Digital twin technology empowers the management path of water conservancy engineering construction

Abstract: In recent years, with the rapid development of cutting-edge science such as the Internet of Things, big data, and AI, advanced information science methods have been used to establish digital platforms in river basins and water resource management systems, promoting the transformation of water conservancy engineering towards intelligence. During the 14th Five Year Plan period, the main task of smart water conservancy projects is to establish a digital water management platform for key rivers. This article takes this as the research object, hoping to achieve better development in this field.

Keywords: Digital twin; Water conservancy engineering construction; Realistic dilemmas; Manage Paths

数字孪生技术，将各项互联网信息技术及衍生创新技术进行运用于水利工程全域管理的全面整合，通过搭建数字化平台的方式来形成，水域管理和数字化虚拟映射多维合一的现代化产业深度融合。该系统的主要作业在于对所管理流域内各项信息的全面仿真模拟，诸如气温预测、水文变化、降雨大小等重要信息，这是自然环境通过数字化的重现。除此之外，数字化水利工程技术还能够实现河道全流域各个分段的区域化监管，通过动态化的数字监管来及时掌握各类信息情况，以便捷高效的方式进行科学完善的管理。数字孪生技术在水利工程运用上的主要难度在于如何解决数字化信息技术、水利工程建设、水文情况监测等多个专业流乐于的结合，这种结合并不是普通的专业学术交叉，而是不同领域的深度融合。

1数字孪生赋能水利工程建设管理的现实困境

2.1数据支撑能力不足

观察数据收集发现在数字双胞胎系统里，每一个数字单元的内部信息共享途径并未达到当前的科学技术要求。由于水利工程的构成要素众多，收集各个构成要素的数据是一项挑战，而且有些构成要素甚至无法实现数字展示。在当前的数字化工程建设及监管环境里，数字技术的水资源管理体系需要借助像是传感、数据、云计算、智能这样的设备与科学技术的支持。在全天候的观察、风险的自动预测、以及智能的大规模信息收集与数据分析的自动化运用方面，现有技术实践经验和资源还远远不够。现代化的智能科技推动了一些水利项目的遥感监测收集体系的构建，还是有许多的水利项目在数据检查等领域存在显著的不足，目前的检测、传递以及管理手段已经陈旧，检测的类型并不齐全，检测的分布也不均匀，这些都无法完全满足智能化水利改进的需求。

2.2水利工程建设缺乏规范政策

伴随着数字化技术和数字化平台的广泛运用，其延伸的数字化经济也在不断发展，数字领域的科技已经对当前的社会架构和模式带来了巨大的冲击。因此，政府部门应当积极把握技术发展潮流，转变政府工作模式、工作职责，通过更先进的制度化建设来强化技术支撑政务服务的良好发展机制。以构建并优化适应数字化技术运用的制度改革为发力点，以点带面实现国家重点河道水情全方位管理，从而最大限度地发挥数字孪生在传统水利工程发展创新中的强大推动作用，在中国的现代化脚步不断提速的背景下，水利工程必须积极做出顺应时代发展的调整。目前，相关的制度建设的完善，这限制了数字孪生赋能水利工程的进步，需要加大政策支持，许多水利工程建设领域还在初步尝试运用数字孪生技术，而关于如何利用这项技术推动水利工程建设的政策扶持还需要更多的努力。由于尚未出台专门的法律条例或者行业政策来指导数字孪生的具体运用方式，这可能会导致水利工程领域的数字孪生技术运用面临某些挑战。

2.3存在多方面安全问题

就在我国现有的大数据保护层面来看，在水利设施流域的的信息化安全问题是一个严峻的考验，各大重要河道流域更是被诸多黑客势力所紧盯。随着数字化衍生技术的广泛使用，以及数字化管理平台在各个行业的广泛建立，需要促进本流领域发展的各种部分以及信息系统都在逐渐整合，这在某种程度上突破了传统工业界的封闭性以及对数据安全的信任。同样也意味着所整合的数字资源越多，面临着的数字化风险越大，数字化平台在运行过程中所发生的任何数据泄露、数据被篡改、数据系统被攻击等情况都会事由发生。失真的数据即会导致决策层出现决策依据的不准确，也会导致后续引发的一系列连锁问题。

 观察当前的大数据保护技术以及各类数据泄露问题，在进行数字化平台搭建时要增强水利工程的底层保护技术。在数字化安全保障的问题上，水利工程的弱点显而易见，尤其是在对抗数据攻击的紧急处置环节，其安全科学的储备相对较少，缺乏被业界广泛接受的第三方独立的检验机构对其在所有的科学技术服务过程中的合规性进行审查与评估，以及提供正规的审查报告。另外，针对已经制定好的安全事故的全面跟踪、即时侦查、精确的危机预警以及迅速应对的方法，尚且处于初级阶段，还需花费大量的时间去推动技术的进步和升级。

