基于數(shù)字孿生的泵閘群自動化調(diào)度系統(tǒng)研究

鄭安琪，Sikandar shah，梁 健

（揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

自進(jìn)入21 世紀(jì)以來，信息技術(shù)正在經(jīng)歷爆炸式的發(fā)展，改變了人們的生活方式。信息物理系統(tǒng)使用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在現(xiàn)實(shí)與虛擬之間創(chuàng)建了橋梁，通過使用數(shù)字孿生技術(shù)搭建由傳感器、發(fā)送器、云計(jì)算平臺等設(shè)備組成的數(shù)字孿生平臺，進(jìn)一步推進(jìn)了水利工程自動化向智能化、信息化、數(shù)字化發(fā)展。

隨著5G 時代的到來，無線通信系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，信息的采集與管理不再僅僅依靠人力管理，無線網(wǎng)絡(luò)提高了信息傳遞的效率。在數(shù)字孿生平臺中，無線通信技術(shù)大大提升了各層之間數(shù)據(jù)的傳輸效率。

未來，水利行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)現(xiàn)把水利工程自動化計(jì)算機(jī)測控技術(shù)與信息技術(shù)進(jìn)行有效融合，進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)水利工程信息化系統(tǒng)的弊端，提升水利工程精細(xì)化管理與科學(xué)化管理水平。本研究選擇了采用數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin Technology）進(jìn)行泵閘群的數(shù)據(jù)采集與仿真，這項(xiàng)技術(shù)能夠大大推動泵閘群的自動化、信息化和精細(xì)化管理，進(jìn)一步完善預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案等功能，實(shí)現(xiàn)流域治理管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，加快新階段智慧水利的高質(zhì)量建設(shè)[1]。

1 數(shù)字孿生平臺

2002 年，美國密歇根大學(xué)教授Michael Grieves 博士提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體概念”，能夠?qū)崿F(xiàn)物理空間在虛擬數(shù)字空間交互映射[2]。近些年來，隨著水利泵閘自動化工程的不斷建設(shè)和改造，我國也逐漸將發(fā)展泵閘群的自動化控制技術(shù)列為發(fā)展重心。目前，我國在圩區(qū)排澇集中控制調(diào)度智能化方面的應(yīng)用研究還是十分不足的，且由于泵閘站配套管理落后、泵閘站間信息傳遞效率低等問題，導(dǎo)致流域內(nèi)管理人員無法及時做出合適的決策方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日益普及，信息的采集與管理不斷向智能化發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)開始被應(yīng)用于一些流域內(nèi)排澇的自動化控制工程中，有效地提高了流域內(nèi)泵閘群設(shè)備的運(yùn)行效率以及安全性。

數(shù)字孿生技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)4.0 的重要技術(shù)手段，綜合了數(shù)據(jù)感知、運(yùn)算和建模等技術(shù)，能夠精準(zhǔn)分析泵站、閘門的物理狀態(tài)，構(gòu)建與其完全相同的數(shù)字模型，同時能夠監(jiān)控流域內(nèi)流量、流速、水位等重要運(yùn)行狀態(tài)，采集實(shí)時數(shù)據(jù)不斷完善數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的泵閘群運(yùn)行提供更精確的決策，實(shí)現(xiàn)了描述、診斷、預(yù)測和決策，如圖1 所示[3]。將數(shù)字孿生技術(shù)與相關(guān)流域的規(guī)劃、水資源調(diào)度管理、水旱災(zāi)害防御及當(dāng)?shù)卣叩认嘟Y(jié)合建立流域數(shù)字孿生模型，解決泵閘群的最優(yōu)調(diào)度決策問題，推動我國水利工程向智慧化發(fā)展，合理利用水資源，改善了水生態(tài)環(huán)境。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，以“一中心多模塊”的設(shè)計(jì)將業(yè)務(wù)功能模塊耦合集成，實(shí)現(xiàn)各模塊系統(tǒng)功能動態(tài)組合，其框架結(jié)構(gòu)如圖2 所示，滿足了各模塊功能完善形成閉環(huán)，使得該系統(tǒng)具有完備性、可擴(kuò)展性、兼容性和重用性[4]。通過搭建泵閘群的數(shù)字孿生平臺，將物理空間的泵閘群映射到數(shù)字空間，幫助管理人員進(jìn)行調(diào)度決策和異常報警，達(dá)到提升泵閘群自動化調(diào)度的智能化水平的目的，推進(jìn)了智慧水利的建設(shè)，構(gòu)建安全監(jiān)測、生產(chǎn)運(yùn)營管理、巡查管護(hù)、綜合決策支持應(yīng)用體系[5]，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等功能。

