基于数字孪生和BIM技术实现闸站智慧化管理的应用及研究

基于数字孪生和BIM技术实现闸站智慧化管理的应用及研究摘要：数字孪生平台是实现数字化特型和数字经济发展的重要技术手段，模拟仿真引擎作为其模型平台的主要构成部分，已经在交通、电力、智慧城市等诸多行业须域中都得到了广泛应用和高速发展。在水利行业中，利用模拟仿真引擎以及三维可视化技术对流域和水利工程中各涉水要素进行虚拟仿真模拟，但闸站BIM技术研究较少。在此基础上，本文针对如何利用模拟仿真技术在数字孪生闸站工程建设和运维中利用BIM技术实现智慧化管理进行全面性的分析和研究，了解相关方面的一些实际情况，为未来闸站智慧化管理技术的进一步发展奠定良好的基础。关键词：数字孪生技术；智慧化管理；BIM技术一、研究意义、必要性苏州乌桥港闸站工程位于江苏省苏州市吴中区东山镇，是太湖流域重要的水利枢纽工程之一。其主要功能是调节太湖水位，保障周边地区的防洪和供水安全。工程主要包括船闸、引洪堤、引水涵、溢洪道、岸墙等建筑物和设施。乌桥港闸站工程的建设使得太湖水位得以调控，提高了周边地区的防洪和供水能力，也为当地经济发展和交通运输提供了支持和保障。水利枢纽承担着区域调水、灌溉调配、防洪排涝、河道整治和安全航运等方面的重任，乌桥港对于作为调节太湖水位的重要枢纽工程，河湖面水位变化导致闸泵站上下游水位差变化复杂，闸泵站机组往往启停频繁，频繁开停机也对设备使用寿命造成一定影响，同时也会造成其他的设备故障或事故，对机组安全运行不利。因此，结合闸泵站运行安全、设施管理、数字孪生建设要求，迫切需要对闸泵站的安全运行、科学运行、精细管理相关技术进行研究和应用。目前闸站水文监测、运行控制、视频监控、基础信息管理、巡检运维管理等方面都有较为成熟的技术和应用案例，水利部、江苏省在闸泵站设计、建设、管理、运行、维护等方面都有较为明确的建设要求。但是在闸泵站多源异构监控、监测信息集成，机电设备健康与安全诊断，闸泵站BIM精细化模型构建及场景化仿真模拟等方面的技术研究和应用案例相对较少。水利部发布了《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》、《数字孪生流域可视化模型规范（试行）》、《关于推进水利工程标准化管理的指导意见》、《水利工程标准化管理评价办法》等相关技术规范、文件，其中对闸站等水利工程数字底板、可视化模型、智慧化管理等提出了明确要求，需要持续加大物联感知、数字孪生、预警预报、智能分析、精细管控等技术研究力度，促进闸泵站管理提升和进步。本项目主要是围绕闸站多源异构监控、监测信息集成、机电设备健康与安全诊断、神经网络大数据分析、闸站BIM精细化模型构建及场景化仿真模拟等方面开展技术研究和应用示范，通过该项目可以为闸站设施的物联感知信息集成、精细化设施设备建模及轻量化处理、运行设备健康诊断和安全预警、场景化模拟仿真预演等提供技术支撑，并通过在乌桥港闸泵站的示范，为苏州市、江苏省各级闸泵站探索标准化、智慧化管理实现路径。二、国内外研究现状数字孪生也称为虚拟数字产品或数字双胞胎，该概念最早是源于2003年Grieves教授在密歇根大学的产品生命周期管理课程上提出的与“物理产品等价的虚拟数字化表达”思想。水利工程领域结合数字孪生的研究和应用相对较晚，W.RobertStephenson等利用数字孪生技术建立水资源管理模型，提高了水资源管理的智能化和高效化。AlfonsoCapurro等基于数字孪生技术对水电站进行数字孪生仿真，以及对水库调度进行数字孪生模拟。OluwaseunOyebode等通过数字孪生技术建立水资源管理模型，达到水资源优化配置的应用。朱术伟等利用数字孪生技术对水利水电工程进行建模和仿真，从而对水电站调度进行预测和优化。中国水利水电科学研究院联合中国科学院计算研究所等机构，共同开展了数字孪生水利工程的研究和应用。