智慧水利理论体系与数字孪生流域虚拟模型研究成果述要

智慧水利是水利高质量发展的显著标志之一。围绕智慧水利理论体系不完善、流域映射精准度不高、模型精度不高、决策支撑程度低等问题,建立了由智慧流域基础理论、数字孪生流域基础理论和智能水网理论框架组成的智慧水利理论体系,研究了由数字孪生感知节点模型、数字孪生降水遥感模型、数字孪生蒸散发遥感模型、数字孪生土壤水遥感模型、数字孪生水体遥感模型、数字孪生地下水遥感模型、数字孪生水质遥感模型组成的数字孪生流域感知模型,构建了由数字孪生流域水文模型、数字孪生水动力水质模型、数字孪生动态调控模型、数字孪生虚拟仿真模型、数字孪生协同决策模型、数字孪生并行组合模型等组成的数字孪生流域虚拟模型。研究成果可为我国智慧水利建设提供理论基础和技术支撑。

数字孪生水利实践案例分析与创新思考

数字孪生水利建设是新阶段水利高质量发展的重要实施路径。概述了数字孪生水网、数字孪生流域、数字孪生工程发展建设基本情况,以数字孪生尼尔基和数字孪生嫩江为例,介绍了数字孪生工程和数字孪生流域建设的成果及技术创新。分析了当前数字孪生水利建设中存在的问题并提出发展建议,以期为加快构建数字孪生水利体系提供参考。

铁路智能客站数字孪生模型研究

铁路智能客站数字孪生模型是智能客站的重要组成部分,对于客运组织方案、设备配置及布局优化、安全应急等仿真具有重要意义。研究提出智能客站数字孪生五维模型,给出客站物理实体、客站数字孪生体、客站虚实连接、客站孪生数据、客站孪生体服务的内涵;设计客站孪生体服务的具体内容,包括可视化调度指挥、可视化监控运维等车站可视化服务,以及客运组织方案仿真、设备配置及布局优化模拟、安全应急仿真、环境舒适度调控仿真等模拟仿真服务;研究客站数字孪生体虚拟静模型与动行为模型建模关键技术。构建清河站数字孪生体并开展试验,验证可视化调度指挥、设备虚拟巡检、车站安全应急仿真等功能,实现清河站通过数字孪生体全面掌控车站状况。

数字孪生流域的基础模型、演化路径与评判准则

从数字孪生流域的底层构建逻辑、发展演化路径、成熟度评判准则等方面,将数字孪生理论技术与流域治理管理相结合开展了如下研究:①提出了由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成的数字孪生流域基础模型;②研究了数字孪生流域演化路径,包括流域数字感知、流域数字映射、流域数字认知、流域数字模型、流域数字投影、流域数字孪生;③研究了数字孪生流域评判准则,包括要素能透彻感知、映射能高度逼真、状态能精准预测、推演能拟实假设、现象能合理解释、虚实能动态交互;④提出了数字孪生流域建设应关注的重点。研究成果可为推动数字孪生流域(水网、水利工程、灌区)的科学建设、有序运行和健康发展提供指导和借鉴。

数字孪生技术人才培养探索

数字孪生是具有巨大颠覆性和快速突破性的数字化技术,正从新兴状态变得影响更广泛、更有深度,也对人才培养带来深刻的影响。数字孪生人才培养要以产业实际需求为导向,研究以制造业数字孪生技术应用场景为核心内容进行数字孪生课程设计与实训教育,从学科导向转变为产业需求导向,促进教育链、人才链与产业链的有机衔接。

数字孪生隧道工程智能监测实训教学平台的构建与应用——以云南交通职业技术学院为例

随着数字孪生技术在多领域的应用,其在隧道工程智能监测领域的潜力亦日益显现。本文以云南交通职业技术学院云岭隧道为案例,全面研究了数字孪生隧道工程智能监测实训教学平台的构建与应用,文中详细介绍了数字孪生技术在隧道监测中的具体应用,论述了数字孪生隧道监测系统的架构,案例研究证实了数字孪生技术应用于隧道监测的实际效果。

数字孪生体应用的权益保障省察及规范构建

数字孪生体作为虚拟与实体世界之间的桥梁,具有去物质化、时空压缩、实时动态、精准映射的特性,在航空航天、制造业、农业和教育等众多行业展现出巨大的潜力。数字孪生体应用引发了新的讨论,主要涉及数字孪生体的法律属性、产权界定、行为效力认定及监管标准的争议与分歧。虽然数字孪生体的应用促进了创新,但在权益保障方面仍面临诸多难题,包括对自由、公平与社会秩序的法律价值提出了新挑战,对人权保护构成潜在威胁,挑战了数据安全,拓宽了侵权空间等。应将“人本”法律价值融入数字孪生体法规中,策略性解构数据垄断问题,构建健全的数据隐私保护规则,适度认可数字孪生版权,将数字孪生技术的创新应用纳入法治轨道之中。

