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数字孪生技术在水利工程中的应用

数字孪生技术在水利工程中的应用

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数字孪生技术在水利工程中的应用是当前水利信息化发展的重要方向。它通过创建实体工程的虚拟映射,利用历史数据、实时数据和算法模型,实现对工程全生命周期的模拟、验证、预测和控制 。
数字孪生技术是一种先进的数字化概念,它通过创建现实世界中物理实体或系统的虚拟副本来实现对这些实体或系统的监测、仿真、预测和优化等操作 。数字孪生通常包括物理实体、数字模型和数据连接三个部分。物理实体是现实世界中的实体,如机器、设备等;数字模型是数字孪生的核心,是与物理实体相对应的虚拟模型;数据连接技术包括传感器、数据采集等,用于将物理实体和数字模型进行连接 。
数字孪生技术的优势主要体现在提高生产效率、产品质量,节能减排,远程监控和维护,以及降低风险 。然而,它也存在一些劣势,如技术成本高、数据安全和隐私问题、人员培训难度大、需要完整的数据支持等 。
数字孪生技术支持远程监控和诊断,通过实时数据监控、虚拟仿真、远程操作、预测性维护和远程协同等方式实现 。实现实时数据同步需要依赖物联网设备和传感器、边缘计算、数据融合和分析、实时通信协议、云计算和大数据技术,以及可视化和监控 。
在安全性方面,数字孪生采用数据加密、访问控制、数据备份、安全认证、安全审计和隐私保护等技术来确保数据的安全性和用户的隐私 。
数字孪生技术的历史可以追溯到1991年David Gelernter提出的"镜像世界"理念,而Michael Grieves博士在2002年首次将数字孪生概念应用于制造业 。

一、关键应用

  1. 信息化基础设施建设:构建监测感知体系、通信网络体系等,实现对水利工程及其周边环境的动态监控,为数据采集、传输、存储、计算分析和预报预警提供基础支撑 。
  2. 数字孪生平台构建:使用BIM、GIS等技术建立水利工程信息模型,实现三维可视化交互环境,汇集各类数据,支撑数字孪生体与物理体的感知互联、仿真推演和交互分析 。
  3. 业务应用体系建设:建立分级的智慧监管系统和项目智慧管理系统,提高数据汇聚、互通和共享能力,满足多层级协同、多维度应用需求 。
  4. BIM和GIS技术应用:在勘察设计阶段,基于BIM等技术进行多专业一体化设计,优化设计流程,实现数字化产品交付。在建设阶段,依托BIM、GIS等技术开展施工组织,提高施工质量、安全、进度和造价控制水平 。
  5. 智能建造水平提升:应用智能建造设备及装备,如智能温控、智能灌浆等,利用物联网、北斗、云计算等技术提高工程建设过程的感知、分析、决策和执行能力 。
  6. 智能监控能力提高:在水利工程建设中融合智能监控设备和信息技术,提高施工现场信息采集和监控水平,强化施工期不良地质条件的监测和危险性较大设备运行数据的实时监控 。
  7. 智能感知能力加强:根据工程类别和监测需求,建设配套水文设施,完善雨水情监测预报系统,部署建设质量、工程安全、设备运行状态等监测设备,提高感知数据的分析效率 。
  8. 智慧管理系统建设:项目法人综合运用信息技术及智能设备,围绕关键要素,建成项目智慧管理系统,为水利工程建设管理提供智慧化服务 。
  9. 数据共建共享:提升数据采集水平,强化数据资源治理,明确数据权威来源,加强数据资源管理,实现数据底板、模型库、知识库等数字孪生数据的互联互通和共建共享 。
  10. 安全保障:加强智慧管理系统网络安全和数据安全管理,确保数据的采集、传输、存储、共享、分析、处理等严格执行相关规定,维护网络信息安全 。

二、大藤峡数字孪生水利工程

大藤峡是中国水利行业首个正式开工建设的数字孪生水利工程,它标志着水利工程管理向数字化、智能化转型的重要一步 。该工程的启动,是通过数字化方式创建大藤峡实体工程的虚拟动态仿真,利用历史数据、实时数据和算法模型等,对大藤峡工程的全生命周期进行模拟、验证、预测和控制 。
大藤峡水利枢纽工程本身是珠江流域的关键控制性工程,位于黔江河段大藤峡峡谷出口处,具有重要的地理位置和战略地位 。大藤峡数字孪生工程的建设分为三个阶段:一期计划于2022年汛前完成,主要构建模型服务平台和初步的防洪体系;二期计划于2023年底前完成,基本建成数字孪生工程,实现工程安全管理和库区岸线管理;三期计划于2025年底前完成,全面实现智慧化运营和精细化决策支持 。
该工程的建设不仅是技术攻关的体现,也是示范引领作用的发挥,有助于推动智慧水利体系的构建,提升水情测报和智能调度能力 。大藤峡数字孪生工程的建设,将为珠江流域乃至全国的智慧水利建设提供坚实的技术支撑和示范作用 。

三、水利部数字孪生平台

通过有序汇集融合多源数据构建数字化场景,实现多要素数字映射,并以数学模型为核心建设水利通用模型平台,实现物理流域同步仿真模拟 。该平台以水利一张图为基础,融合了多源数据,建设了全国统一、及时更新的数据底板,能够实现水库、河道堤防、蓄滞洪区等55类1600多万个水利对象信息的联动更新,并动态汇聚了26.2亿条业务管理数据 。
此外,平台还专线获取了高分、资源、环境等系列23颗国产遥感卫星影像资源,并接入了4600多路水利视频资源,这大大提升了新型感知能力 。数字孪生平台的建设和应用,将对我国物理流域进行全要素、全过程的数字化映射和智能化模拟,在流域防洪和水资源管理与调配等领域发挥重要作用 。
数字孪生水利的建设不仅提升了治水管水的数字化、网络化、智能化水平,而且通过算据、算法、算力的同步提升,为水利工程的规划、设计、调度方案提供了科学决策支持 。

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