shù)字化對象,在信息維度上對實(shí)體對象精準(zhǔn)地進(jìn)行表達(dá)和映射,建設(shè)全要素、全對象、全流程的數(shù)字孿生模型,并定期調(diào)整優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)智能感知。

此外,可利用水利工程監(jiān)測設(shè)備及視頻監(jiān)控系統(tǒng),對水利工程實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。將安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、建設(shè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息通過虛擬仿真等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)字化映射,在虛擬仿真數(shù)字孿生模型上,對水利工程的建設(shè)狀態(tài)、安全狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,同時根據(jù)業(yè)務(wù)需要實(shí)時或定期更新數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)建設(shè)精度和數(shù)據(jù)更新頻率,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬環(huán)境和物理環(huán)境的真實(shí)對應(yīng),為管理者提供直觀、高效、精準(zhǔn)、便捷、完善的精細(xì)化信息監(jiān)測服務(wù)。

3.2 水利工程建設(shè)管理體系實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)、高效管理

在水利工程建設(shè)過程中,可以通過數(shù)字孿生技術(shù)協(xié)調(diào)管理水利工程的各項數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的綜合信息實(shí)時管理。

利用數(shù)字孿生技術(shù),通過模擬仿真引擎,輸入水利工程的真實(shí)情況、建設(shè)現(xiàn)狀等要素,將水利工程建設(shè)過程中的各項物理指標(biāo)在數(shù)字孿生模型中體現(xiàn),借助算法,對水利工程的規(guī)劃設(shè)計的各項數(shù)據(jù)模擬計算,生成可參考統(tǒng)計信息,進(jìn)而對水利工程建設(shè)進(jìn)行模擬分析,輔助水利工程各個決策部門統(tǒng)籌決策,從而降低試錯成本。

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù),建立數(shù)字孿生水利工程建設(shè)管理平臺,通過集約化平臺的建設(shè),提供多場景一體化的數(shù)字孿生展示,從統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)、監(jiān)管、評價4個方面對水利工程的設(shè)計、質(zhì)量、安全等進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、高效管理。具體來說,平臺對工程各種方案統(tǒng)籌、對比,有效推演分析出最佳建設(shè)方案,及時質(zhì)量跟蹤測評,提高質(zhì)量管理的高效性和透明度,對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行云計算,輔助預(yù)測安全隱患。通過平臺將政府部門、參建各方的信息進(jìn)行實(shí)時互聯(lián),能有效對各方信息實(shí)行深度挖掘和分析,發(fā)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和規(guī)律,最大程度地實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)調(diào)度和信息共享的高效性,極大提高資源利用率及管理效率。

3.3 水利工程運(yùn)維管理體系實(shí)現(xiàn)綜合管理、高效防控

數(shù)字孿生技術(shù)的核心是模型和數(shù)據(jù),重點(diǎn)是預(yù)測預(yù)警和智慧決策。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù),構(gòu)建工程知識庫、工程業(yè)務(wù)規(guī)則庫、預(yù)案調(diào)度方案庫、工程安全知識庫,形成綜合管理模塊,及時分析水利工程數(shù)據(jù)、突發(fā)情況,并及時做出預(yù)警及決策建議,能有效提升水利工程的科學(xué)化和智慧化水平。

a.構(gòu)建工程數(shù)據(jù)庫保障水利工程管理可預(yù)測可控。數(shù)字孿生賦能應(yīng)在大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)、云計算的支撐下,通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、模擬評估、優(yōu)化分析,運(yùn)用工程知識庫,形成水利工程運(yùn)維管理體系,為水利管理中各業(yè)務(wù)決策提供科學(xué)化和智慧化的應(yīng)用指導(dǎo)。

b.構(gòu)建工程業(yè)務(wù)規(guī)則庫保障水利工程正常運(yùn)行。根據(jù)水利工程數(shù)字孿生全景,對水利工程運(yùn)行工作情況,構(gòu)建包括工程調(diào)度運(yùn)用規(guī)程、工程安全檢測資料整編規(guī)程、工程安全應(yīng)急預(yù)案等的工程業(yè)務(wù)規(guī)則庫,改變現(xiàn)今重點(diǎn)部位監(jiān)測的情況,利用機(jī)器人、無人機(jī)等科技工具,實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時在線監(jiān)測管理,為綜合管理奠定基礎(chǔ)。

c.構(gòu)建預(yù)案調(diào)度方案庫與工程安全知識庫保障水利工程高效防控。構(gòu)建包括工程防汛預(yù)案、防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案等的預(yù)案調(diào)度方案庫,建立包括工程風(fēng)險隱患、隱患事故案例、工程安全鑒定、專項安全檢查等的工程安全知識庫。設(shè)置預(yù)警信息快速發(fā)布網(wǎng),保證各部門快速、整體地把握水利工程全部概況,定期對預(yù)案方案庫進(jìn)行更新修正,依照工程安全知識庫對工程安全定期維護(hù),為水利工程各部門快速高效完成日常工作、處置突發(fā)事件等決策提供輔助。