数字孪生技术在土木工程中的应用:综述与展望

随着工业4.0概念的发展,数字孪生技术(digital twin)已经成为智能制造和产品全寿命周期管理相关领域的主要数字化解决手段。在工程建设领域,提升土木工程结构数字化防灾能力和管理水平是未来智慧城市建设的重要环节。建立精确可靠的数字孪生模型,一方面,可以帮助实现工程灾害的精准防控和重大灾害事故的风险识别预警;另一方面,数字孪生也为未来城市的数字化建设和管理提供了技术基础。本文首先对数字孪生技术的基本概念和阶段性发展成果进行梳理,总结了在土木工程领域里孪生数据获取和构建数字孪生体的技术手段。最后,从结构运营评估、灾害仿真推演和数字孪生城市建设三个领域来回顾与展望数字孪生技术在土木工程领域的应用进展。

数字孪生城市建设进展及突破点思考

文章从数字孪生的本质内涵出发首先阐述国数字孪生城市的技术框架,接着提出了数字孪生城市建设的3种推进模式及适用场景,分析了数字孪生城市的产业图谱,并以国内南方某一线城市为例,提出分别从“六力”、“两化”两方面提升城市的“五能”作为数字孪生城市建设的突破口,以“应用+产业”为双核驱动数字孪生城市建设。

面向6G的数字孪生网络综述:架构、应用和挑战

数字孪生网络(digital twin network,DTN)是一种利用数字孪生(digital twin,DT)技术创建物理网络设施的孪生虚拟数字网络。通过DT技术,DTN将从多个方面提升6G网络的能力,包括智能故障管理、智能网络优化和管理、网络智慧内生,助力实现极简化、智能化和自动化的网络。通过对DTN进行全面研究,描述了DTN的主要特征和定义,阐述了DTN的架构、协议及接口和生命周期管理,并阐述其在模型管理与部署、资源管理与调度、安全与隐私保护、智能网络运维和智能交通这几个方面的应用,分析了DTN的挑战与未来。

基于数字孪生的智能运维理论体系与实现方法

在建筑行业转型升级的背景下,针对大型建筑运维过程管理效率低、各类运维事件决策分析精度不足、智能化程度有待提高等问题,提出基于数字孪生的智能运维理论体系与实现方法。总结归纳大型建筑智能运维需要采集的信息,分析智能运维亟待解决的问题,融合智能感知与数字孪生技术,给出智能运维运行机理,建立针对大型建筑的智能运维架构体系与多维多尺度的孪生模型。研究建筑智能运维的实现方法,其中包含智能运维全要素信息的采集与传输、智能运维孪生体的构建与运行、智能运维孪生数据的管理机制及智能运维平台的架构。在智能运维理论体系和实现方法的指导下,搭建了智能运维平台,并应用于某大型建筑工程的运维管理。考虑运维管理过程中的虚实交互与时空演化,初步验证了数字孪生在提高运维管理智能化程度方面的有效性。

面向智能制造仿真实验的产线数字孪生建模

针对智能制造领域人才培养中,实践教学存在的成本高、安全保证难等问题,该研究构建了智能制造仿真实验系统。首先,以智能产线为基础、车间信息化平台为桥梁,融合产线数字孪生技术,构建了面向智能制造仿真实验的数字孪生系统框架;其次,对系统中包含的产线物理实体模型、数据采集及车间信息化平台、数字孪生产线的多维度模型及智能制造仿真实验平台展开了详细阐述;最后设计产线生产调度优化实验,验证了该数字孪生仿真实验系统的有效性。

基于数字孪生与元宇宙技术的能源互联网态势感知系统论方法研究(一):概念、挑战与研究框架

态势感知是能源互联网的核心任务,为运管调控各项决策提供重要辅助信息。能源互联网的复杂定性对其态势感知任务提出严峻挑战——受其所辖单元日益增长的规模、种类、主动性、耦合性以及外界环境等不确定因素的影响,能源互联网其复杂性与日俱增。系统复杂性所衍生的一些问题超出经典简化论的讨论范畴,亟需一种新的认知手段。该文通过关联数据、数据科学、物理系统与具体应用,提出能源互联网数字孪生系统;进一步,延伸出一种新型数据驱动的态势感知方法论,即数字孪生态势感知(digitaltwinsituation awareness,DT-SA)。其核心思想是将真实世界的固有难题转化到虚拟空间,继而借助复杂系统理论和大数据分析等工具予以解决,具体涉及孪生体建模、分析和认知等核心环节。此外,该文也讨论元宇宙技术对孪生体互联的增强作用,以及相关的科学问题。该系列研究有益于推进能源系统领域和数据科学领域的交叉融合,对于企业数字化转型、数字城市建设等具备参考价值。

元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换

数字孪生在航天、工业制造领域已应用了20多年,但引入海洋科学还是首次。通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,这里称为“元地球”。本文介绍了元地球与早期提出的数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的本质区别,进而突出元地球理念或思想上的巨大突破。基于现今元宇宙BIGANT技术体系,构架跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知系统,打通地球系统各圈层动力学模拟隔阂,实现超越现今地球,再现深时地球,实现时空穿越,从而集数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球、现今地球、深时地球的特性于一个共同体,这个深时的虚实共同体就是元地球。这一理念必将催生新的技术范式变革,进而超越现实地球、虚拟地球,开启人类认识地球、探测地球、开发地球的全新方式。在实现研究范式转换的同时,推动元地球的多场景应用,这也必将催生未来的万亿新产业。

