数字孪生水网建设应着力解决的几个关键问题
发布时间:2024-10-09 16:47:03 来源:中国水利杂志 作者:本站编辑 浏览次数:

数字孪生水网建设应着力解决的几个关键问题
Key issues should be addressed in digital twin water network construction

蔡阳

(水利部信息中心,100053,北京)
摘要:数字孪生水网建设涉及多学科交叉、新技术融合,有诸多重点和难点,应把握好建设目标、算据基础、算法核心、算力支撑、业务应用、网络安全等关键问题。结合数字孪生水网建设先行先试经验,围绕工程安全、供水安全、水质安全,提出了数字孪生水网建设的关键问题及解决思路:围绕建设目标确定建设内容和重点,以问题为导向开展需求分析;打造“天空地水工”一体化监测感知体系,完善地面监测站网、提升新型监测感知能力、强化数据治理与运用、推进数据资源共享,夯实算据基础;完善模型平台,开发知识平台,优化算法核心;建设信创云平台和高性能计算集群,扩充计算资源,升级通信网络,强化算力支撑;提升水网智慧调控能力,着力实现业务“四预”;构建网络安全体系,保障网络和数据安全;理清数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程的关系,提升整体效能。
关键词:数字孪生水网;算据;算法;算力;“四预”;网络安全
作者简介:蔡阳,正高级工程师,主要从事防汛减灾、水利信息化等方面的研究工作。
基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB3900600)。

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明确数字孪生水网建设目标,坚持问题导向
目标是行动的指南,问题是突破的方向。以目标为着眼点,统筹谋划、顶层设计,以问题为着力点,补短板、强弱项。建设数字孪生水网就是要锚定构建“系统完备、安全可靠,集约高效、绿色智能,循环通畅、调控有序”的国家水网目标,围绕确保工程安全、供水安全、水质安全,立足工程的规划、设计、建设、运行全生命周期管理,实现数字孪生水网与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。
1.明确建设目标
(1)紧盯目标确定建设内容和重点
建设数字孪生平台、信息化基础设施是手段,目的是实现业务预报、预警、预演、预案“四预”,即实现与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化,进而实时监控、联合调度、防范风险,确保工程安全、供水安全、水质安全。因此,建设数字孪生水网应紧紧围绕建设目标,统筹谋划、顶层设计,明确建设思路,确定建设内容和重点,切不可为了建设而建设;雨水情监测预报“三道防线”、数据底板、知识平台等具体建设内容一定要为实现目标而设定,与相关需求相匹配。
(2)坚持“需求牵引、应用至上”
围绕建设目标开展需求分析,掌握数字孪生水网流程、功能、数据等需求,以此作为规划、设计、建设、运行的基本依据。业务部门要牵头开展需求分析,强化应用,持续迭代,不断完善;技术部门要与业务部门密切配合,运用先进成熟的技术建成管用、实用、好用的数字孪生水网。
2.坚持问题导向
(1)查漏补缺
围绕数字孪生水网建设目标,梳理水网在规划、设计、建设、运行全生命周期管理中存在的问题,从算据、算法、算力,以及实现业务应用“四预”等方面进行需求分析,查找薄弱环节,补短板强弱项,确保协调推进。
(2)坚持“数字赋能、提升能力”
加大物联网、卫星遥感、无人机(船)、大数据、人工智能等技术应用力度,提高监测感知和数字孪生场景构建能力,基于数字孪生技术,在虚拟空间对典型历史事件、设计、规划或未来可能场景下的水网工程运行调度进行模拟仿真,正向预演风险形势和影响,逆向推演水网工程安全运行限制条件,及时发现问题,提出风险防范措施,迭代优化方案,为水网建设和运行提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持。