当前，物联网、GIS、BIM等技术在水务工程运维管理中具有一定的研究基础和应用案例，吴建刚在新沂河沭阳枢纽工程中基于IoT技术将采集感知的闸门开度信号、电气信号、上下游水位信号、视频监控等数据集成至工程运维管理应用系统中，实现覆盖调度监控、运维管理、安全评估、通信预警等业务的信息化管理。杨建峰等以通吕运河水利枢纽工程为例研究了BIM技术在水利工程运维管理中的应用，并通过搭建数字化工程管理平合实现在线监测、设备台账、视频监控、报警管理、维修养护等业务线上管理。三、主要研究内容项目主要研究内容包括以下四个方面：监测多源异构数据集成技术研究。通过对乌桥港闸站工程的水位、流量、工况、通信、网络、供电、视频等实时监测数据，工程建筑物、工程管理和保护范围倾斜摄影、闸泵工程设施BIM模型、GIS空间数据、运行管理业务数据等监测数据、矢量数据、业务数据、文本文件、图片视频等多媒体数据的接入、收集和处理，采用空间坐标转换、数据格式调整以及属性编码对应等方法，将多源、多尺度、多时空的管理数据集成在一起，形成数据中台，完成空间位置、图形形状和属性内容的统一，对相关的数据进行修改和更新，最终达到了数据一致性处理的目的，实现了真正意义上的多源异构数据融合。闸站工程健康诊断及安全监测预警模型研究。主要研究适合乌桥港闸站安全稳定运行的传感器选型和布置，对机组进行测试与诊断，进行故障机理分析，评价机组运行状态，提出指导运行的建议。基于BIM+AR+GIS闸泵场景化运行仿真模拟预演技术研究。基于乌桥港闸站工程机组设施BIM模型、工程外部三维模型、GIS地理信息系统，实现闸站可视化管理，实现闸站环境、设备、运行状态的仿真漫游、应急预案处理、人员培训以及数据可视化管理,加强闸站设备巡视、操控的模拟训练；利用AR增强现实技术将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成。基于数字孪生引擎的智能管理平台建设，初步实现“四预”功能。利用数字孪生场景构建、场景效果渲染等引擎建设智能管理平台，实现日夜、天气、四季、闸站开关、淹没分析、自主巡检等多种场景可视化展现；结合闸站工程基础知识库资料和水文水动力模型，实现模拟仿真及“预演”和“预案”功能。四、拟解决的关键问题多源异构数据标准化处理技术。针对实时监测、业务管理、空间地理、多媒体等结构化数据、半结构化数据和非结构化数据研究整合集成方案，满足乌桥港闸站工程数据“实时、轻量、多源、异构”处理需求；智慧管理技术。实现闸站工况、环境、状态、元素数据实时监测，基于水文水动力模型、神经网络大数据分析算法的“预警”、“预报”功能；结合闸站工程基础知识库资料和水文水动力模型，实现模拟仿真及“预演”和“预案”功能；巡检运维、设备全生命周期管理、应急处置等业务的融合方式，应用功能设计，技术选型等；闸站知识资料收集和利用。收集、构建工程调度运用规则、工程防洪预案、工程安全知识、专家经验、历史典型洪水等动态优化、实时更新的知识资料库，为闸站“四预”功能及决策提供智慧支撑；构建闸站机组健康诊断和安全预警模型系统。针对闸站机组特点，研究闸站机组测试的采集、处理与故障诊断专家算法，实现故障诊断、提前预警；故障机理分析。分析故障原因形成、故障发生的过程、故障发生的部位、故障在系统中的传递、故障产生的后果、故障表现形式和特征及故障发展趋势,建立合理的故障模式。五、结语江苏作为一个沿海省份，水运交通发达，拥有大量的水利枢纽工程，占全国大中型闸站总数的约1/4左右。如果江苏先行一步，率先建立一套闸站标准化、精细化、智慧化管理规范并推广应用到全国的大中型闸站，将为闸站的安全运行提供先进的技术保障，并可产生显著的直接与间接经济效益，使我国大中型排灌工程、城乡供水工程和改善生态工程等方面的建设与管理工作上一新台阶。参考文献：[1]赵洪丽、马吉刚、郭江.智慧水利泵闸