2.4需要投融资体制改革

数字孪生科技拥有两种独特的软件和硬件结构，这就意味着必须整合使用多种金融和财务手段，从而使得数字技术在水利工程建设的金融和财务管理上变得更为繁琐。在水利工程的建设中，数字孪生技术的应用并非只限于硬件设备的搭建，比如说水利的信息化基础设备和水利服务网络的搭建，同时也涵盖了对软件设备的技术升级。在资金投入下，物质特征的差异会直观地决定投资方法、参与者、投入周期等，所以，关于数字孪生科技的筹款方法就显得相当繁琐。另外，数字孪生科学技术和水利项目的深入整合必须根据不同的科学方法，才能应用到所有的筹款方法。

3数字孪生赋能水利工程建设管理的技术路径探索

3.1水利工程数字化映射实现智能感知与信息监测

在进行水利工程的规划与运营时，涵盖了从项目的搭建、管理的配合到预防与监督的全部步骤，所有这些都是为了实现对于重要河道全流域全天候动态管理。数字化技术的先进在于具备实时追踪和链接多源异构信息的特性，它能够对个体、设备、物品和环境四大要素进行深度的感知融合。在整个水利工程的策划过程中，可以充分利用数字及数字衍生技术的各类水文单位信息转换功能，从而实现智能化的监控和信息的互动。

借助于分发的现存资料可以使遍布整个水利项目区的智能收集设施，来实时收集并规范化包括河流、湖泊、水电站、水源、管线、通路、阀门、泵站在内的基本信息以及地理位置的数据。通过运用虚拟现实科技与仿真设备创造出虚拟的数字投影，从而在信息层面上准确地描述和转换实物，构筑一个包含所有元素、所有实物、所有过程的双重数字模型，通过及时的修改和提升这个模型，以实现智能的感知。

3.2水利工程建设管理体系实现统一协调、高效管理

在实施重点河道全流域水文、水利管理的过程中，技术部门通过采用数字孪生技术来汇总并管理所有与水利项目相关的信息，以实现对全方位数字化决策和信息化管理。数字化技术的综合运用能力主要凸显在可以结合仿真模拟技术，通过编辑底层代码、创建架构来开展水利工程单位的数字化仿真模拟，在汛期和干旱期能够更早的获取信息要素、制定应对政策。动态化的气候、水文模拟预测则需要大规模的数据技术和数据整理，因此，水利工程单位在人才技术上要引进大量高技术人才来结合实际水文情况编写算法，制作辅助河道水利工程管理的数字化模型。

3.3水利工程运维管理体系实现综合管理、高效防控

模型与数据构成了数字双生技术的关键，其中的主要任务在于预测、警告以及智能决策。通过运用这种技术创建包含工程知识、业务规定、应急计划、以及安全等内容的综合性管理系统，以便对水利项目的数据进行实时的分析，以应对各种突发状况，同时也可以立即给出预警以及相应的决策指导，从而显著地提高了水利项目的科学性与智能性。

依据环境和其他边缘状况，数字化管理平台能够自动地评估水利工程管理的全生命周期需求，进而实现对水利工程管理的按需自动化控制，以实现工程效益的最大化。通过使用数字技术构造的虚拟映像场景，配合已有的视觉模型与模拟仿真工具，水利工程单位的水文监管部门技术组会定期对模型进行修改与改进，以提升图像的质量，同时也能够加强模拟的效果。此类手段具备对水利项目的灾难模拟以及协助决策的功能，能高效地执行水利项目的紧急图像化管理。

3.4水利工程基础设施建设实现数字化、网络化、智能化

a.数字化过程涉及到对诸如文字、图片这样的真实信息，通过编码并在存储和传递之后进行处理，然后才能被运用。数字双生技术所提供的虚拟环境和水利模型库，都是这种数字化的明显表征。这种方法有助于水利项目的有效运营，并且能够协助我们对灾难的模拟、预测和决策过程做出准确的模拟。积极推行水利项目的数字化，能够促使其更上层次的优质成长，从而真正地增强其建筑品质。

b.通过数字双胞胎科技能够使得水利项目的基本设备网络化。而水利工程的各个模块则是网络的一种扩张和发展。通过运用数字科学把区块化的水利工程功能区连接到虚拟的网络中，从而向水利工程师传递想要的水利信息。数字孪生科技所赋予的水利项目全面管理模型和监控系统，就是其在网络上的实际展示。这些水利基础设备可以借助其溢出效益来驱动整个科学技术的发展，从而刺激经济的扩张。而这些水利基础设备的网络化则更进一步地加强了这种溢出效益。

c.通过数字双胞胎科技，可以将水利工程的基本设备变得更加智能。这种变革体现了信息产品的高质量特征，而达到这一目标的关键在于开发和应用人工智能。目前，依赖于大规模的数据，采用数字算法和模型作为科学方法，并借助其高效的运算能力，已经成为当前水利工程建设和管理的主流方向。

4总结

通过数字孪生技术的应用，可以看到一个全新的水利工程发展路径，通过实际与虚拟数据的交叉应用，可以显著增强管理者在掌握、评估、预见、改进以及协助决策等各个环节的科学性与准确度，这对于提高水利工程的管理品质与效益以及在推动水利工程智慧化同样起着关键的作用。

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作者简介： 叶克军（1989-）男，安徽安庆人，工程师，本科，研究方向：水利建设管理。