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完善模型平台,开发知识平台,优化算法核心
算法是建设数字孪生水网的核心,也是当前的弱项。一直以来,我们比较重视以防洪为重点的模型研究与开发,形成了相对丰富的水文和水力学模型,但以水资源调度、水利工程安全为重点的模型研究相对较弱,知识平台几乎是空白。为此,要加快完善水资源调度、水利工程安全等模型平台,开发知识平台。
1.完善模型平台
(1)构建水资源调度模型
建设来水预报、需水预测、水量调配、工程调度、输水过程模拟、调度效果评价等模型。来水预报模型方面,重点建设调水工程水源年、月、旬、日多尺度来水预报模型,同时还应考虑调水工程输水线路区沿线冰期气温预报模型、冰凌预报模型,调水工程受水区旱情预报模型等;需水预测模型方面,主要构建水源区和受水区年、月、旬不同时间尺度需水预测模型;水量调配模型方面,重点建设调水工程水源可调水量分析模型,调水工程水量分配模型,年、月、旬水量调度模型;工程调度模型方面,主要研发闸泵站阀群联合调度模型、泵站(群)经济运行模型等;输水过程模拟模型方面,主要构建输水河渠、调蓄湖库水力学模型等;调度效果评价模型方面,主要建设年、月、旬调度计划执行情况评价模型和年度调水效果评价模型。
(2)强化工程安全模型研究与应用
根据调水工程运行安全保障业务管理需求,结合工程安全监测感知体系条件,重点建设工程安全风险辨识模型、关键监控物理量智能识别模型、安全监测预警模型以及工程安全状态评估分析模型等。工程安全风险辨识模型关键是确定大坝、输水明渠、倒虹吸、渡槽、暗涵、输水隧洞等水工建筑物的典型风险及演化过程链、关键监控物理量类型;关键监控物理量智能识别模型实现对各水工建筑物运行过程中的水位、变形、渗流等关键运行物理量的智能监测;安全监测预警模型主要是建立各水工建筑物关键监控指标的预报预警模型,确定关键监控指标的多级预警阈值;工程安全状态评估分析模型重点构建各水工建筑物的变形、渗流、应力应变等的模拟分析模型。
2.开发知识平台
充分利用数字孪生流域、数字孪生水利工程等知识平台建设成果,针对水网特点和业务应用知识需求,协同构建水网对象关联关系、业务规则、历史场景等水网知识。
(1)建设水网关系图谱
协同数据底板建设,形成覆盖取水水源设施、输水设施、调蓄及分水设施,以及水源区、输水线路区、受水区等范围的工程对象集,可应用知识图谱、图数据库等技术,建立调水工程对象关联关系,包括空间关系、水流关系、管理关系等。
2)构建业务规则和历史场景库
业务规则包括安全监管、智能调度、水质保障、智能运维等日常调度的运行管理知识,以及应对重大洪涝灾害、干旱灾害、生态破坏事故、水污染事故、工程安全事故等突发事件的应急知识。各业务规则依据法律法规、管理办法及预案等建立,采用结构化存储。
历史场景知识主要面向工程结构安全、工程防洪安全、水资源调度、水质保障等历史场景,包括场景特征、处置过程、处置效果、处置经验等内容,支持相似场景的快速查找匹配,支撑预案预演模拟对比。
(3)积极探索大语言模型技术运用
大语言模型等人工智能技术已从实验室进入应用,展示了强大的功能和良好的前景,在一些行业取得了实际效果,水利行业也开展了探索研究。在知识建设中要积极利用大语言模型,特别是通过多模态技术与数据底板、模型平台进行联动,为水网上层业务应用提供高效智能的技术支撑。

