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)水利工程運(yùn)行管理的數(shù)字化、智能化水平，已經(jīng)成為當(dāng)前水利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)字孿生和水利工程運(yùn)行管理進(jìn)行理論融合分析，構(gòu)建水利工程運(yùn)行管理數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠增強(qiáng)水利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，大幅提高水利工程的智能化運(yùn)行管理水平。
在工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)并不是一種全新的技術(shù)，它是系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用的重要形式，是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了便捷采集和可靠傳輸能力、大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析能力、云計(jì)算技術(shù)提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力、人工智能技術(shù)提供了強(qiáng)大的推理分析能力的技術(shù)背景下，系統(tǒng)建模與仿真應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的新階段。
數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)字化的手段構(gòu)建了一個(gè)與物理世界同樣的虛擬體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、控制決策。對(duì)于運(yùn)維階段的水利工程數(shù)字孿生技術(shù)來講，信息化系統(tǒng)提供了工程的運(yùn)行狀態(tài)信息，例如閘閥開關(guān)狀態(tài)、氣象水情信息、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變信息、水質(zhì)信息等，這些信息在一定程度上，反映了真實(shí)世界中的水利工程的運(yùn)行狀態(tài)。
而基于工程建設(shè)階段的設(shè)計(jì)資料，例如水工建筑物設(shè)計(jì)圖、閘泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，利用經(jīng)典的水文、水利、水質(zhì)分析理論，并借助地理信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）等技術(shù)，則可在計(jì)算機(jī)中搭建物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的虛擬體?；谔摂M體，可對(duì)物理實(shí)體的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，并驗(yàn)證、優(yōu)選調(diào)度運(yùn)行決策。
水利工程運(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?！笆濉逼陂g，重大水利工程的建設(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，顯著提升了水利工程信息化、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)前水利工程運(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，水利工程基礎(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)。二是水利工程各業(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。
3、水利工程數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用
3.1完善流域江河湖泊和水工程監(jiān)控體系
一是完善江河湖泊感知體系建設(shè)。水文水資源信息是實(shí)現(xiàn)流域數(shù)字映射的基礎(chǔ)信息，涉及水量、水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降雨量等信息。應(yīng)優(yōu)化行政區(qū)界斷面、取退水口、地下水、生態(tài)用水(含地下水)等監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，實(shí)現(xiàn)全要素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，提升信息捕捉和感知能力;要通過高分辨率航天、航空遙感技術(shù)和地面水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)建立流域洪水“空天地”一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高流域洪水監(jiān)測(cè)體系的覆蓋度、密度和精度;要優(yōu)化山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布局，將雷達(dá)納入雨量常規(guī)監(jiān)測(cè)范疇;要確保該監(jiān)測(cè)的斷面均納入監(jiān)測(cè)范圍，需要視頻監(jiān)測(cè)的部位部署視頻監(jiān)測(cè)設(shè)施;要提高采集信息源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，摸清水資源取、供、輸、用、排等各環(huán)節(jié)的底數(shù)。
二是完善水利工程設(shè)施感知體系建設(shè)。水利工程信息是流域數(shù)字映射的重要內(nèi)容，涉及水庫(kù)(含水電站)、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等各類水利工程。針對(duì)流域內(nèi)的水利工程，利用視頻、監(jiān)測(cè)設(shè)施、BIM等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水工程建設(shè)全過程數(shù)據(jù)采集和管理;完善流域內(nèi)水利工程建筑物、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于新建、改擴(kuò)建和除險(xiǎn)加固工程，要從前期工作和設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施和智慧管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保自動(dòng)化監(jiān)控經(jīng)費(fèi)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集打下較好基礎(chǔ)。
一是加強(qiáng)3S智能感知技術(shù)手段應(yīng)用。使用衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)大尺度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警;運(yùn)用智能視頻監(jiān)控，通過圖像智能分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、智能監(jiān)視與自動(dòng)預(yù)警;根據(jù)監(jiān)測(cè)感知需要使用無人機(jī)、無人船、機(jī)器人等監(jiān)測(cè)手段;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸需要推進(jìn)5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)應(yīng)用。
二是創(chuàng)新監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)計(jì)。針對(duì)“一桿通”等新型監(jiān)測(cè)設(shè)施，要加大試點(diǎn)推廣力度，推動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施改革創(chuàng)新。
按照流域管理相關(guān)職責(zé)和水利高質(zhì)量發(fā)展的新要求，應(yīng)充分應(yīng)用新信息技術(shù)手且處于絕對(duì)位置的“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”建?；鶞?zhǔn)，各單位工程依據(jù)該建?；鶞?zhǔn)進(jìn)行建模。該建模基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)有:①便于各專業(yè)協(xié)同建模;②對(duì)于水電站中的管廊結(jié)構(gòu)，使用“控制點(diǎn)+定位軸網(wǎng)”的建?；鶞?zhǔn)可以大大提升建模的精確度和速度;③總裝無需再次修改各單位工程的相對(duì)位置和絕對(duì)位置，提高總裝效率。
而對(duì)于在建水電站，由于其設(shè)計(jì)階段和施工階段的BIM模型絕對(duì)位置和相對(duì)位置存在變動(dòng)的可能性，因此該建?；鶞?zhǔn)并不適用，需要進(jìn)行更深入的研究。
對(duì)流域重要的水庫(kù)、堤防、蓄滯洪區(qū)、水閘、泵站等水利工程運(yùn)用BIM+GIS、數(shù)字孿生技術(shù)建立數(shù)字映像，并接入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠?qū)χ攸c(diǎn)工程對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過打造水利工程數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)映射，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的仿真模擬，輔助以無人機(jī)傾斜攝影等技術(shù)能夠進(jìn)一步提升數(shù)字孿生體更加逼真。
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。
在目前已經(jīng)探索的應(yīng)用場(chǎng)景中，數(shù)字孿生技術(shù)能為泵站的恒水位控制提供調(diào)參依據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也標(biāo)志著 “ 信息水利 ” 向 “ 智慧水利 ” 邁出了關(guān)鍵一步。在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，水利工程數(shù)字孿生技術(shù)必將引領(lǐng)水利工程運(yùn)行管理進(jìn)入更加智慧的新階段。