基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺研究

梁志開，江志明，李甘，吳剛

摘要：隨著數字孿生水利工程的建設需求不斷增長，對數字孿生在設備運維領域的研究受到廣泛關注。為了研究基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理體系，詳細闡述了基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺設計方案與架構，并從數據管理、模型構建、仿真模擬、設備孿生體等方面詳細闡述了該平臺數字孿生相關的關鍵技術。結果表明：實現機電設備運維狀態的感知、分析、預測，對提高機電設備運維可靠性、保障電站安全運行具有重要意義，對其他水利工程機電設備智慧運維管理具有一定參考價值。

關鍵詞：智慧水利； 水利機電設備； 數字孿生； 智慧運維平臺

中圖法分類號：TP315文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.020

文章編號：1006-0081（2023）09-0116-07

0引言

數字孿生技術充分利用物理模型、傳感器實時更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期過程［1］。具體來講，數字孿生以數字化形式在虛擬空間構建一個與物理世界相一致的虛擬模型，通過物聯感知、大數據、人工智能等技術，實現對物理世界場景的虛實對應、精準映射、協同交互、智能推演［2-3］。數字孿生技術在工業產品、電力系統、智慧城市等領域已建立了相對成熟的技術體系與初步應用，但在水利行業尚處于起步階段。

水利部于2021年底開始陸續頒布了一系列數字孿生水利建設的政策文件，明確了智慧水利是新時期推進水利高質量發展的6條實施路徑之一，應按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構建數字孿生流域為核心，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案（簡稱“四預”）功能的智慧水利體系，為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強力驅動。

生產運營智慧管理是數字孿生水利工程建設業務應用的重要內容之一，而水利工程機電設備智慧運維是支撐生產運營智慧管理的重要環節?；跀底謱\生水利工程機電設備智慧運維的新發展方向，集成了多學科、多尺度、超高保真的數字孿生模型，能反映物理設備的幾何特征、物理性質、動態相互作用和演化機制，提高了全因素預測維護決策的實時感知能力。目前，對數字孿生在設備運維領域的研究尚處于起步階段，基于數字孿生的水利工程機電設備智慧運維是數字孿生水利工程建設的研究熱點［4］。

本文提出了基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺設計方案、總體架構與技術架構，并重點闡述數據管理、模型構建、仿真模擬、設備孿生體等數字孿生相關關鍵技術，實現了機電設備運行狀態的感知、分析、預測，對提高機電設備運維可靠性、保障電站安全運行具有重要意義［5］。

1管理平臺設計

基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺以具體應用需求為目標，基于數字孿生相關關鍵技術，通過構建物理空間與數字空間之間的閉環數據交換通道，實現數字空間和水利機電設備物理空間的虛實客觀映射，在數字空間對物理設備的運維實時狀態進行呈現，并對歷史狀態進行記錄?；谄錉顟B的映射和記錄，面向具體運維需求，對物理空間的活動進行分析決策支持或閉環控制，并支持設備物理實體與數字孿生系統的雙向迭代優化。

基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺依托傳感器感知與反饋控制通路，根據水利機電設備運維真實數據的反饋控制指令，實現物理實體與虛擬數字孿生體的精準映射、交互融合和智能反饋控制。同時，物理空間和數字空間的功能又可在機電設備運維過程中進行持續改進迭代升級［6］。

1.1總體架構

基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺總體架構主要分為數據源、數據接入層、數據層、組件層、應用層5個部分，圖1為平臺總體架構。

（1） 數據源。主要用于多源異構孿生體的匯集，數據來源包括工業互聯網平臺、大數據平臺、現有模型、新建模型、異構三維模型?；跀底謱\生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺橫向關聯水利各專業、縱向貫通水利全業務，實現各部門、各專業分散建設的設備數字孿生匯集。這些孿生體來源分散、結構多樣、體量巨大。匯集的主要任務是對模型、屬性、關聯關系等數字孿生核心要素進行整合。

