[发明专利]数字孪生水利工程运行安全监测系统及运行方法

说明书

本发明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。本发明具实现水利工程的智能运行、精准管控和可靠运维的优点。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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-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-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。

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。

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：

(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；

(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；

(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；

(4)监测数据分析预警结果缺少快速有效反馈机制。

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。