圖2 泵閘群“一中心多模塊”框架

本設(shè)計(jì)構(gòu)建的泵閘群自動化調(diào)度系統(tǒng)將以上技術(shù)手段分為了5 個層次，分別為感知層、設(shè)施層、數(shù)據(jù)處理層、平臺服務(wù)層和應(yīng)用層，其流程為傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過感知層傳輸至設(shè)施層，再通過數(shù)據(jù)庫、云數(shù)據(jù)等平臺送至數(shù)據(jù)處理層，經(jīng)過不斷地分析、處理及動態(tài)建模后傳輸?shù)狡脚_服務(wù)層展示結(jié)果，最后進(jìn)入應(yīng)用層。

3 泵閘群數(shù)字孿生工程構(gòu)建

目前，全國大部分泵站、閘門都比較分散，地理位置較為偏僻，且多通過人工巡檢方式進(jìn)行啟停泵閘，此方式不僅效率低下，當(dāng)遇到澇災(zāi)時危險系數(shù)也非常高。在水利工程中，泵閘群是十分重要的水工建筑物，控制著流域內(nèi)水資源的調(diào)配。因此，在智慧水利工程中需要實(shí)時監(jiān)測泵站、閘門附近的水流量、水位等數(shù)據(jù)，及時與泵閘的安全邊界做對比，分析泵閘的運(yùn)行態(tài)勢，以便更快速、合理地應(yīng)對流域內(nèi)供水需求與澇期洪水等突發(fā)情況，保障設(shè)備及周圍居民的安全。以揚(yáng)州市江都區(qū)通南高沙區(qū)為例，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建泵閘群自動化調(diào)度的數(shù)字孿生工程（圖3）。

圖3 通南高沙區(qū)泵閘群分布

3.1 感知層

數(shù)據(jù)感知層是指水利自動化系統(tǒng)建立的“空天地內(nèi)”監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，包含北斗三代技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影、地基雷達(dá)及傳感器等設(shè)備。首先，在通南高沙區(qū)流域內(nèi)設(shè)置足夠多的智能傳感器實(shí)時收集泵閘群的水位、水質(zhì)、流量及雨量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后搭建流媒體視頻監(jiān)控平臺，建設(shè)自動監(jiān)測站和水文站網(wǎng)，同時利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、遙感技術(shù)獲取通南高沙區(qū)內(nèi)泵閘群周圍的地形地貌信息構(gòu)建三維模型[6]，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)將所獲得的地形數(shù)據(jù)上傳至設(shè)施層，幫助實(shí)時監(jiān)測泵閘群的運(yùn)行狀態(tài)，是健全物理感知體系的基礎(chǔ)。

3.2 設(shè)施層

技術(shù)設(shè)施層主要包括安全防護(hù)、云存儲、云計(jì)算及通信等技術(shù)。在該層中，使用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將全部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更快、更可靠、高同步地上傳并接入云存儲服務(wù)器和云計(jì)算平臺，初步建立通南高沙區(qū)信息共享交換平臺，提高了泵閘基礎(chǔ)信息采集的自動化率，為整個系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)流動的安全保障，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)各水文站、水質(zhì)站數(shù)據(jù)實(shí)時共享，提高信息采集自動化率，等待后續(xù)處理。

3.3 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理是指系統(tǒng)對采集到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并整理分類，運(yùn)用多種方式整理異常數(shù)據(jù)，確保上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時充分利用通南高沙區(qū)的地形地貌、泵閘BIM 模型、地面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)合流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的數(shù)據(jù)可視化效果。

數(shù)字孿生系統(tǒng)將根據(jù)上層傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行智慧水利動態(tài)建模。1943 年，心理學(xué)家McCulloch 和數(shù)學(xué)家Pitts 合作提出了形式神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型[7]。數(shù)字孿生平臺應(yīng)用的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在非線性系統(tǒng)辨識和控制、故障檢測、決策優(yōu)化等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，能夠幫助數(shù)字孿生平臺進(jìn)行模型的動態(tài)迭代和優(yōu)化，其模型如圖4 所示。