（2） 數據接入層。實現數據格式的歸一化與校驗，校驗內容包括模型歸屬類別、唯一性、完整性、元數據、模型預覽等。

（3） 數據層。用于實現基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺的核心數據管理。數字孿生管理平臺通過數據匯集搭建孿生體模型數據中心，實現多維度、跨專業、格式歸一化的孿生體數據集中存儲與管理，通過模型唯一識別碼實體ID關聯數據中心的各類業務和感知數據及映射關系，服務于后期孿生體的復用。同時，模型數據庫的搭建沿用數據中心的建設技術框架，為后期數據中心整合和擴展提供技術準備。

（4） 組件層。用于提供基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺的核心業務應用支撐服務，基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺應用服務能力，以統一目錄體系、可視化展示、空間坐標配準、屬性編輯、場景組合、數據檢索等基本的管理組件作為支撐，基于一系列組件技術實現數據、模型、信息管理以及相關工作業務管理，為平臺業務應用提供基礎支撐功能。

（5） 應用層。搭建平臺的基本應用功能，用于實現基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺的各項具體應用，實現孿生體上傳入庫、在庫管理和出庫共享分發等環節功能。

1.2技術架構

基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺的技術架構，主要分為部署環境、數據層技術、支撐層技術和服務層微服務架構、網關層技術、應用層技術等主要技術環節，以此支撐多樣的孿生體應用，如圖2所示。

（1） 部署環境。主要包括基于虛擬器、容器架構、專用網絡和負載均衡設備進行的部署安裝，實現在水利工程體系下兼容與適配。

（2） 數據層。在數據接入方面，采用ETL數據中間件的方式完成數據的集成過程，采用關系型數據庫、NoSql數據庫、對象存儲服務和分布式文件存儲系統等方式進行數據的混合存儲。在數據分析與計算方面，為滿足孿生體海量空間與非空間數據計算的性能需求，采用分布式計算架構進行設計。

（3） 支撐層。用于對平臺應用與數據操作進行技術支撐。數據轉換工具為定制開發的用于多源數據歸一化的工具軟件，完成多類三維數據的歸一化處理。而三維轉換插件則是針對BIM，OSGB等特殊三維格式的專業化、輕量化、結構化轉換插件，可將BIM輕量化為通用三維格式，將OSGB結構化為OBJ格式，從而適配更多的三維平臺。

（4） 服務層。采用微服務架構進行實現，兼顧擴展性、容錯性、技術選型靈活、開發運維效率等因素。微服務架構是將原本單一進程拆分為多個進程服務，且相互之間存在調用關系，又能獨立部署運行的松耦合架構，便于服務的穩定、擴展和維護，可以更好支撐數字孿生多種多樣的應用需求。

（5） 網關層。主要包括負載均衡、緩存、限流、降級、熔斷等相關數字孿生共享服務網關技術，以支撐數字孿生平臺業務應用。

（6） 應用層。主要包括支撐水利機電設備孿生體配置、調用、變更、運維等應用實現的相關技術。

2關鍵技術

2.1多源異構數據庫構建技術

數據是支撐數字孿生水利工程進行模擬仿真和決策的依據與基礎，數據質量與管理水平將直接影響到數字孿生系統的建設成功與否。

目前，中國水利行業除水文水情數據有行業通用的標準規范外，其他水利工程子系統均沒有通用的數據格式行業標準，針對水利工程各系統開展異構數據模型的研究，包括異構數據的數據內容、數據格式、接口規范等信息系統建設數據要素，促進工程數據信息共享與整合。明確數據采集對象，建立數據的采集、傳輸和存儲機制，建立水利數據元標準與數據交換格式標準，根據通用標準，制定滿足特定業務數據需求的專用標準與規范。

基于多源異構數據庫的數字孿生水利工程采用異構數據庫系統集成了多個相關數據庫系統，可以實現數據的共享和透明訪問，實現不同數據庫之間的數據信息資源、硬件設備資源和人力資源的合并和共享，從而有效解決了數據孤島問題，為數字孿生水利工程業務應用打下堅實基礎［7］。

