基于数字孪生的水库大坝安全管理云服务平台研发与应用

来源:用户上传      作者:卢建华 刘晓琳 张玉炳 徐琨

　　
　　摘要：当前中国水库大坝安全管理具有点多面广、安全状态时空多维演变、监测数据海量且多源异构、监管机构多层级等特点。为提高水库大坝安全管理水平，研究面向以监控和管理为主要目的的多层级安全监管需求，在充分梳理相关业务流程体系的基础上，引入数字孪生技术，给水库大坝安全运行管理提供新的展示方式和分析手段。运用以物联网、边缘计算、云计算等为核心的信息化技术实现数据采集、传输、存储、计算和综合利用，进而提出一套基于数字孪生技术的水库大坝安全管理云服务平台方案，并从数字孪生技术实现、云服务平台架构、运行支撑环境建设、业务功能设计等方面进行了论证。研究成果在安徽省梅山水库大坝成功投入实际运行，实现了水库大坝安全监控与管理的智能化、可视化、实时化、标准化。
　　关键词：水库大坝; 云服务平台; 数字孪生; 安全监控; 安全管理
　　中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.015
　　文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0081 - 06
　　0 引 言
　　中国重要的水库大坝都建有大坝安全监测信息采集及管理系统，可实现数据采集与安全管理，但无法形象高效地实现大坝安全状态的实时分析及诊断预警，不能满足多层级水库大坝安全管理需求，亟需引进新理论、新技术和新模式，从工程措施和非工程措施两方面发力，切实提高水库大坝安全管理水平。近年来，物联网、边缘计算、云计算、数字孪生等现代信息技术飞速发展并逐步成熟，为有效解决水库大坝安全运行问题提供了新途径。
　　数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程[1]。数字孪生其实就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。
　　数字孪生体被创建在信息化平台上，相比较于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于它是对实体对象的动态仿真。它“动”的依据来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。本体的实时状态，还有外界环境条件都会复现到“孪生体”身上[2]。除了“会动”之外，数字孪生还具备“全生命周期”“实时/准实时”“双向”等特点。
　　中国已经在战略产业层面提出众多重大科技专项[3-4]，有力促进了数字孪生应用发展，该技术有效用于卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市等诸多行业领域，覆盖设计、建造、运行管理、预警监控、故障诊断以及健康管理等全过程。
　　数字孪生在其他行业成功运用，并展现出广阔的应用场景，水库大坝与其他工程一样具备从设计建造到运行管护的全过程，因此迫切需要探索数字孪生技术与业务应用相结合的数字化新模式[5]，数字孪生技术的应用必将改变水利行业传统管理模式，给水库大坝的监管带来更加便捷科学的技术手段[6-8]。
　　1 大坝安全管理的数字孪生技术
　　为支撑水库大坝数字化运行安全管理，研发了1套完整的高性能、强扩展、易使用的水库大坝安全数字孪生支撑技术。
　　1.1 大坝安全数字孪生用需求体系
　　按国家、地方政府和业主单位的政策文件，进行总体布署和顶层设计，广泛调研当前水库大坝的工程现状、管理现状、信息化建设现状，以工程基本情况、业务管理情况、应用系统使用情况为突破口，分析数字孪生应用建设需求及发展趋势，理清安全监测业务关键点和孪生应用技术重难点。
　　1.2 大坝安全运行管理体系与数字孪生应用框架
　　在业务需求和发展趋势的充分调研基础上，梳理首页一张图、基本信息、水雨情、预报调度、安全监测、视频监控、闸门监控、综合管理、系统管理等业务的流程、指标、运行体系，建立面向多层级、多类别、多目标的孪生应用框架。
　　1.3 大坝安全数字孪生应用标准组件库
　　以业务内在逻辑为出发点，分别建立由BIM，GIS，倾斜摄影等组成的三维展示模块化组件库;由水工建筑物、监测断面、监测点等组成的安全监测模块化组件库;由雨量计、渗压计、流量计、水温计、GNSS、应力计等组成的仪器模块化组件库;由水质模型、气象预报模型、水文预报模型、调洪演算模型、防洪调度模型、大坝安全预报预警模型等组成的服务模型模块化组件库;以及由弹窗、列表、饼图、柱状图等组成的结果展示模块化组件库。统一组件的开发、封装及接口的技术标准，实现从组件、业务、应用到平台的完全解耦。
　　1.4 大坝安全数字孪生支撑平台
　　采用标准化、模块化、可视化、智能化的开发思路，建立水库大坝安全平台框架，利用图形化编辑方式，按照具体项目业务流程需要，在可视化条件下模块化组件的快速拼装，减少开发人员的重复劳动，提高水库大坝安全信息化系统的开发效率，从而实现系统低成本、少维护、高效率、大规模的应用。支撑平台支持三维可视化数字场景构建，实现空间数据、BIM模型数据、业务数据、物联感知数据、多媒体数据等多源异构海量数据之间无缝融合，以及与现实世界的动态映射。
　　2 云服务平台架构
　　水库大坝安全管理云服务平台旨在通过信息化技术手段建立一套满足水利主管部门多层级管理需要（图1）、保障水库大坝安全运行的业务平台[9]，它对水利工程运行数据进行采集、分析、处理以实现对运行环境、工程状态等全方位的监控和管理，辅以日常管理功能，达到用一套系统解决水利工程管理单位所有问题的目的，它是水利工程现代化管理的具体体现。
　　平台通过采集水库大坝的水情、雨情、工情、监测、图像等信息，构建相应的数字孪生体，综合分析水利工程当前运行的状况和历史过程，通过相关模型演算未来发展趋势，并运用建立的水库大坝安全诊断与预警指标方法体系，实现异常智能化识别和自动化预警报警。除此之外，系统设置管理功能，可以对辖区内的水库进行综合调度和系统评价，并根据需要制定分析统计报表。
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