随着我国水利事业的高速进步和发展，高坝、水库不断涌现，在防洪、水资源配置、发电、航运等各方面发挥着重要作用。然而，由于水利工程的结构特殊，随着大坝规模的不断扩大，工程安全和运维管理问题日益凸显。数字孪生技术以大坝数字孪生模型为切入点，以可视化、辅助决策等关键技术和AI摄像机、无人船等先进设备赋能现代大坝建设管理安全、高效运转。并搭建统一工作平台，打通业务系统间信息流与数据流，实现水利系统数字化、协同化管理。
一、数字孪生技术
1.数字孪生技术
数字孪生概念在很早就由美国密歇根大学的Grieves教授在产品全生命管理课程中提出。随着相关技术和科学认知的发展，数字孪生技术逐渐被定义为具有数据连接和特定物理实体或过程的数字化表达，以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，以数据驱动力为核心模拟物理实体在现实环境中的行为。
数字孪生通常包括现实世界的物理实体、虚拟世界的数字模型以及二者之间的交互连接。通过对物理实体进行数字化建模，可以在虚拟环境中进行仿真和分析，以实现对现实世界的精准控制和优化。
2.数字孪生大坝
数字孪生大坝是利用数字孪生技术对大坝进行数字化建模，实现实时监测、智能分析和预测等功能的智能化大坝。通过在大坝系统中植入传感器和监测设备，可以实时采集大坝运行数据，并将其反馈到数字孪生系统中。数字孪生系统通过自主学习、分析和预测等手段对大坝进行管理，例如对水位、温度等数据进行预警和监控，以做出更好的维护和管理决策。数字孪生大坝的应用不仅可以提高大坝的安全系数，降低运营成本，同时减少大坝建造和维护的时间。
二、数字孪生大坝关键技术和作用
1.数据采集与实时监控
坝区数据采集涵盖了丰富的信息，包括流域水文数据、库区气象数据、坝体及基岩的变形监测数据、渗流监测数据以及应力应变监测数据等。数字孪生大坝具备实时采集这些数据的能力，通过传感器和监测设备，将数据传输至数据中心进行存储和处理，确保数据的连续性和完整性。通过实时的监控和数据分析，数字孪生大坝能够及时发现异常情况，为保障大坝的安全稳定运行提供有力支持。
此外，统一的数据中心还能整合坝区各部分已建立的信息化系统，实现统一的平台工作和认证机制，促进各部门之间的协同工作开展，提高整体运营效率。
2.自动巡检与远程控制
坝在传统的坝区及相关流域巡检工作中，人工巡检是主要的依赖方式。然而，这种巡检方式受限于天气等环境因素，并伴随着一定的安全风险。此外，巡检效率、巡检范围和问题发现的时效性也存在着一定的局限性。
数字孪生大坝则结合了无人船、无人机、AI摄像头和传感器等先进设备，实现了对坝区及相关流域的“全天候、全时空”的自动巡检。这不仅扩大了巡检范围，还克服了人工难以抵达的偏远地区和高陡边坡等区域的限制。更重要的是，数字孪生系统能够实时映射现实坝区系统，通过物联网和自动化设备实现对坝区设备的远程控制。当发现问题时，系统能够及时发出告警并进行调控，极大地提升了问题处理的效率。
3.深度仿真与模拟预警
数字孪生大坝利用先进的计算机模型，对大坝的运行状态进行深度仿真模拟。通过实时采集的坝区数据，模型能够以图形化的方式展示大坝的实时运行形态，并提供各类告警事件、关键运行数据等信息，全面展现水库的工情和管理情况，从而帮助管理人员迅速掌握关键信息，实现坝区全域的“可视化”运营管理。
此外，数字孪生大坝还利用算法和模型对大坝的未来状态进行推演预测。在可能出现险情的情况下，系统能够提前发出预警，为应对措施提供宝贵的时间，从而有效避免灾难性事故的发生。
4.数据分析与决策支持
数字孪生大坝通过对采集的数据进行深度分析，为决策者提供了科学依据。基于大坝安全诊断模型、洪水预测预报模型、溃坝模型、水污染动力模型以及无人船水质评价模型等，数字孪生大坝搭建了智慧水库运维决策模型体系。这一体系为大坝的安全状态分析、洪水调度决策和水质管理提供了有力支撑，促使传统的经验决策向科学决策转变。
此外，统一的数字孪生水利系统还可以对管理人员的工作进行量化考核。通过对水库运行管理工作进行业务场景深度分析，数字孪生水利系统能够挖掘出水库运行管理工作的考核指标。并建立水库运行管理工作考核体系的层次结构模型以及评分模型。通过量化考核方式，数字孪生水利系统能够更准确地评估管理工作的效果，提升水库运行管理的效率和质量。
数字孪生大坝综合运用数字孪生、物联网、人工智能等尖端技术，为水库大坝及周边流域的监测与治理工作提供了强大的技术后盾。它实现了远程、实时的三维可视化管理工作，极大提升了水利设施运营的效率和精度。更进一步地，通过深度挖掘历史数据，我们可以构建更为精准的预测模型，真正实现“追溯过去、感知现在、预测未来”的目标。
