數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運(yùn)行維護(hù)管理中的應(yīng)用

摘要：為提高山東省濟(jì)南市臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)聯(lián)通工程運(yùn)維管理水平與管理效率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警與綜合性維護(hù)，通過(guò)采用高精度建模、圖模一體和MR混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，建成了集人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的智慧水務(wù)AIOT數(shù)字化平臺(tái)。平臺(tái)包含“市-域-站-機(jī)”四級(jí)數(shù)字孿生場(chǎng)景，模擬了泵機(jī)周邊水流和設(shè)備運(yùn)行情況，并包含竣工圖模一體聯(lián)動(dòng)交付、線上線下協(xié)同AR巡檢、MR元空間泵機(jī)安拆培訓(xùn)等特色應(yīng)用，支撐工程竣工及運(yùn)維快捷管理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理數(shù)據(jù)精益賦能、運(yùn)維管理在線協(xié)同。實(shí)際應(yīng)用表明：平臺(tái)可提高約60%物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)接速度，減少約90%人工統(tǒng)計(jì)工作量，整體效率提升20%。

關(guān)鍵詞：工程運(yùn)維管理； 人工智能； 物聯(lián)網(wǎng)； 大數(shù)據(jù)； 數(shù)字孿生

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU992.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.028

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S2-0104-04

0引言

傳統(tǒng)的人工管理模式不能滿足日益增長(zhǎng)的水務(wù)需求及其復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。智慧水務(wù)系統(tǒng)提供了一種高效、精確、可持續(xù)的管理方式，通過(guò)數(shù)字孿生、BIM、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，提高了水資源的利用效率，并降低了運(yùn)營(yíng)成本。系統(tǒng)可做到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)可控，實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)系統(tǒng)的自動(dòng)化決策和優(yōu)化，并為水質(zhì)監(jiān)測(cè)、供水保障等提供更好的服務(wù)，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，目前在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、供水調(diào)度等方面，智慧水務(wù)系統(tǒng)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，安全性和隱私保護(hù)問(wèn)題有待解決，存在水務(wù)系統(tǒng)無(wú)法與水務(wù)管理部門(mén)、企業(yè)以及用戶進(jìn)行良好協(xié)同互動(dòng)，系統(tǒng)與外部環(huán)境集成和優(yōu)化效率差等問(wèn)題。

在水利工程管理與信息化手段結(jié)合方面，陳利、李海霞［1-2］在水務(wù)領(lǐng)域信息化、智能化與大數(shù)據(jù)分析結(jié)合方面提出了一些方向性意見(jiàn)，可在一定程度上指導(dǎo)后續(xù)水務(wù)系統(tǒng)信息化轉(zhuǎn)型工作的開(kāi)展。張惠莉［3］在水務(wù)系統(tǒng)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)探究上給出了方向，建立了安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)指標(biāo)。王權(quán)森、徐智勇等［4-5］針對(duì)數(shù)字孿生與水務(wù)系統(tǒng)結(jié)合方面，指出了實(shí)現(xiàn)思路以及面臨的挑戰(zhàn)，但對(duì)信息化技術(shù)與水務(wù)系統(tǒng)綜合應(yīng)用的研究深度不足。

本文以山東省濟(jì)南市臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)連通調(diào)水工程為例，研究智慧水務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)政策法規(guī)，探討其在提升水資源利用效率、改善水環(huán)境質(zhì)量和保障供水安全方面的重要作用。

1工程概況

臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)連通調(diào)水工程位于山東省濟(jì)南市歷城區(qū)，工程起點(diǎn)在臥虎山水庫(kù)北岸，終點(diǎn)為錦繡川水庫(kù)西岸，管道沿水庫(kù)環(huán)路北側(cè)、河道及灘地內(nèi)鋪設(shè)，全長(zhǎng)16.36 km。臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)連通調(diào)水工程的實(shí)施，將有效改善濟(jì)南南部地區(qū)供水狀況，提升城市的水資源利用效率［6］。

目前，對(duì)臥虎山水庫(kù)自動(dòng)化管理模式已有一定的研究，大多側(cè)重于研究水庫(kù)環(huán)境、水文狀況或利用普通軟件系統(tǒng)改善管理模式［7-11］，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用該工程運(yùn)維管理的研究較少。本文重點(diǎn)研究通過(guò)信息化手段提高臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)聯(lián)通工程運(yùn)維管理水平與管理效率。

2平臺(tái)體系架構(gòu)

