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    • 水利數字孿生概念及水利工程數字孿生技術的應用

      adinnet / 2022-01-26 17:32 /數據可視化

         隨著新型智慧城市建設進程的不斷推進,智慧水利的建設需求不斷拓寬。以云計算、物聯網、大數據、人工智能等新技術與業務的深度融合為核心,構筑安全、實用的水利信息系統,加快水利業務創新和流程優化,推進智慧水利跨越式發展。

         本文,上海數字孿生技術公司艾藝講述的是水利工程數字孿生概念及技術應用。

      一、水利工程數字孿生技術概念

         在工業領域,數字孿生技術并不是一種全新的技術,它是系統建模與仿真應用的重要形式,是在物聯網技術提供了便捷采集和可靠傳輸能力、大數據技術提供了海量數據存儲分析能力、云計算技術提供了強大的計算能力、人工智能技術提供了強大的推理分析能力的技術背景下,系統建模與仿真應用技術發展的新階段。

         數字孿生技術通過數字化的手段構建了一個與物理世界同樣的虛擬體,從而實現對物理實體的了解、分析、預測、優化、控制決策。對于運維階段的水利工程數字孿生技術來講,信息化系統提供了工程的運行狀態信息,例如閘閥開關狀態、氣象水情信息、結構應力應變信息、水質信息等,這些信息在一定程度上,反映了真實世界中的水利工程的運行狀態。

         而基于工程建設階段的設計資料,例如水工建筑物設計圖、閘泵站結構設計圖,利用經典的水文、水利、水質分析理論,并借助地理信息(GIS)、建筑信息模型(BIM)等技術,則可在計算機中搭建物理實體對應的虛擬體?;谔摂M體,可對物理實體的變化規律進行預測,并驗證、優選調度運行決策。

      智慧水利功能架構.jpg

      智慧水利工程功能架構

      二、水利工程數字孿生技術的應用

      1、完善流域江河湖泊和水工程監控體系

      (1)完善江河湖泊感知體系建設

         水文水資源信息是實現流域數字映射的基礎信息,涉及水量、水位、流量、水質、泥沙、降雨量等信息。 應優化行政區界斷面、取退水口、地下水、生態用水(含地下水)等監測站網布局,實現全要素的實時在線監測,提升信息捕捉和感知能力;

         要通過高分辨率航天、航空遙感技術和地面水文監測技術的有機結合,推進建立流域洪水“空天地”一體化監測系統,提高流域洪水監測體系的覆蓋度、密度和精度;要優化山洪災害監測站網布局,將雷達納入雨量常規監測范疇;要確保該監測的斷面均納入監測范圍,需要視頻監測的部位部署視頻監測設施;要提高采集信息源數據的準確度,摸清水資源取、供、輸、用、排等各環節的底數。

      (2)完善水利工程設施感知體系建設

         水利工程信息是流域數字映射的重要內容,涉及水庫(含水電站)、泵站、水閘、堤防、灌區、蓄滯洪區等各類水利工程。針對流域內的水利工程,利用動態視頻、監測設施、BIM等技術,實現水工程建設全過程數據采集和管理;

         完善流域內水利工程建筑物、機電設備運行工況在線監測。對于新建、改擴建和除險加固工程,要從前期工作和設計階段加強自動化監控設施和智慧管理系統設計,確保自動化監控經費,為實現數據采集打下較好基礎。

      2、加強新技術應用提升監測技術水平

      (1)加強3S智能感知技術手段應用

         使用衛星、雷達等遙感監測手段實現大尺度的動態監測預警;運用智能視頻監控,通過圖像智能分析,實現自動識別、智能監視與自動預警;根據監測感知需要使用無人機、無人船、機器人等監測手段;根據網絡傳輸需要推進5G、物聯網等新技術應用。

      (2)創新監測設施設計

         針對“一桿通”等新型監測設施,要加大試點推廣力度,推動監測設施改革創新。

      水利數字孿生.jpg

      3、其他“N”個業務系統

         按照流域管理相關職責和水利高質量發展的新要求,應充分應用新信息技術手并且處于絕對位置的“控制點+定位軸網”建?;鶞?,各單位工程依據該建?;鶞蔬M行建模。

         該建?;鶞实膬烖c有:①便于各專業協同建模;②對于水電站中的管廊結構,使用“控制點+定位軸網”的建?;鶞士梢源蟠筇嵘5木_度和速度;③總裝無需再次修改各單位工程的相對位置和絕對位置,提高總裝效率。

         而對于在建水電站,由于其設計階段和施工階段的BIM模型絕對位置和相對位置存在變動的可能性,因此該建?;鶞什⒉贿m用,需要進行更深入的研究。

      4、打造水利工程的數字孿生體

          對流域重要的水庫、堤防、蓄滯洪區、水閘、泵站等水利工程運用BIM+GIS、數字孿生技術建立數字映像,并接入實時監測設備,能夠對重點工程對象實現實時監控。通過打造水利工程數字孿生體,實現重要數據的精準映射,實現三維場景的仿真模擬,輔助以無人機傾斜攝影等技術能夠進一步提升數字孿生體更加逼真。

      5、水調統一調度管理系統

         南水北調東線一期工程部分地區水量調度系統利用“數字孿生”技術建立了二三維一體模擬仿真平臺,在計算機中建立一個與現實引調水工程相對應的數字模擬體。同時,結合工程特點,利用渠池蓄量平衡原理自主研發了“同步控制自適應平衡”調度控制模型,實現水量調度方案及實時調度過程相關要素的仿真模擬,有效提高了水量調度決策的科學化、精細化水平。

         數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,是實現數字流域、智慧流域的有效技術路線。在大數據、云計算、物聯網、人工智能等新技術蓬勃發展的背景下,水利工程數字孿生技術必將引領水利工程運行管理進入更加智慧的新階段。

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