数字孪生技术在大坝安全监测方面技术运用

1、数字孪生技术在大坝安全监测方面技术运用摘要：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。关键词：水库大坝；云服务平台；数字孪生；安全监控；安全管理引言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

2、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。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。中国已经在战略产业层面提出众多重大科技专项，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。1、大坝安全管理

3、的数字孪生技术1.1大坝安全数字孪生应用需求体系按国家、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

4、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。2、基于数字孪生技术的大坝施工智慧管理平台2.1平台基础架构大坝施工智慧管理的核心是业务协同与数据融合。本文建立的基于数字孪生技术的大坝施工智慧管理平台可依次分为基础数据接入层、数字孪生平台层、数据分析与服务层和人机交互层4个层级。每一层级的结构都建立于前面各个层级的基础之上，同时每一层级的功能实现都是对前面各个层级的丰富与拓展。(1)基础数据接入层。通过布设感知设备、智能技术

5、应用、无人机航测等方式建立大坝施工数据采集通道，根据数据的类型与形态特征定义数据采集频率、实时性、分析利用场景，完成数据获取。(2)数字孪生平台层。整合BIM模型与倾斜摄影模型、地形、影像、三维管线等多元空间数据构建数字孪生底座，利用大数据技术建立数据集成平台，完成接入数据的清洗转换和主题库专题库建设，通过数据与模型融合实现数据孪生映射。(3)数据分析与服务层。利用数据挖掘、深度学习、预测分析等不同数据分析引擎对数据进行分析挖掘，构建不同的业务模型的数据服务，满足上层应用需求。(4)人机交互层。基于数字孪生平台和数据分析与服务，建立高性能、高可靠的业务协同、孪生交互和智慧决策的人机交互应用，实

6、现大坝施工智慧化管理与决策。2.2微服务架构设计微服务架构是一种软件架构概念，核心思想在于将业务功能和需求分解到各个不同的服务中进行管理，实现对业务整体解耦。相较于传统的单体式架构模式，微服务架构中各业务服务可独立地开发、迭代、部署，业务功能具备更强的扩展性。大坝施工智慧管理平台需要为各参建单位提供一体化的业务协同应用服务和数字孪生可视化分析服务，涉及进度、质量、安全、投资、合同、文档、物资等多个协同管理业务和主体分析领域。采用微构架思想和领域建模将施工管理进行服务拆分，分别建立施工人员中心、合同中心、进度中心等多个微服务应用，建立基于springCloud系列框架的智慧施工管理统一的API网

7、关和统一配置中心，可最大限度地适配系统的标准性、开放性与可扩展性要求。3、数字化场景构建3.1要素数字化在数据底板建设基础上，针对具体应用场景，在不同时空分辨率、精细化粒度下，实现了对河网水系、小流域下垫面、水利工程的上下游、左右岸、干支流、工程体系、影响范围、经济社会要素等进行动态和实时数字化。具体内容包括：小流域河网水系和下垫面特征的数字化，采用卫星和无人机等遥感数据动态解译全流域下垫面及小流域基础属性数据（每年4期）；人类活动数字化，基于0.8m分辨率遥感影像，按年对堤防、闸坝、桥梁等防洪工程要素进行数字化，按季度数字化城东湖、姜塘湖、蒙洼、南润段、邱家湖等5个蓄滞洪区范围的845个庄台

8、分布数据及居民人口数据；监测站网数字化，对水雨情监测站网进行数字化，建立监测站网与小流域、模型计算单元的融合与关联，实现模型边界条件和输入条件数字化。3.2模拟可视化（1）场景可视化。针对多源、多维、多时空分辨率、不同坐标系数据，采用数据融合技术与细节层次区分LOD技术对淮河流域试点区域大范围影像、地形、河流、道路、建筑、工程、模型模拟结果等多对象进行三维可视化渲染，实现在不同分辨率等级和视角下采用不同精细程度的细节来展示同一场景，以提高场景的显示速度，实现实时显示和交互。（2）工程运行可视化。以空间数据库存储水泵、水闸等水利机电设备的空间位置及运行状态等信息，采用3DTiles格式存储和组织水利机电设备的三维模型文件，支撑大量复杂模型数据的流式传输和海量渲染，实时反映水利机电设备运行情况。（3）模型结果可视化。基于超大规模水文水动力学模拟与“可视化”示踪技术，实现了洪水流向、流速、流量模拟结果动态可视化。基于高时空分辨率流域下垫面、蓄滞洪区与城区地形等遥感影像、三维模型，结合二维水动力模型，实现洪涝灾害在漫溢、决口等情景下对蓄滞洪区、城区淹没的立体动态展示。结束语传统的信息展示方式已经不能满足新时期水库大坝监管需要，数字孪生技术为水利工程管理带来了新的展示方式，它具备全生命周期、实时