智慧水務(wù)AIOT數(shù)字孿生平臺(tái)通過(guò)采用高精度建模、圖模一體和MR混合現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)建立“市-域-站-機(jī)”四級(jí)數(shù)字孿生場(chǎng)景，真實(shí)呈現(xiàn)了項(xiàng)目地形面貌，并模擬了泵機(jī)周邊水流和風(fēng)流運(yùn)行情況，構(gòu)架見(jiàn)圖1。平臺(tái)具備調(diào)取監(jiān)控、泵組、風(fēng)機(jī)、液位等多種功能模塊數(shù)據(jù)的能力，可根據(jù)不同層級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)時(shí)調(diào)取信息，并能夠及時(shí)有效報(bào)警，以防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。此外，系統(tǒng)還能夠進(jìn)行故障定位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)維修，采用了多頁(yè)面可視化數(shù)據(jù)駕駛艙，以更好地展示數(shù)據(jù)狀態(tài)和重點(diǎn)告警信息，提供直觀的展示效果，大大提高了檢修的便捷性。系統(tǒng)將建立綜合性、全面性運(yùn)維體系，提升“兩庫(kù)三站一連通”的智慧化可視度和運(yùn)行管理水平［12］。

在APP端，移動(dòng)端數(shù)字孿生運(yùn)管平臺(tái)用于輔助運(yùn)管人員的日常維護(hù)和檢修工作，建設(shè)集成了竣工圖模一體聯(lián)動(dòng)交付、線上線下協(xié)同AR巡檢、MR元空間泵機(jī)安拆培訓(xùn)等特色應(yīng)用，能與PC端主運(yùn)管平臺(tái)交互聯(lián)動(dòng)，快速查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息與預(yù)警通知；支撐工程竣工及快捷運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)管數(shù)據(jù)精益賦能、運(yùn)維管理在線協(xié)同。

智慧水務(wù)AIOT數(shù)字化平臺(tái)是一個(gè)集成人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的智能化平臺(tái)，本著實(shí)用性、整體性、可靠性、可擴(kuò)展性、開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)化等設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)系統(tǒng)的全面監(jiān)控和管理，提升了工程運(yùn)行效率，并為決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐［13］。

3平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生、BIM+AR、BIM+AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合應(yīng)用與智慧水務(wù)一體化綜合管理仿真場(chǎng)景的構(gòu)建，有助于健全水務(wù)系統(tǒng)管理機(jī)制，提升一體化管理水平。該平臺(tái)將數(shù)字孿生技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、AI算法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了高精度數(shù)字孿生智慧水務(wù)平臺(tái)。將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與高精度數(shù)字孿生模型相結(jié)合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，并在模型中展現(xiàn)，打造水務(wù)智慧“大腦”，提高現(xiàn)場(chǎng)管理效率。

平臺(tái)將BIM+AR建筑信息融合應(yīng)用，在重點(diǎn)設(shè)施、管線明顯處張貼AR二維碼，如泵機(jī)、閥門(mén)等重點(diǎn)設(shè)施，管理人員可快捷獲取設(shè)備AR三維模型，并通過(guò)AI交互獲取設(shè)備，構(gòu)件的名稱(chēng)、尺寸、標(biāo)高等運(yùn)檢重點(diǎn)信息。平臺(tái)基于BIM+AI識(shí)別多源信息交互應(yīng)用，研發(fā)了基于移動(dòng)端的電子圖紙與BIM信息模型AI自動(dòng)匹配功能，基于Unity 3D引擎平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電子圖紙區(qū)域與模型匹配吻合，基于C#語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)或Pad端查看電子圖紙，觸控任一區(qū)域即可激活BIM信息模型，得到虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

4平臺(tái)功能分析

4.1LOD400級(jí)數(shù)字孿生BIM高精度模型

平臺(tái)采用LOD400及以上鋼筋級(jí)BIM高精度建模，搭配GIS，構(gòu)建高精度的BIM數(shù)字孿生模型，依據(jù)圖紙并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)“模型+實(shí)景”的全面展示。

4.2“市-域-站-機(jī)”四級(jí)數(shù)字孿生架構(gòu)

以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化運(yùn)營(yíng)、精準(zhǔn)化決策為主線，構(gòu)建“市-域-站-機(jī)”4層平臺(tái)，打造多系統(tǒng)運(yùn)維“一張圖”管理體系，實(shí)現(xiàn)事前預(yù)防、事中預(yù)警、事后分析的可視化線性水務(wù)工程指揮調(diào)度平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