基于数字孪生的加工生产线虚实交互技术研究

针对传统加工生产线运行过程中设备数据采集困难和可视化程度低的问题,研究了数字孪生(DT)技术在加工生产线虚实交互方面的应用问题。首先,以某电机外壳加工生产线为例,分析了生产线的加工流程,设计了虚实交互技术的总体框架,并提出了具体的方法;然后,对加工生产线进行了数字孪生体建模,对模型中的关键要素,几何、物理、行为属性及通讯接口的构建进行了详细的阐述;最后,采用过程控制的对象链接和嵌入(OPC)技术进行了加工生产线中多源异构数据的采集与处理,完成了实时数据间的映射。研究结果表明:采用虚实交互技术可以完成物理生产线与数字孪生体间的实时映射;电机外壳加工生产线中机械臂虚实交互的可靠性为99.95%,可满足精确性要求;采用服务模块能够更加直观、有效地反映生产线的实际加工状态,可满足加工过程信息动态可视化要求,证明了该方案具有可行性和有效性。

数字孪生永定河建设实践

数字孪生永定河建设是流域治理管理现代化的主要标志。围绕永定河生态修复与治理,构建数字孪生永定河,建设水利感知、数据底板、模型平台、知识平台、业务应用等内容,相关成果应用于永定河全年全线有水的生态水量调度与海河“23·7”流域性特大洪水的防洪调度,取得了初步成效。建议下一步从完善数据底板、完善防洪模型、提升防洪“四预”能力、提升水资源调度“四预”能力等方面加强数字孪生永定河建设,助力流域治理管理现代化。

融合Unity3D的缆索起重机安全运行数字孪生模型构建方法

为降低缆索起重机(下文简称为缆机)运行的安全风险,分析缆机运行流程,提取缆机安全运行知识语义,通过物联网技术获取实时数据,利用3DS Max软件构建大坝缆机运行初始场景,实现孪生模型三维可视化,将模型导入Unity3D引擎,使用高清渲染管线对模型进行渲染,改善视觉效果,编写C#脚本对缆机运行全过程进行安全模拟仿真。研究结果表明:应用本文所构建的缆机安全运行数字孪生模型监测隐患与故障,综合准确率达到96.7%,可有效实现缆机运行过程的安全监控、参数化控制以及可视化展示。研究结果可为缆机施工过程的安全控制提供技术支持。

面向防洪“四预”的数字孪生流域水利专业模型研发与实践应用--以数字孪生飞云江流域为例

数字孪生流域是推动智慧水利建设的核心和关键,而水利专业模型是数字孪生流域建设的重要算法支撑。从实际业务支撑角度研发面向防洪“四预”的数字孪生流域水利专业模型,包括水文、水动力、水工程调度、风暴潮等模型,并以浙江省温州市的数字孪生飞云江流域为载体进行实践应用。结果显示,在应对台风“杜苏芮”“卡努”“鸿雁”过程中,各类模型运行情况良好,水文、水动力及风暴潮模型预报值与实测值拟合程度较高,误差满足规范许可要求,水工程调度模型可实现模型预期调度效果。研发的水利专业模型和应用案例可为其他流域数字孪生建设提供参考。

数字孪生水利水电工程扩展数据结构建立方法

针对水利水电工程专业众多,建模工具的差异会导致专业协同或阶段性成果移交时出现数据移交难度大甚至数据丢失的问题,创新性地提出通过按需扩展IFC(工业基础类)原数据结构,建立数字孪生水利水电工程扩展数据结构方法,形成面向语义表达、几何表达和属性集表达的水利水电工程IFC扩展表达方式,为水利水电工程易丢失的数据提供标准化存储空间。以此为基础,基于Autodesk Revit软件并借助Revit IFC Exporter开源工具包,研发包含几何信息、属性信息等的扩展IFC导出功能,对坝体结构进行扩展和导出,验证扩展数据结构建立方法的可操作性。最终通过数据移交案例,证明了该方法能够有效保证工程信息在移交过程中不丢失。

数字孪生村落:传统村落全要素智慧化营建新范式

工业与生态文明对传统农耕文明的不断侵蚀,导致了传统农耕文明的不断消亡。为了实现对传统村落全方位要素的保护目标,以数字孪生技术为驱动内核,就传统村落全要素保护的内涵与外延、体系架构、建设路径及关键技术等展开讨论。结果表明,数字孪生村落的全要素智慧营建是一项复杂的系统性工程,需要从顶层设计、标准体系、建设路径与示范应用四个维度进行深化研究;新型测绘耦合数字孪生技术为传统村落的全要素智慧化管控与运维奠定了数据与技术基础,结合实际保护需求与建设目标的“二阶段”体系划分,以期为传统村落的产学研用一体化保护、协同发展与综合利用提供方法借鉴。