数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法。它包括水利工程及监测系统物理实体PE、水利工程及监测系统虚拟实体VE、孪生数据DD平台、孪生服务Ss以及孪生数据平台DD与水利工程及监测系统虚拟实体VE、水利工程及监测系统物理实体PE的连接CN；PE的感知数据，通过连接CN分别与VE、DD平台交互，从而支撑Ss；VE将感知数据推送给DD，且将仿真数据反馈给PE；DD将数据驱动分别反馈给PE、VE和Ss；Ss将服务数据反馈给DD平台，并与水利工程及监测系统物理实体和水利工程及监测系统虚拟实体通过连接交互反馈。本发明专利技术具实现水利工程的智能运行、精准管控和可靠运维的优点。精准管控和可靠运维的优点。精准管控和可靠运维的优点。

【技术实现步骤摘要】
数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法


[0001]本专利技术涉及一种数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法。

技术介绍

[0002]安全监测是水利工程运行安全管理的耳目，基础技术涉及工程测量、岩土力学、水工结构、计算机技术、自动化控制、数值分析与模拟等，随着人工智能、物联网、大数据、移动互联网、云计算和GIS+BIM等新兴技术的融合应用，安全监测逐渐发展为一个跨专业跨学科的综合性、智能化的系统工程，已成为智慧大坝全生命期运行安全管理的重要手段。
[0003]自从1891年德国的挨施巴赫重力坝开展了大坝位移观测以来，人类开始了对水坝运行安全监测的历史。我国从20世纪50年代开始进行安全监测工作，1964年前被称为大坝原型观测阶段；1964年
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1985年，由原型观测向安全监测的过度阶段；1985年以来全面进入安全监测阶段。1980年1月，四川龚咀水电站第一套大坝安全监测自动化采集装置——JCS
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1型大坝内部参数自动检测及计算机处理系统投入试运行，标志着我国开始了水利工程运行安全监测自动化的征程。随着1999年物联网技术以及新一代信息技术向监测自动化的渗透，已逐步推动安全监测迈向自动化、系统化发展。我国到80年代末实现了监测自动化遥测，90年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造，新建大坝具有功能更全的高水平监测系统。大坝监测自动化实现了运行期的数据采集、数据传输，数据管理与分析预警，完成了大坝安全监测系统一体化、自动化、数字化的发展。
[0004]目前，大坝安全监测信息管理系统的开发工作日益受到国内外的普遍重视，其中，引入人工智能技术以提高系统的结构化程度是一个发展趋势。如意大利开发的MISTRAL系统就是一个成功的应用实例，该系统采用专家系统技术对自动监测数据进行结构化处理以提高系统的应用水平。国内多家单位也在开展这方面的研制工作，特别是近十余年来三峡枢纽等大型水利工程安全监测系统的研发，大大推动了安全监测系统发展。监测数据分析模型从传统的统计模型、灰色模型等；到基于BIM和有限元的结构计算模型；基于机器学习的神经网络等智能算法模型等满足监测资料分析和研究大坝运行性态的需求，并使得大坝安全智能化监控成为可能。
[0005]传统的水利工程运行安全监测系统运行有三大环节，分别为数据采集、数据传输和数据分析，这三大环节分别构成了安全监测系统中的“感觉器官”、“传导神经”和“指挥中枢”。其运行过程中存在以下技术缺点：
[0006](1)埋设在水利工程内部的监测仪器传感器不能在系统中动态可视化表达，不利于仪器设备维护展示和监测数据分析；
[0007](2)监测数据采集传输过程不能可视化表达，不利于仪器设备维护；
[0008](3)监测数据管理与分析预警过程不能动态可视化表达，不利于运行安全管理与决策；
[0009](4)监测数据分析预警结果缺少快速有效反馈机制。
[0010]数字孪生概念在2003年问世以来，经过近20年的技术深耕，近年来开始爆发式的
应用于航空、智能建造等各个行业领域。类似物联网技术推动安全监测自动化向智能化发展一样，数字孪生必将进一步推动安全监测由智能化迈向更高层次的监测智慧化和监测大脑阶段。
[0011]2010年，美国国家航空航天局(NASA)在太空技术路线图中首次引入数字孪生概念，由于采用数字孪生实现飞行系统的全面诊断和预测功能，以保障在整个系统使用寿命期间实现持续安全地操作。2017年，美国范德堡大学构建了面向机翼健康监测数字孪生的动态贝叶斯网络，以预测裂纹增长的概率。ANSYS在2018年推出TwinBuilder平台，用于帮助用户在统一的工作流程中构建、验证和部署基于仿真的数字孪生体，实现工业资产的连接功能与整体系统仿真充分结合，从而开展诊断和故障排除工作，确定理想的维护程序，优化工业资产设备的性能，从中获得潜在的重要数据来推动产品革新。国内针对数字孪生的研究始于2017年，我国北航数字孪生技术研究团队陶飞等人首次将数字孪生技术引入到车间中，提出了数字孪生车间的概念，目的是实现车间信息与物理空间的实时交互与深度融合。使得数字孪生车间的各部分能够实现迭代运行与双向优化，从而达到车间管理、计划与控制的最优。2019年，蒋亚东等提出了数字孪生技术在水利工程运行管理当中应用的思想，重点分析了数字孪生技术应用在水利工程运行管理中的运行机制，提出相应的实施方案，对其应用过程中的关键技术进行了阐述。
[0012]因此，开发一种能解决传统的水利工程运行安全监测系统的埋设在水利工程内部的监测仪器传感器不能在系统中动态可视化表达，不利于仪器设备维护展示和监测数据分析，监测数据采集传输过程不能可视化表达，不利于仪器设备维护，监测数据管理与分析预警过程不能动态可视化表达，不利于运行安全管理与决策，监测数据分析预警结果缺少快速有效反馈机制等缺陷的数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法很有必要。

