基于数字孪生和BIM技术实现闸站智慧化管理的应用及研究.pdf

基于数字孪生和BIM技术实现闸站智慧
化管理的应用及研究

摘要：数字孪生平台是实现数字化特型和数字经济发展的重要技术手段，模
拟仿真引擎作为其模型平台的主要构成部分，已经在交通、电力、智慧城市等诸
多行业须域中都得到了广泛应用和高速发展。在水利行业中，利用模拟仿真引擎
以及三维可视化技术对流域和水利工程中各涉水要素进行虚拟仿真模拟，但闸站

BIM技术研究较少。在此基础上，本文针对如何利用模拟仿真技术在数字孪生闸
站工程建设和运维中利用BIM技术实现智慧化管理进行全面性的分析和研究，了
解相关方面的一些实际情况，为未来闸站智慧化管理技术的进一步发展奠定良好

的基础。

关键词：数字孪生技术；智慧化管理；BIM技术

一、研究意义、必要性

苏州乌桥港闸站工程位于江苏省苏州市吴中区东山镇，是太湖流域重要的水
利枢纽工程之一。其主要功能是调节太湖水位，保障周边地区的防洪和供水安全。
工程主要包括船闸、引洪堤、引水涵、溢洪道、岸墙等建筑物和设施。乌桥港闸
站工程的建设使得太湖水位得以调控，提高了周边地区的防洪和供水能力，也为
当地经济发展和交通运输提供了支持和保障。水利枢纽承担着区域调水、灌溉调
配、防洪排涝、河道整治和安全航运等方面的重任，乌桥港对于作为调节太湖水
位的重要枢纽工程，河湖面水位变化导致闸泵站上下游水位差变化复杂，闸泵站
机组往往启停频繁，频繁开停机也对设备使用寿命造成一定影响，同时也会造成
其他的设备故障或事故，对机组安全运行不利。因此，结合闸泵站运行安全、设
施管理、数字孪生建设要求，迫切需要对闸泵站的安全运行、科学运行、精细管

理相关技术进行研究和应用。
目前闸站水文监测、运行控制、视频监控、基础信息管理、巡检运维管理等
方面都有较为成熟的技术和应用案例，水利部、江苏省在闸泵站设计、建设、管
理、运行、维护等方面都有较为明确的建设要求。但是在闸泵站多源异构监控、

监测信息集成，机电设备健康与安全诊断，闸泵站BIM精细化模型构建及场景化
仿真模拟等方面的技术研究和应用案例相对较少。水利部发布了《数字孪生水利
工程建设技术导则（试行）》、《数字孪生流域可视化模型规范（试行）》、
《关于推进水利工程标准化管理的指导意见》、《水利工程标准化管理评价办法》
等相关技术规范、文件，其中对闸站等水利工程数字底板、可视化模型、智慧化
管理等提出了明确要求，需要持续加大物联感知、数字孪生、预警预报、智能分
析、精细管控等技术研究力度，促进闸泵站管理提升和进步。本项目主要是围绕
闸站多源异构监控、监测信息集成、机电设备健康与安全诊断、神经网络大数据

分析、闸站BIM精细化模型构建及场景化仿真模拟等方面开展技术研究和应用示
范，通过该项目可以为闸站设施的物联感知信息集成、精细化设施设备建模及轻
量化处理、运行设备健康诊断和安全预警、场景化模拟仿真预演等提供技术支撑，
并通过在乌桥港闸泵站的示范，为苏州市、江苏省各级闸泵站探索标准化、智慧

化管理实现路径。

二、国内外研究现状

数字孪生也称为虚拟数字产品或数字双胞胎，该概念最早是源于2003年

Grieves教授在密歇根大学的产品生命周期管理课程上提出的与“物理产品等价
的虚拟数字化表达”思想。水利工程领域结合数字孪生的研究和应用相对较晚，

W.RobertStephenson等利用数字孪生技术建立水资源管理模型，提高了水资源
管理的智能化和高效化。AlfonsoCapurro等基于数字孪生技术对水电站进行数
字孪生仿真，以及对水库调度进行数字孪生模拟。OluwaseunOyebode等通过数
字孪生技术建立水资源管理模型，达到水资源优化配置的应用。朱术伟等利用数
字孪生技术对水利水电工程进行建模和仿真，从而对水电站调度进行预测和优化。
中国水利水电科学研究院联合中国科学院计算研究所等机构，共同开展了数字孪

生水利工程的研究和应用。
当前，物联网、GIS、BIM等技术在水务工程运维管理中具有一定的研究基础
和应用案例，吴建刚在新沂河沭阳枢纽工程中基于IoT技术将采集感知的闸门开
度信号、电气信号、上下游水位信号、视频监控等数据集成至工程运维管理应用
系统中，实现覆盖调度监控、运维管理、安全评估、通信预警等业务的信息化管

理。杨建峰等以通吕运河水利枢纽工程为例研究了BIM技术在水利工程运维管理
中的应用，并通过搭建数字化工程管理平合实现在线监测、设备台账、视频监控、

报警管理、维修养护等业务线上管理。

三、主要研究内容

项目主要研究内容包括以下四个方面：

1.监测多源异构数据集成技术研究。通过对乌桥港闸站工程的水位、流量、

工况、通信、网络、供电、视频等实时监测数据，工程建筑物、工程管理

和保护范围倾斜摄影、闸泵工程设施BIM模型、GIS空间数