数字孪生技术在水利工程运行维护管理中的应用

摘要：目前，随着各种先进技术的应用，我国水利工程项目设计、施工、后期运营管理都取得了长足进步。在各种先进技术中，BIM技术和GIS技术的应用最广泛。BIM技术可以对水利工程各种建筑单元进行3D建模，GIS技术可以对每一个建筑单元三维信息进行精准定位，对水利工程在地图级别进行精细化管理。利用BIM技术、GIS技术、数字孪生技术，可以为水利工程项目的建设开拓更加便利的渠道。数字孪生技术运用BIM技术构建与水利工程项目各单元一一对应的3D模型，进而形成整体与水利工程项目完全一致的数字模型。这种模型在前期具备设计效果，在后期可以通过数字模型检验和控制，达到对水利工程项目实体控制的目的。鉴于数字孪生技术的巨大优势，本文将以此为切入点，探究其在水利工程项目设计中的应用。

关键词：数字孪生技术；水利工程；维护管理；应用

1水利行业中数字孪生技术的应用现状

1.1水资源管理

数字孪生技术充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术，建设了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程等新型基础设施项目，从而实现水资源管理与调配、流域防洪等“2+N”业务应用和预报、预警、预演、预案功能，优化了水资源的分配和调度，提升了水资源管理数字化、网络化、智能化水平，可在干旱或洪涝等极端气候条件下为水资源的应急调配提供科学依据。已于2023年初步建成的数字孪生永定河，充分证明了该技术在水资源管理中的可行性和必要性。

1.2水文模拟

通过集成地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和全球定位系统（GPS）等技术，数字孪生模型能够精确模拟水文循环过程，实现对流域内水资源的动态监测和评估。通过收集和分析水文站点的实时数据，构建水文过程的数学模型，从而模拟水流、水位、流速等关键参数的变化趋势。这种模拟不仅提高了水文预测的准确性，也为水利工程设计和洪水预警提供了重要的参考信息。

1.3防洪减灾领域

数字孪生技术的应用将极大地提升洪水预警和应急响应能力。通过对降雨量、河流水位、地形等关键参数的实时监测和综合分析，结合历史数据和模型预测，可以提前发现潜在的洪水风险，预测洪水发生的可能性和影响范围，为防洪措施的制定提供科学依据，从而及时发布预警信息，减少灾害损失。

2数字孪生赋能水利工程维护管理的技术路径探索

2.1开展智能感知与信息监测建设

高质量的数据是数字孪生的根本，完备及时的数据采集是其应用的前提。水利工程涉及规划、勘测、设计、施工、运维等多个阶段，数据量大、维度多、动态性强，对全时空感知提出了较高要求。应依托数字化测绘、物联网、视频监控等技术手段，构建覆盖水利工程全域、贯穿建设全过程的智能感知体系。通过在工程现场广泛布设多类型传感设备，并利用卫星遥感、无人机倾斜摄影等技术获取空间影像数据，可实现对工程现场的全面感知与实时监测。在数据汇聚方面，要突破传统的烟囱式数据采集模式，统筹规划，建立横向到边、纵向到底的一体化感知网络，将分散于不同业务系统的各类工程数据进行标准化整合，消除数据孤岛，打通数据壁垒，为后续的数字孪生应用奠定扎实基础。在数字化映射方面，通过BIM、3DGIS、激光扫描等技术，构建水利工程及其地理环境三维数字化模型。在此基础上，利用虚拟现实、增强现实等新兴显示技术，实现对数字模型的沉浸式展示和人机交互，使工程管理人员能够身临其境地观察工程实体，及时发现问题隐患。同时，数字孪生平台可对各类动态监测数据与三维模型进行实时关联映射，通过可视化手段直观展示工程建设进展、安全状况等关键信息，大幅提高信息获取和理解的效率。