技术实现思路

[0013]本专利技术的第一目的是为了提供一种数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法，针对已有水利工程及监测系统物理实体(PE)的基础上，通过补充建设监测系统信息基础设施；创建水利工程运行安全监测系统数据底板；构建运行安全监测模型库和监测知识库；构建孪生数据(DD)平台，从而完成水利工程及监测系统虚拟实体(VE)的塔建，通过数字孪生数据(DD)平台与VE、PE以及数据驱动和服务数据的交互反馈(CN)，实现水利工程运行安全监测功能性服务和业务性服务(Ss)；可以对水利工程运行过程进行实时的监测、分析、预测、预警、预演、预案、诊断和决策，进而实现水利工程的智能运行、精准管控和可靠运维；解决传统的水利工程运行安全监测系统的埋设在水利工程内部的监测仪器传感器不能在系统中动态可视化表达，不利于仪器设备维护展示和监测数据分析，监测数据采集传输过程不能可视化表达，不利于仪器设备维护，监测数据管理与分析预警过程不能动态可视化表达，不利于运行安全管理与决策，监测数据分析预警结果缺少快速有效反馈机制等缺陷。
[0014]本专利技术的第二目的是为了提供数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，实现水利工程的智能运行、精准管控和可靠运维。
[0015]为了实现上述本专利技术的第一目的，本专利技术的技术方案为：数字孪生水利工程运行安全监测系统，其特征在于：包括水利工程及监测系统物理实体(PE)、水利工程及监测系统
虚拟实体(VE)、孪生数据(DD)平台、孪生服务(Ss)以及孪生数据(DD)平台与水利工程及监测系统虚拟实体VE、水利工程及监测系统物理实体PE的连接(CN)；
[0016]水利工程及监测系统物理实体(PE)的感知数据，通过连接(CN)分别与水利工程及监测系统虚拟实体(VE)、孪生数据(DD)平台交互，从而支撑孪生服务(Ss)；
[0017]水利工程及监测系统虚拟实体(VE)将感知数据推送给孪生数据(DD)平台，且将仿真数据反馈给水利工程及监测系统物理实体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.数字孪生水利工程运行安全监测系统，其特征在于：包括水利工程及监测系统物理实体、水利工程及监测系统虚拟实体、孪生数据平台、孪生服务以及孪生数据平台与水利工程及监测系统虚拟实体、水利工程及监测系统物理实体的连接；水利工程及监测系统物理实体的感知数据，通过连接分别与水利工程及监测系统虚拟实体、孪生数据平台交互，从而支撑孪生服务；水利工程及监测系统虚拟实体将感知数据推送给孪生数据平台，且将仿真数据反馈给水利工程及监测系统物理实体；孪生数据平台将数据驱动分别反馈给水利工程及监测系统物理实体、水利工程及监测系统虚拟实体和孪生服务；孪生服务将服务数据反馈给孪生数据平台，并与水利工程及监测系统物理实体和水利工程及监测系统虚拟实体通过连接交互反馈。2.根据权利要求1所述的数字孪生水利工程运行安全监测系统，其特征在于：水利工程及监测系统物理实体包括监测对象物理实体以及监测系统组成的物理空间；水利工程及监测系统虚拟实体包括水利工程及监测系统几何模型、水利工程物理模型、行为模型、规则模型；孪生数据平台包括水利工程及监测系统物理实体数据、水利工程及监测系统虚拟实体数据、孪生服务数据、知识数据和融合衍生数据；孪生服务包括功能性服务和业务性服务；孪生数据平台与水利工程及监测系统虚拟实体、水利工程及监测系统物理实体的连接包括水利工程及监测系统物理实体和孪生数据平台的交互、水利工程及监测系统物理实体和水利工程及监测系统虚拟实体的交互、水利工程及监测系统物理实体和孪生服务的交互、水利工程及监测系统虚拟实体和孪生数据平台的交互、水利工程及监测系统虚拟实体和孪生服务的交互、孪生服务和孪生数据平台的交互。