4.3數(shù)字孿生警情閉環(huán)處置

通過(guò)對(duì)泵站內(nèi)部、外部及輸水管線區(qū)域的智能化設(shè)備進(jìn)行孿生檢測(cè)，采用高精度數(shù)字孿生仿真出警情效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、管線狀態(tài)、液位報(bào)警、漏水等生產(chǎn)項(xiàng)的高效監(jiān)測(cè)及處置（圖3）。

4.4AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化巡檢

應(yīng)用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及AR二維碼識(shí)別技術(shù)，在泵站內(nèi)部的重點(diǎn)設(shè)施明顯處張貼AR二維碼，通過(guò)移動(dòng)端設(shè)備掃描二維碼，可快捷獲取設(shè)備AR三維模型，并得到設(shè)備、構(gòu)件的名稱(chēng)、尺寸、標(biāo)高等運(yùn)檢重點(diǎn)信息（圖4）。

4.5圖模一體化竣工圖紙模型聯(lián)動(dòng)交付

應(yīng)用圖模一體化技術(shù)，在查看竣工圖紙的同時(shí)，觸控任一區(qū)域，即可在電子圖紙上呈現(xiàn)出3D建筑設(shè)計(jì)，并可對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，控制圖紙顯隱，點(diǎn)擊“管線”可顯示出對(duì)應(yīng)的載體信息（圖5）。

4.6MR數(shù)字孿生培訓(xùn)

應(yīng)用MR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備等高精度數(shù)字孿生模型進(jìn)行構(gòu)件細(xì)化與動(dòng)態(tài)分解，支持點(diǎn)擊構(gòu)件即顯示其名稱(chēng)、尺寸、標(biāo)高等重要信息，以第一人稱(chēng)視角進(jìn)行虛擬空間下的模擬培訓(xùn)（圖6）。

4.7智慧一張圖

聯(lián)動(dòng)泵站內(nèi)、外及沿線的智能化預(yù)警設(shè)備，對(duì)機(jī)組狀態(tài)、水庫(kù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與閉環(huán)管理，打造多系統(tǒng)運(yùn)維“一張圖”管理體系，實(shí)現(xiàn)事前預(yù)防、事中預(yù)警、事后分析。

4.8多端協(xié)同

運(yùn)用數(shù)字孿生、BIM+AI、大數(shù)據(jù)、5G及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以數(shù)字場(chǎng)景、智慧運(yùn)維、精準(zhǔn)決策為主線，構(gòu)建分級(jí)管理權(quán)限客戶端，形成駕駛艙級(jí)監(jiān)管，建立“后臺(tái)+前端+移動(dòng)端”三位一體的多端協(xié)同綜合處置平臺(tái)。

5應(yīng)用成果

平臺(tái)將數(shù)字孿生技術(shù)與水務(wù)運(yùn)維進(jìn)行有效結(jié)合，打造山東省首個(gè)基于LOD400級(jí)數(shù)字孿生智慧水務(wù)平臺(tái)，做到風(fēng)險(xiǎn)早識(shí)別、早預(yù)警，大大提高了泵站運(yùn)維的穩(wěn)定性與可靠性。通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、AI算法等技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了泵站級(jí)的數(shù)字孿生精細(xì)化管理，為全水域的數(shù)字孿生管理平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

平臺(tái)運(yùn)用智慧物聯(lián)技術(shù)，提高約60%的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)接速度，統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)通信組件，提升物聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性；打造全數(shù)字化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)便捷管理、分級(jí)授權(quán)和加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控，減少約90%人工統(tǒng)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的管理、協(xié)同、預(yù)警等，使整體效率提升20%。

6結(jié)語(yǔ)

本文以臥虎山水庫(kù)至錦繡川水庫(kù)連通調(diào)水工程智慧水務(wù)AIOT數(shù)字化平臺(tái)為案例，介紹了數(shù)字孿生、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在水務(wù)運(yùn)維管理中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)當(dāng)前智慧水務(wù)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析。對(duì)數(shù)字孿生、AR巡檢、MR培訓(xùn)等先進(jìn)技術(shù)在水務(wù)運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了有效探索，可為未來(lái)智慧水務(wù)發(fā)展提供參考。

對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于水利工程運(yùn)維管理，可通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)優(yōu)化，提高建模精度和預(yù)測(cè)能力。利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、無(wú)線通信和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)健康度和環(huán)境數(shù)據(jù)等，提供智能化的故障診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化調(diào)度建議，實(shí)現(xiàn)水務(wù)運(yùn)維管理的安全高效運(yùn)行。

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（編輯：李慧）