数字孪生技术在水利水电工程地质的应用.pdfVIP

数字孪生技术在水利水电工程地质的应

用

摘要：随着我国经济的快速发展，水利水电工程也得到了发展，在水利水电

施工过程中，地质勘察生产阶段涉及比较复杂的流程，对工程质量要求较高。数

字孪生是一种数字化表示，可以将虚拟与现实融为一体，有利于实现物理空间与

虚拟空间的相互连接。详细论述了水利水电工程地质中对数字孪生技术的有效应

用，旨在可以为行业人士提供有价值的参考和借鉴，进而为水利事业的稳健发展

贡献一份应有之力。

关键词：数字孪生技术；水利水电；工程地质；应用

引言

水利水电工程地质勘察生产阶段涉及比较复杂的流程，对工程质量要求较高。

目前，在勘察工程阶段还采用传统的工作方法，通常采用二维图纸进行生产，采

用此种生产模式，不仅会消耗大量的人力物力，同时还会使工作流程混乱，不利

于管理，信息化流程较低。数字孪生是一种数字化表示，可以将虚拟与现实融为

一体，有利于实现物理空间与虚拟空间的相互连接。数字孪生技术最早出现在美

国，应用于健康维护和保障。

1数字孪生技术

数字孪生（DigitalTwin,DT）技术是在2000年左右为了解决工程问题而被

提出的，并被逐渐认为是实现智能制造和工业4.0最具有发展空间与需求的先进

技术之一。从2017年开始，在Gartner每年发布的“十大战略技术趋势”的报

告中，“数字孪生”就一直位列榜单。其以真实状态的物理模型为基础，在虚拟

空间中利用计算机语言进行模型搭建以及数据分析，有效地将生活中的可视化现

象与虚拟进行结合，将监视数据与机器学习算法进行结合，形成了从数据层面的

可操作性能力。

数字孪生技术原其主要包含3个部分：反应真实空间中的物理产品、虚拟空

间中的虚拟模型以及将两者联系在一起的数据纽带。来自真实空间的数据将被实

时收集，通过通信链接发送给虚拟模型，交由其处理。调整后的信息或者过程将

被发送回现实空间，用于决策支持，从而形成了闭环的控制。相比于其他数字化

系统，数字孪生系统具有的优势主要体现在：（1）现实与虚拟模型相互独立，

使孪生虚拟空间具有一定的鲁棒性；（2）独立的虚拟空间可以提供现实空间无

法实现的模拟场景；（3）由数据纽带相互连接的两个空间，为实时数据的交互

提供了基础；（4）具有与虚拟空间交互的能力；（5）模块化的架构与数据存储

能力，为大数据应用与智能化算法模块提供了框架基础。这些优势极大地响应了

目前电网中场景模拟、远动操作、无人巡检等需求，因此各研究开始探索数字孪

生技术在电网工程中的应用。

2数字孪生应用关键技术

2.1三维可视化技术

将三维地形、要素图层、CAD数据、物联网信息、导航信息、融合多源精细

化3D模型，包括传统手工建模、矢量批量建模、点云模型、BIM模型、倾斜摄影

测量模型等数据整合进三维可视化平台中，搭建全要素可视化三维场景，实现水

上水下、室内室外、山田河湖草沙一体化管理，可以快速实现对三维场景内对象

和动作的控制，将各种传统纸质预案实现数字化、可视化、科学化管理。

2.2智能分析预警技术

工程安全智能分析预警需要从水利枢纽工程自身结构健康、工程运行健康、

功能健康、运行管理健康等方面，系统分析研究枢纽工程自身及远控运行过程中

的安全评价体系。通过梳理水利枢纽防洪调度、日常调度、水环境调度、应急调

度等水利业务应用，记录各应用场景下水利枢纽智慧远控过程中水利工程自身结

构健康、工程运行健康、功能健康、运行管理健康等评估指标的短期与长期变化

情况，在数据整合的基础上通过无监督的聚合或有监督训练和拟合等机器学习过

程，形成辅助支撑模型，实现工程安全智能分析预警。

3数字孪生技术在水利水电工程中的应用

3.1三维数字化采集

工程地质目前，在分析水利水电工程地质阶段，分析方法多种多样，信息化

技术应用逐渐广泛。其中GPS、平板电脑等软件、硬件与新技术相互结合，应用

在地质勘测的行业中。通过建立地质三维数字化采集系统，有利于更加精准地采

集数据。通过对大数据资源的综合利用，结合地质专家的预判，使地质数据价值

得以挖掘，有利于提升工作效率，同时工程地质内外一体化也得以实现。工程地

质内外业一体化，包含先内业后外业的方式。先内业是指利用相关软件以及参考

资料来分析三维实景模型。通过采集基本地图，提取出野外地质的相关内容。后

外业是指利用移动软件，分析野外现场，从而对调查的内容