一、引言

数字孪生技术作为一种先进的虚实融合技术,被广泛应用于各个领域,在智能制造、预测维护等方面展现出巨大价值。水利工程作为关系国计民生的重要基础设施,数字孪生技术在其设计、施工、运行和维护等全生命周期中呈现出重要的应用前景。构建水利工程的高精度数字孪生,不仅可以提升工程设计和运营的智能化水平,还可以实现水利工程全生命周期管理,大幅降低建设和运维成本,提高水利工程的安全性和可靠性。因此,深入探讨水利工程数字孪生的必要性及解决方案,对推动水利事业高质量发展具有重要意义。

二、水利工程数字孪生的必要性

1. 提高水利工程设计质量

水利工程设计过程复杂,涉及水文、结构、管网、电气等多个领域,需要考量各类不确定因素。传统设计依赖物理模型试验和静态计算,很难全面评估设计方案的合理性。数字孪生技术能够构建包含所有关联子系统的整体虚拟模型,采用高精度算法模拟水利工程的运行情况,找出设计缺陷和薄弱环节,对设计方案进行多次优化迭代,显著提升设计质量。

2. 强化水利工程运行管理

水库、堤坝等水利工程运行中,会受到供水、泄洪、发电等多种因素影响,运行管理复杂。构建数字孪生系统,实时获取各类在线监测数据,可以快速准确判断水利工程的运行状态,进行风险预警和处置决策。数字孪生还可以跟踪工程运行历史,评估,协助制定运维策略。

3. 支持水利工程决策

针对水库调度、坝体维修等决策问题,数字孪生系统可以快速模拟多个方案的效果,提供定量分析结果,辅助决策者选择最优方案。同时,数字孪生可以对多种极端情景进行预案演练,提高水利工程应对洪水、地震等紧急情况的反应能力。

4. 降低水利工程成本

数字孪生能够减少现场试验次数,降低水利工程设计和施工成本。在运行阶段,通过数字孪生优化调度方案,减少不必要的机械运维操作,也能节省运维成本。数字孪生还可以推迟水利工程修缮时间,延长其安全运行寿命。

三、某河流水电站数字孪生解决方案

以下基于某河流兴建的梯级水电站,探讨其数字孪生解决方案。该水电站由水库、输水系统、厂房等部分组成。

1. 水情数字孪生

在水库集水区布设雨量计、水位计等设备,获取实时水情数据。以此为输入,建立河流数学模型,采用高效计算方法进行水动力模拟,实现对未来入库流量、水位的预测。

2. 水库及设施数字孪生

构建水库三维几何模型,进行蓄水量变化模拟。建立闸门、溢洪道等设施虚拟样机,模拟其运行机理。实现水库总体数字孪生,进行洪水调度、正常运行仿真。

3. 水电机组数字孪生

针对水轮机、发电机组等,采用三维建模技术构建其数字孪生系统。导入实际运行数据进行校准,实现高精度的水动力特征模拟。

4. 电网数字孪生

搭建水电站接入电网的虚拟环境,设置可再生能源等其他电源模型。模拟电站与电网的并网运行,进行发电调度规划。

5. 输水系统数字孪生

建立水管、压力隧洞等组成部分的三维模型。进行多场景联合仿真,评估输水系统在不同负荷下的运行状态。

6. 应用服务平台

搭建包括数据中台、仿真计算和决策支持模块的应用服务平台。实现水电站设计优化、运行调度、设备健康管理、应急处置等功能。

7. 虚实融合

通过数据传感和人机交互界面,连接数字孪生系统和实际水电站。实现虚实环境下的协同运维。

四、研究展望

水利工程数字孪生技术仍在持续发展中,存在模型精度、实时性等方面的限制。下一步可从以下几个方面进行研究:

1. 构建标准化数字孪生建模框架,提高模型构建效率。

2. 研究高效的数值计算方法,提升大型水利工程数字孪生的计算速度。

3. 加强多源异构数据的深度融合,提高模型预测的准确性。

4. 探索区块链、元宇宙等新技术在水利工程数字孪生中的创新应用。

5. 加强水利工程数字孪生系统的开放连接能力,实现与其他信息系统的协同。

通过科技创新和工程实践,Digital Twin技术必将给水利事业带来深刻变革,推动水利工程向更智能、绿色、安全的方向转型发展。