引言
隨着物聯網、大數據、5G、數字孿生等技術的發展和無人機等硬件的成熟應用，如何充分利用新技術，推進水利工程運行管理的數字化、智能化水平，已經成爲當前水利工程信息化研究的熱點。數字孿生作爲實現物理世界和虛擬世界數據實時交互、融合的一種有效方法，得到了廣泛的關注和重視。藉助數字孿生技術，對數字孿生和水利工程運行管理進行理論融合分析，構建水利工程運行管理數字孿生系統，能夠增強水利工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學決策能力和精準執行能力，大幅提高水利工程的智能化運行管理水平。
1、對水利工程數字孿生技術的理解
在工業領域，數字孿生技術並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採集和可靠傳輸能力、大數據技術提供了海量數據存儲分析能力、雲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瞭解、分析、預測、優化、控制決策。對於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。
而基於工程建設階段的設計資料，例如水工建築物設計圖、閘泵站結構設計圖，利用經典的水文、水利、水質分析理論，並藉助地理信息（GIS）、建築信息模型（BIM）等技術，則可在計算機中搭建物理實體對應的虛擬體。基於虛擬體，可對物理實體的變化規律進行預測，並驗證、優選調度運行決策。
2、水利工程運行管理現狀
水利工程運行管理涉及業務領域較多，工作內容比較複雜，包括工程運行監視、工程巡檢、工程安全監測、水量調度管理、設施設備運維等，各項工作都有很強的系統性和綜合性。“十三五”期間，重大水利工程的建設全面提速，擴大了水利信息化範圍，完善了相關業務的應用，顯著提升了水利工程信息化、智能化水平。
但是和國家信息化發展戰略的總體要求及水利改革發展需求相比，當前水利工程運行管理信息化、智能化水平仍存在一些差距和不足，主要表現在以下方面。一是由於環境、交通、網絡、資金等問題，水利工程基礎數據自動化採集設施不夠完善，一些基礎數據的採集還需要依賴人工作業。二是水利工程各業務相關部門存在嚴重的數據資源不對等現象，各業務領域數據存在大量的信息孤島，無法充分利用大數據、人工智能等技術進行數據整合、分析和優化、輔助決策。
3、水利工程數字孿生技術的應用
3.1完善流域江河湖泊和水工程監控體系
一是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範疇;要確保該監測的斷面均納入監測範圍，需要視頻監測的部位部署視頻監測設施;要提高採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。
二是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，利用視頻、監測設施、BIM等技術，實現水工程建設全過程數據採集和管理;完善流域內水利工程建築物、機電設備運行工況在線監測。對於新建、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，爲實現數據採集打下較好基礎。
3.2加強新技術應用提升監測技術水平
一是加強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。
二是創新監測設施設計。針對“一杆通”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。
3.3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且處於絕對位置的“控制點+定位軸網”建模基準，各單位工程依據該建模基準進行建模。該建模基準的優點有:①便於各專業協同建模;②對於水電站中的管廊結構，使用“控制點+定位軸網”的建模基準可以大大提升建模的精確度和速度;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。
而對於在建水電站，由於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，因此該建模基準並不適用，需要進行更深入的研究。
3.4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，並接入實時監測設備，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。
3.5水調統一調度管理系統
南水北調東線一期工程山東段水量調度系統利用“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。
結束語
在目前已經探索的應用場景中，數字孿生技術能爲泵站的恆水位控制提供調參依據，數字孿生技術的應用也標誌着 “ 信息水利 ” 向 “ 智慧水利 ” 邁出了關鍵一步。在大數據、雲計算、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。