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提升水网智慧调控能力,着力实现业务“四预”
数字孪生水网建设是以支撑水网工程联合调度为核心目标,具体是实现业务的“四预”,为不同应用场景提供决策支持。业务应用建设内容主要包括综合运行监视、联合调度决策、日常业务管理、应急事件处置等,难点是联合调度决策的“四预”。针对该问题,应研发面向“四预”的基于数字孪生水网的多级多目标调度指挥平台,实现基于数字孪生水网的跨流域跨区域多目标联合调度。
1.研究以水资源为主的多目标调度关键技术
分析水网水资源、防洪、水生态调度需求和目标,建立复杂水工程多目标协同联合调度风险决策评估指标体系;基于防洪和水资源风险均衡原则,研究“时-空-量-序-效”多维调控的水网联合调度“分解-协调-耦合”优化技术;研究水库、调水工程、分蓄洪区、涵闸泵站等水工程多区域防洪调度、联合供水调度及水生态调度技术。
2.建立以防洪为主的多目标协同智能调度模型
推求多场景下洪量在行蓄空间上的调度方案,构建洪涝风险协同防控与调度方案库,形成跨区域、跨流域洪水资源利用的时空调配模式,制定以多目标融合协同为重点的水工程联合调度方案,建立集面向流域多区域防洪、水资源配置及水生态修复于一体的水工程多目标协同智能调度模型。
3.研究长距离调水水网工程水力控制技术
以跨流域、跨区域复杂水网工程为对象,研究复杂长距离输水系统水力仿真与控制理论方法;研究长距离管道输水系统水力控制技术;研究长距离明渠输水系统“前馈-反馈-解耦”集散控制技术;研究适应气候及冰情复杂变化的冰期自适应控制技术和冰期与非冰期输水模式转换的变闸前水位控制技术。

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理清数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程的关系,提升整体效能
数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程分别是物理流域、物理水网和物理工程在数字空间的映射,三者的关系决定于三个物理实体的相互关系。物理流域指由分水线所包围的河流集水区,集水区分地面和地下两类。物理水网是物理流域中的自然河湖水系、引调排水工程和调蓄工程的组合,数字孪生水网是数字孪生流域中的自然河湖、数字孪生引调排水工程和调蓄工程的组合。水利工程也会跨流域,因此,数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程之间不是简单包含关系,三者之间互不替代、各有侧重、相对独立、互联互通、信息共享。具体来说,一是实现三者之间数据的共享,构建统一的数据底板,实现信息共享和交换;二是实现模型间的融合与协同,三者之间能够相互调用、相互验证,形成一体化的模拟预测体系;三是实现三者应用之间的相互配合,共同实现业务应用的优化调度、问题发现,从而提升整体效能。

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结语
数字孪生水网建设是一项技术难度大、管理复杂的系统工程,水利部正依托国家重点研发计划“多尺度流域水资源和水利设施遥感监测应用示范”和水利部重大科技项目等,结合先行先试等实践,围绕上述重点难点开展技术攻关,目前已取得积极成效,接下来将进一步探索一批可复制、可推广的优秀案例、典型模式和技术路径,为全面建成数字孪生水网积累经验。
 
Abstract: Digital twin water network construction involves interdisciplinary and integration of new technologies, posing several significant challenges. The construction process should clarify construction objectives, strengthen the data foundation, optimize core algorithms, enhance computing capacity support, emphasize business application, and ensure network security. Based on the pilot experiences, key issues surrounding the safety of structures, water supply, and water quality are discussed. The proposed solutions include defining the content and focus areas according to construction objectives and conducting need analysis driven by key issues; building an “space-air-earth-water-engineering” integrated detection monitoring and sensing system, improving ground monitoring networks, developing new sensing capabilities, strengthening data governance, promoting data sharing, and consolidating the data foundation are essential; optimizing model platforms, developing a knowledge platform, and refining core algorithms; expanding computing resources and upgrading communication networks by constructing the Information Technology Innovation Cloud Platform and high-performance computing clusters; enhancing the smart water network regulation and control capabilities, and focusing on realizing “forecast, early warning, rehearsal, and planning” for operations; building a robust network security system to protect network and data security; clarifying the relationship between digital twin basins, digital twin water networks, and digital twin projects to improve overall efficiency.
Keywords: digital twin water network; calculation data; algorithm; computing capacity; “forecast, early warning, rehearsal, and planning”; network security

 


本文引用格式:

蔡阳.数字孪生水网建设应着力解决的几个关键问题[J].中国水利,2024(17):36-41.


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