異構數據庫系統與各信息子系統信息交換拓撲結構如圖3所示。各信息子系統向異構數據庫推送實時信息的交換流程包括：

（1） 異構數據庫發起業務請求；

（2） 分發樞紐校驗用戶名和密碼的正確性；

（3） 分發樞紐校驗通過后，將業務請求轉發給信息系統平臺；

（4） 信息系統進行用戶有效性校驗；

（5） 信息系統進行業務處理；

（6） 信息系統將業務處理的消息返回給分發樞紐；

（7） 分發樞紐將消息的處理結果返回給異構數據庫。

基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺數據架構，主要分為數據連接、數據映射、孿生模型和數據決策等主要數據模塊，以此連接物理與孿生空間的對象數據，如圖4所示。

（1） 數據連接。包括基于大數據平臺實現數據的采集感知與反饋控制。

（2） 數據映射。包括數據互聯、信息互通與模型互操作等功能模塊，功能模塊之間可進行交互，從而實現數據、信息、模型的管理。

（3） 孿生模型。包括模型的構建、融合、修正與驗證。

（4） 數據決策。包括對數據決策應用的描述、診斷、預測與處置等。

2.2“數據+知識+模型”驅動建模技術

數字孿生建模技術根據模型更新機理可分為基于數據驅動、基于知識驅動、基于模型驅動的3類建模技術。① 數據驅動建模技術：基于底層數據分析，無需知識和模型建立，通用性強、適用性廣；② 知識驅動建模技術：基于中層機理規律，無需精確建模，適用于原理知識成熟場景；③ 模型驅動建模技術：基于上層現有模型，需現有模型已知，適用于模型成熟場景。水電站機電設備運維往往是多源異構數據、多物理場耦合、運維機理模型不全的復雜場景，可采用“數據驅動+知識驅動+模型驅動”相結合的建模方式［8］。

基于數據驅動的建模采用深度學習、強化學習等機器學習算法以及受生物啟發的各類演化計算方法?；谀Ｐ?知識驅動的建模面向特定應用領域的規則知識、人在回路的操作經驗知識以及已有模型與算法知識等。數據、知識、模型驅動建模的優缺點如圖5所示。

通過“數據+知識+模型”驅動建模技術，構建機電設備運維全視域及全聲域孿生模型，原理如圖6所示，數據、知識、模型驅動建模從不同的技術場景與維度，豐富和完善了機電設備全視域與全聲域孿生模型，提高了模型精確度與完整性，“數據+知識+模型”驅動建模技術既作為數字孿生模型的支撐，也接受孿生模型應用反饋并不斷修正與完善，形成建模與應用的良性自循環。

2.3多物理場耦合有限元仿真技術

隨著科技發展，水利工程運維場景以及機電設備結構越來越復雜，各機電設備運維系統由復雜的圖4基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺數據架構多物理場耦聯系統組成，設備在運行中受到電、磁、熱、力及流體等多物理場的耦合作用，影響的運維場景包括水輪發電機組轉子振動、母線溫升、電抗器振動噪聲、開關柜發熱故障等多場耦合作用場景。多物理場耦合仿真可以更準確地反映物理實體真實的狀態和行為信息，擬實物理實體的功能和性能，提高數字孿生的擬實化程度及保真度，是數字孿生應用取得成功的關鍵因素。多物理場耦合有限元仿真技術在設備智慧運維管理平臺中的關鍵技術應用不僅包括構建多場耦合的數學計算模型，如電-磁-流-熱-力-聲-結構等多場耦合數學模型，而且還包括構建大規模并行有限元算法。

研究大規模并行有限元算法技術，是解決多物理場耦合仿真難題的有效途徑。穩定、可靠、快速、準確的數值計算方法是多物理場耦合求解的關鍵問題。新型并行算法的提出、多場耦合模型分解或局部等效、有限元計算網格與步長的自適應優化、均勻化理論等有限元數值技術的發展促進了多場耦合問題的解決。

數字孿生平臺實時監測物理實體的運維狀態，將多物理場監測量作為虛擬實體的一部分輸入，并借助多物理場耦合仿真模型計算得到各物理場分布，進而實現物理實體與虛擬數字體之間的數據映射和交互?；跀底謱\生平臺，可以進行實際數據與仿真數據的對比實驗，實現虛擬仿真與多物理場仿真校核［9］。