圖4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典模型

其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入模式為x=（x1，x2，…，xn）T，輸出模式為y=（y1，y2，…，yh）T，隱含層包含h 個單元，輸出層包含m 個單元，它們的輸出為z=（z1，z2，…，zm）T，目標(biāo)輸出為t=（t1，t2，…，tm）T，且隱含層到輸出層的傳遞函數(shù)為f，輸出層的傳遞函數(shù)為g

式中：yj為隱含層第j個神經(jīng)元的輸出；wij為從神經(jīng)元j到神經(jīng)元i的連接權(quán)值，當(dāng)i=0 時，w0j=θ，x0=-1；θ為一個閾值；zk為輸出層第k 個神經(jīng)元的輸出，此時實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出的誤差ε為

其中，為了減小ε，需要調(diào)整權(quán)值

式中：η 為一個步長。因此

隱含層到輸出層的權(quán)值調(diào)整迭代公式為

輸入層到隱含層的權(quán)值調(diào)整迭代公式為

系統(tǒng)將處理好的數(shù)據(jù)不斷輸入，經(jīng)過無數(shù)次迭代調(diào)整，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出z=（z1，z2，…，zm）T與目標(biāo)輸出t=（t1，t2，…，tm）T的誤差會逐漸減小，直至無限趨近于0，不斷調(diào)整系統(tǒng)輸出模型，實(shí)現(xiàn)智慧水利動態(tài)建模。

3.4 平臺服務(wù)層

該層主要是提供處理后的數(shù)據(jù)及相關(guān)服務(wù)，將泵閘群的數(shù)據(jù)統(tǒng)一展示，同時進(jìn)行泵閘運(yùn)態(tài)安全檢測，建成了通南高沙區(qū)流域模型管理與可視化數(shù)字孿生服務(wù)平臺。提供了流域工程及監(jiān)測模型服務(wù)管理功能。同時整合共享流域內(nèi)知識平臺，為上層水利業(yè)務(wù)智能應(yīng)用的知識積累、經(jīng)驗(yàn)提煉和分析研判等提供數(shù)據(jù)支撐，提升調(diào)度決策的準(zhǔn)確性。

3.5 應(yīng)用層

該層是數(shù)字孿生平臺中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的重要一步，建立了泵閘群的數(shù)字模型，構(gòu)建的動態(tài)模型如圖5所示。該平臺利用了泵閘實(shí)時數(shù)據(jù)、動態(tài)建模等技術(shù)提升數(shù)據(jù)處理能力，同時擁有數(shù)據(jù)可視化、運(yùn)行態(tài)勢感知、綜合分析方案、應(yīng)急措施等功能，提供通南高沙區(qū)流域執(zhí)法監(jiān)管應(yīng)用和水資源保護(hù)與監(jiān)管應(yīng)用、水利工程管理應(yīng)用和流域數(shù)字規(guī)劃等應(yīng)用功能。

圖5 閘門數(shù)字模型

4 結(jié)束語

在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)蓬勃發(fā)展的時代背景下，數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛運(yùn)用于水利工程中，指明了我國水利的發(fā)展方向，推動我國水利工程發(fā)展從“信息水利”向“智慧水利”跨越，提供了新理論和新技術(shù)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的數(shù)字孿生技術(shù)研究仍處于發(fā)展階段，數(shù)字化水平較低，但在國家政策的推進(jìn)下，基礎(chǔ)設(shè)施升級加快，為我國企業(yè)自動化、信息化、數(shù)字化提供了巨大的支持，為數(shù)字孿生技術(shù)在企業(yè)賦能提供了更多可能性。本文以數(shù)字孿生為中心，展示了構(gòu)建一套邏輯清晰的智慧水利框架體系的流程，并將該體系應(yīng)用于泵閘群數(shù)字孿生工程加以探索。然而，我國對于數(shù)字孿生技術(shù)的研究還處于較為初級的階段，所監(jiān)測的流域數(shù)據(jù)還較為片面，還需要專家們進(jìn)一步投入研究，真正實(shí)現(xiàn)智慧水利工程應(yīng)用。