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数字孪生赋能南水北调中线高质量发展

来源:中国水利
2023/11/28 9:04:3436888
  【智慧城市网 企业关注】数字孪生水网是国家水网建设的重要内容,也是推动新阶段水利高质量发展的重要标志之一。作为数字孪生水利工程建设先行先试项目之一,数字孪生南水北调中线建设涉及线路长、专业广、复杂程度高、协调难度大,2023年以来,各有关单位通力协作、密切配合,围绕安全监管、智能调度、水质保护、智能运维等业务需求,初步建成数字孪生南水北调中线一期1.0版。
 
  在水利部统一领导和组织协调下,中国南水北调集团高位推进、周密部署,将先行先试工作列入重要议事日程,加快推进数字孪生南水北调建设,助力南水北调后续工程高质量发展。中国南水北调集团中线有限公司(以下简称中线公司),强化统筹谋划,加强组织协同,成立了数字孪生南水北调中线建设领导小组,公司董事长、总经理牵头挂帅,构建了自上而下、协同推进的数字孪生中线建管体系,建立了周调度、月会商等工作机制,明确任务分工、时间节点,实行清单管理、挂图作战,全面提升工程建设和运行管理数字化、网络化、智能化水平,着力打造引调水工程的数字孪生示范和样板。
 
  自中线工程通水以来,中线公司积极推进信息化建设,加快布局物联网、人工智能、云计算大数据等新一代信息技术的应用,已形成覆盖工程安全、供水安全、水质安全和企业经营管理等各业务领域的信息化体系,积累了大量的监测及运行管理数据,为数字孪生建设奠定了良好基础。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总体要求,数字孪生南水北调中线一期1.0版选取穿黄工程、惠南庄泵站为重点并兼顾典型渠段和建筑物,聚焦延长工程安全风险预见期、提高输水调度方案优化决策水平、提升安全应急事件处置能力、降低工程运行能耗成本等关键业务目标,从实用、好用、管用的角度,全面强化预报、预警、预演、预案功能,切实增强南水北调“三个安全”保障能力。
 
  安全监管更加精准
 
  数字孪生,基础在“数”。中线工程沿线共布设安全监测仪器设施10万余支(套),安装视频安防摄像机1万余台,布设水位计、超声波流量计、雨情监测站、左排水位监测站等1200余个,构建了较为完善的工程安全业务系统,实现了安全风险发现、上报、处理、消缺的闭环管理,形成了大量的基础数据、监测数据和业务管理数据。
 
  如何用好这些庞杂而丰富的数据是关键。数字孪生南水北调中线一期1.0版在“中线一张图”基础上筑牢统一的数据底板,重点关注中线工程安全监管以及交叉河道、左排洪水对中线工程安全的影响,系统覆盖示范段和先行先试段的工程安全监测告警信息以及流域的气象预报信息,基于数理统计模型、有限元分析模型及洪水预报、演进模型,初步形成了多模型耦合体系,对各类工程结构安全及洪水风险进行预警,并支持多工况预演、匹配预案。
 
  针对河南郑州“7·20”特大暴雨灾害,开展从“降雨—产流—水库调蓄—洪水演进”的全过程模拟,计算突发暴雨洪水到达南水北调中线工程交叉断面时的水情情况,给出预警提示,并推荐处置措施,可复盘总结防洪处置经验。一线管理人员表示,用算法和数据可“再现”洪水,动态识别洪水范围和速度等演进信息,有效支撑防洪度汛精准化决策。
 
  输水调度更加智能
 
  数字孪生,核心在“算”。构建南水北调中线智能调度业务场景是数字孪生南水北调中线建设的重要任务之一。通过接入全线水情数据、冰情实时监测数据,对供水运行状态进行实时监视预警。基于河渠水动力学模型,实现中线总干渠恒定流与非恒定流状态的输水调度模拟,为常态情景及应急场景下供水方案调算以及闸群联调指令制定提供支撑。基于河冰动力学模型对京石段217公里范围内18座巡查站点寒潮场景下水温、冰凌进行预报预警。
 
  中线公司调度人员介绍:“现在通过这个平台可以便捷地对渠道输水能力进行评估,只需要输入预设的输水工况和计算区间,平台会调用恒定流模型计算区间内各断面的流量和水位,还能根据超加大水位的位置对调度方案进行动态调整,这项功能对日常调水工作效率提升作用很大!”
 
  数字孪生平台可以结合智慧化模拟,制定不同工况下的预案措施,为供水安全提供智慧化决策支持。在应急防汛或其他应急工况中,常常需要在短时间内大幅度调整流量。如今,平台的非恒定流计算功能可支持开展应急响应状况下的输水调度模拟,为闸群联调指令的制定提供了决策支撑。
 
  水质保障更加敏捷
 
  数字孪生,重点在“预”。数字孪生南水北调中线建设基于已建的水质“监测—预警—调控”决策支持综合管理平台,构建水质保护业务场景,动态掌握中线水质监测现状及未来发展趋势,实现以不同渠段、不同污染物为输入的中线工程污染物扩散模拟,以及应急调控举措在数字化场景中的仿真再现。
 
  数字孪生平台集成中线13座水质监测自动站、30个固定监测断面等各种水质指标实时数据,实现了全线水质多参数监测告警。基于一维水动力水质模型,耦合大数据预测模型,实现全线水质9项指标未来7天的预报预警。针对典型渠段,可驱动突发污染物输移扩散模型进行水污染扩散的复现和预演,并推荐应急响应预案。
 
  为更好保障水质安全,水质专员可利用水质保护模块,辅助开展突发水污染事件桌面推演。在河南分公司桌面推演现场,接到郑州管理处事故模拟情况的现场报告后,水质专员在平台输入污染物相关信息,调用污染物输移扩散模型,即可模拟污染物扩散过程。看着大屏幕上的信息,水质专员说:“通过数字孪生平台的构建,实现了示范段内污染物入渠后的污染扩散情况的快速模拟,并迅速给出处置建议,大大提升了应急响应速度。”
 
  运行维护更加高效
 
  数字孪生,创新在“用”。通过利用AI、大数据、物联网、地理信息等技术构建智能运维业务场景,数字孪生南水北调中线实现了供电、机电金结等设备运行及风险状态趋势性分析研判,能够主动性、计划性和预防性地提出运行维护建议,大大降低设备运行风险,提升设备运行的安全可靠性。
 
  以数字孪生惠南庄泵站为试点,基于泵站设备综合风险分析及劣化分析模型,依托在泵站机组安装的440余个振动传感器、温度传感器、水压传感器、流量计、转速传感器,实时评估、预测关键设备的运行状态,为维护人员提供动态维护建议。基于金属结构风险分析模型,实现在闸门运作过程中对闸门运行风险实时监测预测。集成视频智能识别模型,辅助日常水位监视,并为惠南庄泵站园区安防管理提供有力支撑。基于泵站经济运行模型,以节能降耗为目标对泵站运行方案进行优化,生成绿色低碳优化方案。
 
  数字孪生南水北调中线建设是一项系统工程,责任重大、使命光荣。中国南水北调集团高度重视,加强统筹协调,在数字孪生水利相关规程规范的指导下,按照“统筹规划、示范引领,整合共享、集约建设,融合创新、先进实用,整体防护、安全可靠”的要求,以“整合、强基、提升、赋能”为导向,高质量推进数字孪生南水北调中线建设,为全面提升国家水网安全保障能力提供有力支撑。

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