基于數(shù)字孿生的智慧水利系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：智慧水利的建設(shè)是推動(dòng)水利智能化的重要舉措，其意義在于實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的高效利用和智能化管理。該研究設(shè)計(jì)研發(fā)了一套基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水利系統(tǒng)，將物理實(shí)體與數(shù)字模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和精確映射，反映了真實(shí)世界中的水利工程的運(yùn)行狀態(tài)，為水利工程運(yùn)行提供實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)模擬和預(yù)測分析。通過數(shù)字孿生引擎技術(shù)將海量數(shù)據(jù)與各水利水電模型結(jié)合形成不同場景，結(jié)合統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)水利信息資源整合與應(yīng)用。目前該系統(tǒng)已在巴塘水電站得到應(yīng)用，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智慧水利；實(shí)時(shí)監(jiān)測；預(yù)測

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）02-0105-05

Design and Application of Intelligent Water Conservancy System Based on Digital Twin

CHENG Dandan， NIU Yuelei， LIU Chuang

（Guodian Nanjing Automation Co.， Ltd.， Nanjing 210061， China）

Abstract： The construction of intelligent water conservancy is an important measure to promote the intelligence of water conservancy， and its significance lies in realizing the efficient utilization and intelligent management of water resources. This study designs and develops a set of intelligent water conservancy system based on Digital Twin technology， which combines physical entities with digital models to realize real-time interaction and accurate mapping， reflects the operation status of water conservancy projects in the real world， and provides real-time monitoring， data simulation and prediction analysis for water conservancy project operation. Through the Digital Twin engine technology， the massive data is combined with various water conservancy and hydropower models to form different scenarios， and the integration and application of water conservancy information resources are realized by combining with unified data services. Currently， the system has been applied in Batang hydropower station and has achieved good results.

Keywords： Digital Twin; intelligent water conservancy; real-time monitoring; prediction

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.019

0 引 言

隨著全球人口的持續(xù)增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求不斷上升，傳統(tǒng)水利管理方式面臨著水資源浪費(fèi)、洪旱預(yù)警不及時(shí)等問題，而智慧水利建設(shè)的出現(xiàn)為解決這些問題帶來了新的機(jī)遇。另外隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的不斷發(fā)展，使得智慧水利系統(tǒng)環(huán)境不斷完備。數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利建設(shè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其實(shí)現(xiàn)了水利運(yùn)行全過程的數(shù)字化、虛擬化、智能化，為決策者提供更加全面、準(zhǔn)確的信息，使得水利系統(tǒng)管理更加科學(xué)高效。本文通過分析基于數(shù)字孿生的智慧水利系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐，加快水利治理能力的智慧化建設(shè)，助力水利高質(zhì)量發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

按照水利部智慧水利頂層設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)文件要求，基于數(shù)字孿生的智慧水利系統(tǒng)主要由以下4層構(gòu)成，功能框架圖如圖1所示。

具體介紹如下：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：由傳感器、無人機(jī)傾斜攝影、北斗三代技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場基礎(chǔ)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳遞[1]。

2）數(shù)據(jù)層：該層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)底板的搭建，完成數(shù)據(jù)資源的匯總、治理、篩選、挖掘等工作，為上層提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)底板作為數(shù)字孿生應(yīng)用的基底，匯集與整合水利系統(tǒng)內(nèi)外部的數(shù)據(jù)資源，是數(shù)據(jù)銜接與傳輸?shù)摹爸袠小?，也是支撐防洪調(diào)度相關(guān)模型、知識(shí)平臺(tái)和業(yè)務(wù)體系的數(shù)據(jù)基底[2]。

3）業(yè)務(wù)層：包括模型平臺(tái)、三維平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)三部分，其中模型平臺(tái)負(fù)責(zé)管理水利專業(yè)數(shù)學(xué)模型、可視化模型以及智能識(shí)別模型；知識(shí)平臺(tái)匯集水利相關(guān)業(yè)務(wù)知識(shí)、歷史數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)，以及模型平臺(tái)的分析計(jì)算結(jié)果，經(jīng)水利知識(shí)引擎進(jìn)行處理，通過知識(shí)表示、知識(shí)抽取、知識(shí)推理、知識(shí)存儲(chǔ)等方式形成知識(shí)圖譜，以實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)的相關(guān)應(yīng)用；三維平臺(tái)融合模型平臺(tái)的不同模型，借助圖像渲染引擎，對(duì)模型進(jìn)行場景化、交互化、動(dòng)態(tài)化處理，最終實(shí)現(xiàn)場景漫游、仿真模擬等可視化交互操作[3]。

