數(shù)字孿生技術(shù)在引調(diào)水工程管理中應(yīng)用

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摘要:分析引調(diào)水工程運(yùn)行管理業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，初步探索并形成了數(shù)字孿生技術(shù)在引調(diào)水工程運(yùn)行全景監(jiān)視、水量統(tǒng)一調(diào)度管理等方面應(yīng)用的理論體系，并對(duì)上述理論體系在某引調(diào)水工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用作了介紹。圖2幅。

關(guān)鍵詞:引調(diào)水工程;數(shù)字孿生技術(shù);運(yùn)行管理;應(yīng)用

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人機(jī)等硬件的成熟應(yīng)用，如何充分利用新技術(shù)，推進(jìn)引調(diào)水工程運(yùn)行管理的數(shù)字化、智能化水平，已經(jīng)成為當(dāng)前引調(diào)水工程信息化研究的熱點(diǎn)。數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、融合的一種有效方法，得到了廣泛的關(guān)注和重視。借助數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)數(shù)字孿生和引調(diào)水工程運(yùn)行管理進(jìn)行理論融合分析，構(gòu)建引調(diào)水工程運(yùn)行管理數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠增強(qiáng)引調(diào)水工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學(xué)決策能力和精準(zhǔn)執(zhí)行能力，大幅提高引調(diào)水工程的智能化運(yùn)行管理水平。

1引調(diào)水工程運(yùn)行管理現(xiàn)狀

引調(diào)水工程運(yùn)行管理涉及業(yè)務(wù)領(lǐng)域較多，工作內(nèi)容比較復(fù)雜，包括工程運(yùn)行監(jiān)視、工程巡檢、工程安全監(jiān)測(cè)、水量調(diào)度管理、設(shè)施設(shè)備運(yùn)維等，各項(xiàng)工作都有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和綜合性。“十三五”期間，重大引調(diào)水工程的建設(shè)全面提速，擴(kuò)大了水利信息化范圍，完善了相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，顯著提升了引調(diào)水工程信息化、智能化水平。但是和國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的總體要求及水利改革發(fā)展需求相比，當(dāng)前引調(diào)水工程運(yùn)行管理信息化、智能化水平仍存在一些差距和不足，主要表現(xiàn)在以下方面。一是由于環(huán)境、交通、網(wǎng)絡(luò)、資金等問題，引調(diào)水工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集設(shè)施不夠完善，一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集還需要依賴人工作業(yè)。二是引調(diào)水工程各業(yè)務(wù)相關(guān)部門存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)資源不對(duì)等現(xiàn)象，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)存在大量的信息孤島，無(wú)法充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析和優(yōu)化、輔助決策。

2數(shù)字孿生與引調(diào)水工程運(yùn)行管理融合理論分析

2.1數(shù)字孿生

數(shù)字孿生概念最早源于2003年密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫教授在產(chǎn)品生命周期管理課程上提出的“等同于物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達(dá)”思想［1_2］。在2012年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)正式給出了數(shù)字孿生的明確定義:數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、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，在虛擬信息空間完成對(duì)物理實(shí)體的映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程［3］。具體講就是將各種傳感器部署到物理實(shí)體上，通過感知物理世界的運(yùn)行狀態(tài)，在信息空間構(gòu)建和物理實(shí)體相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同的虛擬模型。這個(gè)模型能夠反應(yīng)這個(gè)物理實(shí)體的幾何參數(shù)、物理屬性、運(yùn)行規(guī)律等，模型具有評(píng)估、優(yōu)化、預(yù)測(cè)等功能，基于物理實(shí)體和虛擬模型能夠提供智能運(yùn)行、精準(zhǔn)管控和可靠運(yùn)維服務(wù)［4_5］。

