2023基于数值仿真与数字孪生的大坝健康管理技术导则

基于数值仿真与数字孪生的大坝健康管理技术导则目 次前言 I范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1缩略语 2建设内容 2参考架构 3技术要求 4PAGEPAGE3PAGEPAGE2基于数值仿真与数字孪生的大坝健康管理技术导则范围本文件规定了基于数值仿真与数字孪生的大坝健康管理技术导则（以下简称数字孪生大坝健康管理）的术语和定义、缩略语、建设内容、参考架构与技术要求。本文件适用于拱坝、重力坝、支墩坝、土石坝等大坝的健康管理领域。规范性引用文件件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T22239 信息安全技术网络安全等级保护基本要求GB/T24734.4 4部分：设计模型要求术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1数字孪生digitaltwin性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界，形成高保真的动态多维/多尺度/为观察物理世界，认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界改造物理世界提供了一种有效手段。3.2大坝健康管理damhealthmanagement大坝健康管理是利用大坝基础信息、监测数据等全要素来实现大坝健康状态的评估和管理。3.3数值仿真numericalsimulation通过数值计算方法，结合有限元或有限容积的概念，实现对工程问题和物理现象的仿真。3.4有限元法finiteelementmethod统的数值分析方法。缩略语下列缩略语适用于本文件。GIS：地理信息系统（GeographicInformationSystem）HPC：高性能计算机群（HighPerformanceComputing）建设内容数字孪生大坝健康管理是以大坝基础信息、监测数据、数据服务等的多维度数据为支撑，以高性GIS的实时感知、虚实交互与智能服务。1所示。信息录入与设备位置录入。括：多维度数据标准化集成融合，实时数据监测、分析与告警，统计分析深度挖掘数据规律。状况，包括：监测数据由点及面覆盖，界面直观展现大坝整体状况和预测极端天气大坝状况。图1数字孪生大坝健康管理建设内容关系示意图参考架构数字孪生大坝健康管理参考架构分为算力与基础设施层、算据层、算法层、服务层和应用层五个2所示。数字孪生大坝健康管理参考架构各层的技术描述。力，以及采集监测设备需要用到的各种监测、传输及相关设备，为大坝健康管理提供硬件支撑。融合、管理和存储，为有限元仿真分析和数据分析提供数据支持。中有限元分析模型包括静力学分析模型、动力学分析模型和热力学分析模型。进技术，提供标准化的服务能力，构筑系统的数据和业务中台。达到水利数字化要求。图2数字孪生大坝健康管理参考架构示意图技术要求算力与基础设施层高性能服务集群高性能服务器集群用于处理海量数据，支撑仿真分析和数据分析的高算力的需求。高性能服务器集群应包含管理存储节点、HPC计算节点和万兆交换机等设备；应支持任务提交功能，允许根据前处理参数，提交有限元计算任务，并完成计算分析；询调度、先进先出、独占调度、抢占式调度等多种调度策略。监测系统根据大坝的实际情况，部署相应的监测系统，进行动态监测数据的采集。监测系统应包含监测设备，数据通讯模块以及太阳能供电系统等设备；30s；500ms。算据层大坝基础信息大坝基础信息应包括但不限于大坝的基本介绍、地理信息、设计数据与监测设备位置信息。主管单位等信息和大坝的图片；地理信息包括但不限于大坝所在的省份、流域、河流；设计数据包括但不限于设计图纸、设计报告。监测数据上的位置信息。监测数据应包括但不限于气温、水位、表面变形、内部变形、扬压力/渗压、渗流/体温度与应力应变。数据服务数据服务应包括数据治理、数据融合、数据管理与数据存储。数据治理据统一格式化处理，支撑数据快捷融合。数据治理一般性要求：异常值处理等；效反馈。数据融合交互及不同终端交互。数据融合的一般性要求：形成以测点数据为基础的全空间、全要素、全过程、一体化的时空数据体系；运行数据及物理对象之间的关系数据等。数据管理据管理的一般性要求：进行海量多源异构数据资源的按需汇聚、统一存储、统一管理与统一维护；其他类型数据；建设一套完整的数据分类体系，为数据的规划、组织和存储提供依据。数据存储数据存储保证数据分层分类安全存储，一般性要求包括：隔离，身份鉴别、访问控制等技术支撑逻辑存储系统的安全管理；数字孪生系统，访问操作系统中的数据、文件、目录等资源；统一的数据备份与恢复技术工具，通过证书进行身份认证，非授权用户不能访问备份数据。算法层仿真分析模型仿真模型应包括静力分析模型、动力学分析模型和热力学分析模型等。GB/T24734.4的规定。失和冗余。关键环节的仿真模拟，为大坝建造过程以及运行期大坝结构状态的监测提供依据。证。大坝运行期的结构仿真应对库水骤升骤降、洪水台风天、日照辐射等工况进行实时可视化结结果全面、真实地展示大坝运行期的结构状态。仿真输出形式一般应包括表格、图形、文本文档、视频、模型、动画、三维模型与仿真文件等。大坝仿真分析模型数据应能支持预演、预案的应用。数据分析模型大坝健康管理的数据分析支持综合水位、温度与时效的数据模型。大坝位移数据包括水位分量、季节分量与时效位移分量。大坝安全分析中采用水压分量表征水压对坝体、基础等结构影响后引起的变形。大坝安全分析中采用季节分量表征环境中周期性变化的因子（包括温度）坝体内部物理场的影响。变化，土石坝坝体与坝基渗流等因素导致的大坝随时间变化的非弹性变形。大坝数据分析模型数据应能支持预报、预警、预案的应用。服务层仿真分析服务仿真分析服务可获得大坝任意位置的预测数据。能力。提供虚拟测点功能，可以查看大坝任意位置的仿真结果。状况下大坝的健康状态。仿真分析的结果，至少包括表面变形、坝体温度与应力应变等。500015min。数据分析服务数据分析服务运用历史监测数据，总结大坝位移的变化规律，得出大坝安全状态的置信区间预警信息。数据分析服务涉及至少包括表面变形、渗流、扬压力/渗透压等数据类型。预警应至少包含三个级别，并分别制定对应的应急预案。三维渲染可视化服务三维渲染可视化服务将实景模型与仿真模型进行融合，并将其进行可视化。具备大坝周边实景和仿真模型融合展示的能力，基本反映物理时间真实状况。5s。数据同化服务来改善模型状态的估计精度，提高模型预测能力。具备对仿真分析进行数据同化的能力。50次，并且初值范围应在设计值的±50%以内。应用层统一技术架构与标准，实现数字孪生大坝与大坝实体交互的精准性、同步性与及时性。预报中期与长期等不同预见期的情况。30天。选。预警值范围。设置报警处置机制，实现闭环管理。针对预警不同要素与不同量级，应规范相应预警信息的定义、术语、图示和描述等。预警等级由低至高依次划分，并与相关预案、应急响应规程相协调。预演参证分析。分析，并将最新资料实时滚动纳入模型参数确定。WE