3.数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：针对已有水利工程及监测系统物理实体的基础上，补充建设监测系统基础设施；步骤二：创建孪生数据平台的水利工程及监测系统数据底板；步骤三：构建运行水利工程及监测系统虚拟实体的安全监测模型库；步骤四：构建运行孪生数据平台的安全监测知识库；步骤五：搭建数字孪生数据平台；步骤六：孪生服务。4.根据权利要求3所述的数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，其特征在于：在步骤六中，孪生服务包括功能性服务和业务性服务；功能性服务包括采集控制、测点管理、数据管理、综合管理和系统管理，具体包括监测数据预处理计算、整理分析和管理服务，以及感知接入、数据采集、数据传输、接口和协议服务，水利工程运行安全注册登记服务和定期检查服务；专业性服务包括孪生数据管理、模型管理、知识管理、巡检管理和监测四预，专业性服务包括仪器设备埋设安装和观测方法视频服务，水利工程运行安全性态评价诊断服务，观测数据粗差和监测系统运行故障报警服务，利用智能组合模型实现大坝变形、渗流这些效
应量预测预报服务，利用预测值系列与预测预报平面或阈值比较分级预警服务，基于历史监测数据、实时映射数据和预测数据的仿真预演服务和信息异常报警触发监测系统加密观测预案响应服务。5.根据权利要求4所述的数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，其特征在于：在步骤五中，利用步骤二至五融合搭建水利工程运行安全监测系统数字孪生数据平台，并创建数字孪生引擎，用于驱动孪生数据、监测模型和监测知识；在步骤四中，构建运行孪生数据平台的安全监测知识库用于辅助水利工程运行安全分析评价和诊断；运行安全监测知识库包括对水利工程运行安全监测系统涉及的监测方案、监测知识、业务规则、标准规范、公开发表论文这些内容进行汇聚管理，通过数字孪生知识引擎与数字孪生模型引擎，共同驱动系统服务功能的实现。6.根据权利要求5所述的数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，其特征在于：监测方案包括各类监测仪器设备的观测方案；监测知识包括各类监测知识以及专家经验的汇聚；业务规则包括仪器埋设、数据采集、数据传输、数据管理、数据分析、预测预报和评价预警这些规则；标准规范包括现行规程规范、企业标准和作业指导书；发表论文包括有关水利工程运行安全监测管理方面的论文。7.根据权利要求6所述的数字孪生水利工程运行安全监测系统的运行方法，其特征在于：在步骤三中，运行水利工程及监测系统虚拟实体的安全监测模型库包括水利工程运行安全监测专业模型、智能算法模型和可视化模型；水利工程运行安全监测专业模型包括监测数据治理、分析、预测、预警、评价、诊断这些模型；智能算法模型包括水利工程运行安全监测数据智能算法模型和水利工程运行安全监测大数据智能分析模型；水利工程运行安全监测数据智能算法模型：建立基于神经网络模型、支持向量机模型、时间序列模型及其智能组合模型这些机器学习的智能算法模型，并实现分布式并行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李双平，刘祖强，张斌，郑敏，陈远瞩，程渭炎，史波，李永华，
申请(专利权)人：长江空间信息技术工程有限公司武汉，
类型：发明
国别省市：