2.2數(shù)字孿生與引調(diào)水工程運(yùn)行管理融合分析

針對(duì)引調(diào)水工程運(yùn)行監(jiān)視業(yè)務(wù)，利用數(shù)字孿生理論，基于GIS+BIM技術(shù)，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數(shù)據(jù)，在信息空間中對(duì)引調(diào)水工程物理實(shí)體進(jìn)行刻畫，構(gòu)建相應(yīng)的引調(diào)水工程虛擬模型，虛擬模型與物理實(shí)體在空間位置、幾何、物理、行為、規(guī)劃等方面有準(zhǔn)確的映射關(guān)系;并且虛擬模型和物理實(shí)體通過服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，從而實(shí)現(xiàn)引調(diào)水工程運(yùn)行管理過程的可視化全景監(jiān)視。針對(duì)引調(diào)水工程水量統(tǒng)一調(diào)度管理，通過建立二三維一體模擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度方案及實(shí)時(shí)調(diào)度過程相關(guān)要素的仿真模擬，有效提高水量調(diào)度決策的科學(xué)化、精細(xì)化水平。通過以上分析可知，數(shù)字孿生及時(shí)為物理實(shí)體和虛擬模型的交互融合搭建了橋梁，借助數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建引調(diào)水工程數(shù)字孿生系統(tǒng)，促成了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、交換和共享，能夠?qū)崿F(xiàn)引調(diào)水工程物理空間和信息空間的實(shí)時(shí)交互、迭代優(yōu)化，在全局范圍內(nèi)增強(qiáng)引調(diào)水工程信息全面感知能力、深度分析能力、科學(xué)決策能力和精準(zhǔn)執(zhí)行能力。

3數(shù)字孿生技術(shù)在引調(diào)水工程運(yùn)行管理中的應(yīng)用

3.1基于GIS+BIM構(gòu)建數(shù)字孿生底座

在某引調(diào)水工程中基于GIS+BIM技術(shù)，融合傾斜攝影模型、BIM模型、矢量、地形等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了引調(diào)水工程數(shù)字孿生底座，實(shí)現(xiàn)了直觀展示引調(diào)水工程全景及工程重要區(qū)域建筑物工程信息模型，同時(shí)為其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成提供虛擬模型支持(見圖1)。基于數(shù)字孿生底座和物聯(lián)網(wǎng)融合集成技術(shù)，集成了引調(diào)水工程概況信息、水雨情監(jiān)測(cè)信息、流量監(jiān)測(cè)信息、水質(zhì)檢測(cè)信息、各類報(bào)警信息、視頻監(jiān)控信息、工程運(yùn)行信息等。同時(shí)，深度整合大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，為引調(diào)水工程的數(shù)據(jù)可視化、仿真分析、交互、智能決策提供了平臺(tái)支撐。

3.2水調(diào)統(tǒng)一調(diào)度管理系統(tǒng)

南水北調(diào)東線一期工程山東段水量調(diào)度系統(tǒng)利用“數(shù)字孿生”技術(shù)建立了二三維一體模擬仿真平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)與現(xiàn)實(shí)引調(diào)水工程相對(duì)應(yīng)的數(shù)字模擬體。同時(shí)，結(jié)合工程特點(diǎn)，利用渠池蓄量平衡原理自主研發(fā)了“同步控制自適應(yīng)平衡”調(diào)度控制模型，實(shí)現(xiàn)水量調(diào)度方案及實(shí)時(shí)調(diào)度過程相關(guān)要素的仿真模擬，有效提高了水量調(diào)度決策的科學(xué)化、精細(xì)化水平(見圖2)。

4結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)當(dāng)前正處于飛速的發(fā)展過程中，越來越多的行業(yè)領(lǐng)域也正在利用數(shù)字孿生技術(shù)給行業(yè)發(fā)展提質(zhì)增效。引調(diào)水工程是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，本文針對(duì)當(dāng)前引調(diào)水工程運(yùn)行管理存在的問題，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行了兩者在運(yùn)行監(jiān)視、水量統(tǒng)一調(diào)度管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域融合的理論研究。研究成果在某引調(diào)水工程運(yùn)行管理中進(jìn)行了應(yīng)用，增強(qiáng)了引調(diào)水工程運(yùn)行管理的科學(xué)性和前瞻性，提高了引調(diào)水工程運(yùn)行管理的信息化、可視化與智能化水平。

作者:霍建偉 李永勝 張軍琿 陳見長(zhǎng) 郭冬冬 單位:云河(河南)信息科技有限公司