4）應(yīng)用層：包括相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，以傳統(tǒng)應(yīng)用如降水量、流量、水位等數(shù)據(jù)監(jiān)測為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)建模等技術(shù)手段提升對(duì)數(shù)據(jù)整體的應(yīng)用和處理能力，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，其中的災(zāi)害預(yù)演場景模擬可通過模擬演練終端或指揮調(diào)度終端進(jìn)行展示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于智慧水利系統(tǒng)一般部署在安全Ⅲ區(qū)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。另外，為了確保系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵設(shè)備及核心應(yīng)用服務(wù)器等方面采用冗余化配置，并通過相關(guān)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障點(diǎn)的自診斷、自隔離及自恢復(fù)。

具體介紹如下：

1）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器：部署基礎(chǔ)平臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)庫，用于系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器：部署基礎(chǔ)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、配置數(shù)據(jù)庫，用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換、處理及存儲(chǔ)。

3）模型驅(qū)動(dòng)工作站：用于部署系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用模塊。

4）圖形驅(qū)動(dòng)工作站：部署數(shù)字孿生平臺(tái)可視化程序。

5）Web服務(wù)器：用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)外發(fā)布。

6）操作員工作站：部署系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警類應(yīng)用、運(yùn)行管理類應(yīng)用。

7）工程師工作站：部署系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警類應(yīng)用、運(yùn)行管理類應(yīng)用，還可用于進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)，也可根據(jù)需要集中部署于操作員工作站上。

2.2 數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)資源主要包括由傳統(tǒng)水利監(jiān)測站采集的水位、流量、雨情等數(shù)據(jù)，由新型水利監(jiān)測站網(wǎng)采集的衛(wèi)星遙感、無人機(jī)影像、無人船水下地形等數(shù)據(jù)，由水利對(duì)象如水利工程、監(jiān)測點(diǎn)、信息化對(duì)象等提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集成主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)應(yīng)用[4]。建設(shè)海量數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)機(jī)制及標(biāo)準(zhǔn)化格式，根據(jù)水利專業(yè)不同模型的要求，以及《水資源管理信息對(duì)象代碼編制規(guī)范》（GB/T 33113—2016）和《水利數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符編制總則》（SL/T 478—2021）等系列標(biāo)準(zhǔn)，制定了數(shù)據(jù)輸入、輸出和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建了包含不同階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。對(duì)經(jīng)過處理且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，按照流域防汛、水資源管理與調(diào)配、水利工程建設(shè)和運(yùn)行管理等流域綜合治理業(yè)務(wù)需求形成各個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集，通過標(biāo)準(zhǔn)的http協(xié)議rest接口獲取所需的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和共享交換服務(wù)。

2.3 模型管理

模型構(gòu)建環(huán)節(jié)需要從地方政府、氣象部門、水利部門等收集和整理相關(guān)的地理信息、氣候信息、用水信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后采用無人機(jī)設(shè)備航拍建模、人工實(shí)地測繪以及三維仿真等技術(shù)手段構(gòu)建數(shù)字化模型，綜合加載基礎(chǔ)影像、矢量地圖、DEM、傾斜攝影等地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建多源多維度數(shù)據(jù)模型和對(duì)象關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，基于UE5虛幻引擎實(shí)現(xiàn)更為逼真的圖像渲染效果，再通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等方式實(shí)現(xiàn)交互[5]。常用的構(gòu)建物理實(shí)體數(shù)字模型的算法包括：有限元分析、流體動(dòng)力學(xué)模擬等。

模型作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四預(yù)功能最核心的組件，也是數(shù)字孿生應(yīng)用的“心臟”。全面精準(zhǔn)的信息化模型是推演成敗的關(guān)鍵因素。在線調(diào)試模型參數(shù)包括優(yōu)化模型參數(shù)，通過衡量模型預(yù)測值與實(shí)際值間的差異，評(píng)估模型參數(shù)的穩(wěn)定性和計(jì)算成本，設(shè)模型參數(shù)為p={p1，p2，…，pn}，目標(biāo)函數(shù)表示為：