結(jié)合水利模型庫、算法庫,建立監(jiān)管、監(jiān)測為依托,現(xiàn)場指揮、多方聯(lián)動、高度集成的綜合管理模塊。

結(jié)合環(huán)境等邊界條件,自動分析水利工程管理過程全生命周期各階段的需求,實(shí)現(xiàn)水利工程管理的按需自動控制,實(shí)現(xiàn)工程利用最大化。通過數(shù)字孿生技術(shù)形成的虛擬化映射場景,借助已有可視化模型和模擬仿真引擎,定期調(diào)整優(yōu)化模型,增加渲染效果,提升模擬效率,對水利工程進(jìn)行災(zāi)害模擬和輔助決策,能夠有效實(shí)現(xiàn)水利工程應(yīng)急可視化指揮。

3.4 水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

2022年4月,中央財經(jīng)委員會第十一次會議指出,基礎(chǔ)設(shè)施在支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的中起到重要作用,水利工程建設(shè)是全面加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。大力推進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),能夠拉動有效投資、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。作為數(shù)字化時代的應(yīng)用新技術(shù),數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,能為水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展完成數(shù)字化、信息化、智能化、聯(lián)網(wǎng)化,發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合效應(yīng)、資源溢出效應(yīng)、聯(lián)合乘數(shù)效應(yīng)等,從而迸發(fā)出更穩(wěn)健、更強(qiáng)勁、更長久的新動能。

a.數(shù)字孿生技術(shù)推動水利工程基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化。數(shù)字化是將文字、圖像等物理現(xiàn)實(shí)信息,經(jīng)過數(shù)字編碼,存儲傳輸后進(jìn)行加工處理,再投入應(yīng)用的技術(shù)途徑,數(shù)字孿生技術(shù)提供的虛擬化映射場景、水利模型庫等,均是數(shù)字化的具體體現(xiàn),其為水利工程建設(shè)高效管理,幫助災(zāi)害模擬、預(yù)測與決策模擬。大力提升水利工程建設(shè)數(shù)字化有助于推動水利工程建設(shè)進(jìn)一步高質(zhì)量發(fā)展,切實(shí)提升水利工程建設(shè)質(zhì)量。

b.數(shù)字孿生技術(shù)推動水利工程基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)自然延伸和拓展的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)利用數(shù)字信息技術(shù),將物理實(shí)體與虛擬網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系,為人們提供所需物理實(shí)體的具體信息。數(shù)字孿生技術(shù)提供的水利工程建設(shè)綜合管理模塊、控制系統(tǒng)等,是網(wǎng)絡(luò)化的具體表現(xiàn)。水利基礎(chǔ)設(shè)施能通過溢出效應(yīng)帶動總體技術(shù)進(jìn)步,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。水利基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步推動了該種溢出效應(yīng)。

c.數(shù)字孿生技術(shù)推動水利工程基礎(chǔ)設(shè)施智能化。智能化反映信息產(chǎn)品的質(zhì)量屬性,實(shí)現(xiàn)智能化的主要途徑是發(fā)展人工智能。就目前來看,以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以數(shù)字算法與模型為技術(shù)手段,以強(qiáng)大的計算能力為支撐,是當(dāng)前水利工程建設(shè)與管理的發(fā)展趨勢。數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設(shè)管理中的具體表現(xiàn)為人工智能算法、水利數(shù)據(jù)計算中心等。推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展,應(yīng)注重推動現(xiàn)代化水利工程基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的升級改造。

4 結(jié)論與建議

數(shù)字孿生技術(shù)的賦能為水利工程建設(shè)管理提供了新的方向,其物理本體和虛擬數(shù)據(jù)之間的相互映射能夠有效提高管理人員對水利工程建設(shè)管理的了解、分析、預(yù)測、優(yōu)化以及輔助決策等工作的科學(xué)性、精確性,對提升水利工程管理的質(zhì)量及效率的提升也具有重要意義。數(shù)字孿生技術(shù)的賦能,在推動水利工程智慧化的過程中起到了關(guān)鍵性作用。數(shù)字化映射提高了水利工程建設(shè)的智能感知與信息共享的能力,數(shù)字孿生管理平臺提高了協(xié)調(diào)調(diào)度的高效性,結(jié)合水利模型庫形成的綜合管理模塊提升了水利工程的防控能力和科學(xué)化水平。隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)賦能水利工程建設(shè),將引領(lǐng)水利工程建設(shè)管理進(jìn)入新階段。

基于現(xiàn)今數(shù)字孿生水利工程建設(shè)現(xiàn)狀,提出以下建議:第一,要加大資金投入和技術(shù)運(yùn)用力度,充分利用先進(jìn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺,大力推進(jìn)水利工程建設(shè)從“智慧水利”到“數(shù)字孿生”的轉(zhuǎn)變。第二,要充分發(fā)揮數(shù)字孿生的賦能作用,進(jìn)一步推動水利工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展,堅持以加快數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)字水利工程為導(dǎo)向,立足實(shí)際,推動數(shù)字孿生水利工程建設(shè)在實(shí)踐中不斷優(yōu)化。第三,在未來數(shù)字孿生賦能水利工程建設(shè)的過程中,提高數(shù)據(jù)建設(shè)精度和數(shù)據(jù)更新頻率,對發(fā)生較大變化的重要部位的數(shù)據(jù)及時更新;定期調(diào)整優(yōu)化數(shù)字孿生智能分析模型,提高運(yùn)行效率;提高水利建設(shè)全過程高保真模擬,實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時監(jiān)測;對數(shù)字孿生水利工程中的數(shù)據(jù)安全開展風(fēng)險監(jiān)控,建設(shè)相關(guān)安全運(yùn)營中心,利用技術(shù)監(jiān)控數(shù)據(jù)全周期安全。