2.4設備數字孿生體構建技術

數字孿生是物理世界的數字化呈現，可通過構建設備設施數字孿生體來描述設備設施物理實體，對物理世界設備設施實體信息進行實時采集、運算分析、監控統計等，使得運行維護人員更精準地掌握設備設施動態變化，進而實現對實際設備設施運行過程的提效和降本目的［10］。

創建水利工程機電設備數字孿生體，需要實現添加孿生體、添加孿生節點、配置功能屬性、配置孿生規則、設置孿生體模板、添加數字映射、查看孿生體運行日志等操作，運行操作人員可在設備設施數字孿生體的數字孿生節點上配置物理模型屬性和孿生規則，通過數據映射能力，實現設備設施數字孿生體的系統管理，設備數字孿生體構建流程如圖7所示。設備數字孿生體構建涉及的關鍵技術包括以下兩部分。

（1） 階段式數字孿生體生成技術。水利機電設備構建數字孿生體的過程分為建模與仿真兩個階段。建模階段將待建立數字孿生體的設備物理實體拆解成各種基礎組件，逐層分級組合成水利機電設備數字孿生體標準模型。仿真階段則是基于構建好的三維數字模型，結合結構、熱學、電磁、流體等物理規律和機理，計算、分析和預測物理實體的未來狀態，從而建立水利機電設備數字孿生體內部和孿生體之間的關聯關系。最終的數字孿生體由1個或多個單元級數字孿生體按層次和關聯關系逐級復合而成，從而實現數字孿生體的生成。

（2） 復合式數字孿生體信息模型庫。水利機電設備數字孿生體模型除了具有極強業務背景的水利機電設備數字孿生體標準模型以外，還包括OSGB，3DMAX，GLTF，revit，bently，catia，OBJ，FBX，3DS等模型。因此，實現兼容眾多模型格式就是數字孿生體管理系統的核心功能。在結構設計上，數字孿生體管理系統指定了水利機電設備基礎模型，對于其他格式的三維模型，首先通過格式導出工具標準化為水利機電設備標準基礎模型，如果不具備標準化條件的，轉化為通用三維格式OBJ。在具體實現過程中，采用關系型數據庫，用于存儲各類模型的基礎數據、專業數據、顯示圖形數據以及組件的編碼信息。同時支持存儲各領域的數據字典，用于解析專業數據含義。

3結論

本文詳細介紹了基于數字孿生技術的水利機電設備智慧運維管理平臺設計方案、總體架構與技術架構，并重點闡述了多源異構數據庫構建技術、“數據+知識+模型”驅動建模技術、多物理場耦合有限元仿真技術、設備數字孿生體構建技術，從數據管理、模型構建、仿真模擬、設備孿生體等方面介紹了水利機電設備智慧運維平臺數字孿生相關關鍵技術。實現機電設備運維狀態的感知、分析、預測，對提高機電設備運維可靠性、保障電站安全運行具有重要意義，可為其他水利工程機電設備智慧運維管理提供較好的示范與啟示意義。

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（編輯：李晗）

Research on intelligent operation and maintenance management platform of?hydraulic electromechanical equipment based on digital twin technology

LIANG Zhikai，JIANG Zhiming，LI Gan，WU Gang

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： With the growing construction demand of the digital twin water conservancy project，the research on the intelligent operation and maintenance management system of water conservancy electromechanical equipment based on the digital twin technology has gradually become one of the hot spots in the industry.To study of intelligent operation and maintenance and management system of hydraulic electromechanical equipment based on digital twin technology，the design scheme and architecture of the intelligent operation and maintenance management platform was described in detail，and the key technologies related to the digital twin of the intelligent operation and maintenance platform of hydraulic electromechanical equipment were introduced from the aspects of data management，model construction，simulation，equipment twins，etc.The results showed that the realization of sensing，analyzing and forecast was important to improve the reliability of the equipment and ensuring the safe operation of the station.It can provide a good demonstration and inspiration for the intelligent operation and maintenance management of other hydraulic engineering electromechanical equipment.

Key words： intelligent water conservancy； hydraulic electromechanical equipment； digital twins； intelligent operation and maintenance management platform