其中，為模型預(yù)測函數(shù)，y（x）為實(shí)際數(shù)據(jù)函數(shù)，Ω為預(yù)設(shè)域，在域內(nèi)對(duì)預(yù)測誤差進(jìn)行積分，α為正則化參數(shù)，用于控制模型參數(shù)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的權(quán)重，β為指數(shù)，0＜β＜1，用于調(diào)整穩(wěn)定性與誤差間的平衡，δ為指數(shù)，δ＞1，用于放大模型復(fù)雜性的影響，γ為指數(shù)，γ＞1，用于放大預(yù)測誤差的影響，?pi/?t為模型參數(shù)pi隨時(shí)間的變化率，用于評(píng)估參數(shù)的穩(wěn)定性，λj為模型特征值的絕對(duì)值，用于評(píng)估模型的復(fù)雜性和計(jì)算成本，m為模型特征值的數(shù)量，求解最優(yōu)化問題，F(xiàn)（p）值越接近0，表示模型的預(yù)測越接近實(shí)際數(shù)據(jù)，參數(shù)穩(wěn)定，且計(jì)算成本低，F(xiàn)（p）值越大，表示模型的預(yù)測誤差越大，參數(shù)不穩(wěn)定，或計(jì)算成本增加。

模型構(gòu)建后，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過與實(shí)際物理實(shí)體進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測精度和仿真能力，從而對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)[6]。預(yù)報(bào)功能則是利用歷史數(shù)據(jù)和算法，對(duì)未來的水利情況進(jìn)行預(yù)測。系統(tǒng)可以通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，利用算法和模型預(yù)測未來的水位、流量、降雨量等數(shù)據(jù)，從而為決策者提供科學(xué)依據(jù)。例如，在防洪抗旱的決策中，系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和算法預(yù)測未來的洪水或干旱情況，幫助決策者制定科學(xué)、合理的防洪抗旱措施。

2.4 場景模擬

場景模擬功能是由水體模擬、環(huán)境模擬和實(shí)體對(duì)象模擬這三個(gè)模塊組成。水體模擬主要實(shí)現(xiàn)水體漫延、水位升降和洪水演進(jìn)等的模擬任務(wù)；環(huán)境模擬主要實(shí)現(xiàn)氣象和事故現(xiàn)象等的模擬任務(wù)；實(shí)體對(duì)象模擬主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行工況、人物角色和其他場景的對(duì)象等的模擬任務(wù)。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)先對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)為水雨情數(shù)據(jù)時(shí)，則進(jìn)行水體模擬；當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)為氣象數(shù)據(jù)，則進(jìn)行氣象模擬；當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)為設(shè)備信號(hào)的數(shù)據(jù)時(shí)，則進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行工況模擬；當(dāng)所獲取的數(shù)據(jù)為鼠標(biāo)鍵盤信號(hào)時(shí)，則進(jìn)行控制角色模擬。采用UE5虛幻引擎實(shí)現(xiàn)更為逼真的圖像渲染效果，通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等方式實(shí)現(xiàn)交互操作。系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)源連接配置，并通過數(shù)據(jù)底板的服務(wù)接口，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)的水利設(shè)施設(shè)備等數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了流域全要素信息加載和展示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該智慧水利系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)匯聚權(quán)威氣象預(yù)報(bào)結(jié)果，并結(jié)合水文實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，形成水旱災(zāi)害防御監(jiān)控與水資源管理調(diào)配等能力。該系統(tǒng)集成到巴塘水電站一體化智能管控平臺(tái)的應(yīng)用，取得了一系列的應(yīng)用效果。

3.1 工程概況

巴塘水電站是位于川藏交界的金沙江上游河段，是金沙江上游河段規(guī)劃的十三級(jí)梯級(jí)電站的第九級(jí)電站，電站以發(fā)電為主，裝機(jī)容量750 MW（3×250 MW），水庫正常蓄水位為2 545 m、水庫總庫容1.55億m3。該電站位于高寒高海拔地區(qū)，雨季分明，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境保護(hù)和水土保持工作面臨許多困難，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義?；跀?shù)字孿生的智慧水利系統(tǒng)集成了電站關(guān)鍵地理位置、氣象水文、水利設(shè)施等數(shù)據(jù)，通過有效管理和分析歷史及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害防御監(jiān)控與水資源管理調(diào)配的目的。