2.2优化当前水利工程建设管理体系

数字孪生技术通过构建统一的工程数字模型和管理平台，为实现水利工程建设的精细化、协同化、扁平化管理提供了有力抓手。在数字孪生平台上，各参建主体可基于统一的工程数据和业务规则开展工作，打破了传统的“一亩三分地”格局。通过BIM等信息化手段，工程设计、施工、管理等各环节可实现无缝衔接，设计变更、技术交底、进度管控、安全管理等重要信息能够及时传递共享，大幅提高了协同效率。管理人员可利用平台提供的可视化管理工具，对工程全生命周期的各项数据进行集中监控，及时协调解决各类问题，减少返工和资源浪费。平台还可基于大数据分析、知识图谱等技术，智能分析海量工程数据，挖掘其中的关联规律，优化资源配置，指导科学决策。例如，通过对设计模型、施工方案、设备材料、人员组织等要素的系统集成和动态优化，平台可自动生成最优施工组织计划，并实时监控执行偏差，确保工程进度、质量、成本等目标的实现。同时，管理人员可利用平台的仿真推演功能，模拟工程建设全过程，优化工艺流程，预判风险隐患，制定应对预案，从而在工程建设的每个环节实现精准管控，最大限度地减少工期延误、质量缺陷、安全事故等问题的发生。

2.3构建综合高效的水利工程运维管理平台

水利工程建成后，如何实现精细化、智能化的运行维护管理，发挥其综合效益，是事关长治久安的重大课题。数字孪生技术以其虚实交互、仿真优化等独特优势，为破解传统运维管理模式的种种难题提供了新的解决方案。构建集工程监测、健康诊断、风险预警、辅助决策等功能于一体的数字孪生运维平台，通过采集各类传感监测数据，并与工程三维模型、运行机理模型等深度融合，实时评估工程的健康安全状态。当监测数据发生异常时，系统可自动预警，并结合仿真分析快速定位故障原因，制定检修方案，指导运维人员及时处置，有效规避重大风险事故。

在水资源调度管理方面，数字孪生平台集成大数据分析、知识推理等人工智能技术，可充分挖掘水文、工况等多源异构数据的关联规律，形成优化调度知识库和策略库。基于实时监测数据和机理模型，平台可模拟工程在不同情景下的运行状态，并对比分析各调度方案的经济效益、生态效益、社会效益等，辅助管理人员制定最优调度决策，在确保工程安全的前提下，最大限度地发挥效益。在防洪抗旱等应急事件处置中，平台可及时接收和分析雨情、水情等监测预警信息，并通过智能算法快速生成风险分布图和预案库，为科学调度和应急救援提供决策支持，最大程度减轻灾害损失。数字孪生运维平台的应用，充分整合了工程监测、健康诊断、调度优化、应急管理等业务功能，实现了全要素感知、全过程分析、全场景仿真、全域化治理的智慧化运维管理，为提升水利工程综合管理和防灾减灾能力提供了强大助力。

结束语：数字孪生技术在水利领域的应用前景广阔，其在提高工程管理水平、提升水资源管理效率、增强防洪减灾能力以及优化水利设施维护等方面展现出显著的潜力。面对技术发展中的挑战，通过加强数据采集与处理、算法创新、跨学科合作以及政策与资金支持，可以为水利工程的智能化转型提供坚实的基础。未来，随着技术的不断成熟和应用的深入，数字孪生技术将为水利事业高质量发展提供强大的技术支撑和驱动力，为构建和谐的人水关系贡献智慧与力量。

参考文献：

[1]冶运涛，蒋云钟，曹引，等.以数字孪生水利为核心的智慧水利标准体系研究[J].华北水利水电大学学报：自然科学版，2023，44（4）：1-16.

[2]朱李伟，沈国政，储伟杰.数字孪生水利工程安全智能分析预警技术研究及应用关键要素探究[J].中国科技期刊数据库工业A，2023，32（5）：106-113.

[3]牛广利，李天旸，杨恒玲，等.数字孪生水利工程安全智能分析预警技术研究及应用[J].长江科学院院报，2023，40（3）：181-185.

[4]张奇伟，赵树成．大型数字孪生水库建设思路探索[J]．水利技术监督，2022（9）：41-44．