3.2 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)已投入運(yùn)行，通過應(yīng)用智能生產(chǎn)、水情調(diào)度、智能監(jiān)視、智能魚道等功能，可以及時(shí)、穩(wěn)定的集成接入的數(shù)據(jù)。不同類型的水利數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一處理進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，解決了原有水利系統(tǒng)信息孤島問題。通過智能監(jiān)視開展日常巡檢、安全監(jiān)督工作，大大減少了人員工作量，提高了工作效率。首頁如圖4所示。

系統(tǒng)運(yùn)行期間，性能穩(wěn)定，各功能操作簡單使用正常，主要體現(xiàn)了以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）應(yīng)用輕量化：系統(tǒng)基于數(shù)字孿生技術(shù)，通過將現(xiàn)實(shí)中的水利系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水利工程運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測，為管理者提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。此外，通過在數(shù)字孿生平臺(tái)中模擬不同方案的運(yùn)行效果，并能快速選擇最優(yōu)的方案實(shí)施，也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和響應(yīng)能力。輕量化應(yīng)用讓智慧水利系統(tǒng)能夠更加高效地進(jìn)行資源調(diào)配和風(fēng)險(xiǎn)管理，也提高了水資源的安全運(yùn)行和利用率[7]。

2）管理數(shù)字化：本系統(tǒng)的生產(chǎn)管理模塊，通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，有效構(gòu)建了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，確保各類運(yùn)維管理數(shù)據(jù)能夠得到實(shí)時(shí)采集和傳輸，進(jìn)而對(duì)于智慧水利工程的整體運(yùn)行情況進(jìn)行充分的分析和有效把握，從而在更大程度上提升整體工程的實(shí)施監(jiān)控和把握能力，從而促進(jìn)工程運(yùn)維管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

3）場景可視化：水情調(diào)度模塊，能夠協(xié)助相關(guān)決策部門更科學(xué)、精準(zhǔn)的進(jìn)行防洪、減災(zāi)、洪水調(diào)度等水安全處理，在災(zāi)害來臨之前主動(dòng)防患于未然，減少災(zāi)害對(duì)城市經(jīng)濟(jì)、居民生命財(cái)產(chǎn)的影響，促進(jìn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展[8]。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建了在不同水位下區(qū)域淹沒情況和水庫蓄水量情況的可視化展示體系，使運(yùn)維管理人員和施工人員體會(huì)到逼真的業(yè)務(wù)場景，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和管理的科學(xué)化[9]。

4）決策科學(xué)化：該智慧水利系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測水庫水位、河流流量、水文氣象降雨量等數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，可以從大規(guī)模數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的關(guān)聯(lián)關(guān)系及規(guī)律，從而預(yù)測水旱災(zāi)害發(fā)生的可能性。在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，協(xié)助防洪中心進(jìn)行緊急排澇和搶險(xiǎn)救災(zāi)工作，提前為管理者提供決策分析的支持，使決策更加準(zhǔn)確和客觀[10]。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明，基于數(shù)字孿生的智慧水利系統(tǒng)不僅帶來了許多優(yōu)勢，提供了全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，還為智慧水利系統(tǒng)的優(yōu)化決策、資源調(diào)度和水旱災(zāi)害響應(yīng)提供了理論依據(jù)。面臨當(dāng)前全球水資源日益緊張的局面，發(fā)揮水利在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境中的作用和效益，促進(jìn)水利可持續(xù)發(fā)展，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的不斷成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，本系統(tǒng)在智慧水利領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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作者簡介：程丹丹（1987—），女，漢族，江蘇徐州人，工程師，本科，研究方向：水利信息化系統(tǒng)研發(fā)、水電站仿真軟件等；鈕月磊（1985—），男，漢族，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：系統(tǒng)集成、水利信息化系統(tǒng)研發(fā)；劉創(chuàng)（1991—），男，漢族，江蘇鹽城人，工程師，本科，研究方向：數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、算法開發(fā)。

收稿日期：2024-07-05