CN115964875A - 一种数字孪生水网四面体模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智慧水利技术领域，具体涉及一种数字孪生水网四面体模型构建方法。包括设计数字孪生水网四面体模型；构建物理水网信息结构，建立概念模型；构建水网要素属性项及要素间拓扑关系，构建物理水网数据模型；对信息水网进行信息映射和可视化表达；梳理和优化管理水网规划、设计、建设、运行全过程业务流程；对管理水网业务流程进行要素对象化，以及对象‑关系解构；构建管理水网时间维驱动的业务流程信息结构和数据模型；仿真推演，实现管理水网数字化映射和业务智能化模拟；指导物理水网建设方案实时动态调整，辅助管理水网决策支持和预案响应。本方法为实现数字孪生水网数字化映射、智能化模拟和精准化决策提供了技术路径和解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及智慧水利技术领域，具体涉及一种数字孪生水网四面体模型构建方法。
背景技术
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
智慧水利是在水利信息化的基础上高度整合水利信息资源并加以开发利用，通过物联网、大数据、云计算等新兴技术与水利信息系统的结合，实现水利信息共享和智能管理，有效提升水利工程运用和管理的效率和效能，协助水利管理达到“智慧”状态，使水利管理、服务、决策工作更加精细、动态、智能。
国家水网是以自然河湖为基础，引调排水工程为通道，调蓄工程为节点，智慧调控为手段，集水资源优化配置、流域防洪减灾、水生态系统保护等功能于一体的综合工程体系。
目前，数字孪生水网建设一方面缺少理论、模型和方法支撑和指导；另一方面研究对象和研究内容尚不清晰，缺少完整的技术路径和解决方案。因此，需要一种模型构建方法，为数字孪生水网建设提供技术路径和解决方案，从而实现数字孪生水网建设。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种数字孪生水网四面体模型构建方法，为数字孪生水网建设提供模型支撑，明确数字孪生水网研究对象和研究内容，为实现数字孪生水网数字化映射、智能化模拟和精准化决策提供了技术路径和解决方案，对数字孪生水网建设具有重大指导意义。
本发明提供的一种数字孪生水网四面体模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1：设计数字孪生水网四面体模型；
步骤2：梳理物理水网要素，构建物理水网信息结构，根据水网信息结构建立概念模型；
步骤3：构建水网要素属性项及要素间拓扑关系，构建物理水网数据模型，将物理水网抽象为信息水网；
步骤4：对信息水网进行信息映射和可视化表达，实现物理水网数字化；
步骤5：梳理和优化管理水网规划、设计、建设、运行全过程业务流程；
步骤6：基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化，以及对象-关系解构；
步骤7：构建管理水网时间维驱动的业务流程信息结构和数据模型；
步骤8：基于业务流程信息结构和数据模型进行仿真推演，实现管理水网数字化映射和业务智能化模拟；
步骤9：根据数字孪生水网中模型分析评估和业务模拟推演，指导物理水网建设方案实时动态调整，辅助管理水网决策支持和预案响应。
较为优选的，所述步骤1中，设计数字孪生水网四面体模型包括：
以物理水网、管理水网、信息水网和数字孪生水网作为研究对象；
从时间和空间维度分析数字孪生水网与物理水网、数字孪生水网与管理水网、数字孪生水网与信息水网、物理水网与信息水网、管理水网与信息水网、物理水网与管理水网之间的关系。
较为优选的，所述步骤2中，梳理物理水网要素包括：
梳理通道、节点和水流三大要素；
其中，所述通道包括自然通道和人工通道，所述自然通道包括天然江河湖水系，所述人工通道包括供水、排水、泄水通道；所述节点包括自然节点和人工节点，所述自然节点包括水系汊点、湖泊、湿地，所述人工节点包括坝、堤、闸、泵、厂/站、井；所述水流包括自然水流和人工控流，所述自然水流包括产流、汇流、泄流，所述人工控流包括引水、输水、排水。
较为优选的，所述步骤4包括：
构建物理水网虚拟空间环境；
利用包括点、线、面、体的图形符号对水网信息结构和要素间拓扑关系进行实时映射和可视化表达，实现物理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
较为优选的，所述步骤5包括梳理和优化管理水网规划业务流程，所述管理水网规划业务流程为：
基于水网工程涉及的区域信息、水文、地质、地形、环境信息，在虚拟环境中进行水网布局，以及线路方案、输水方案、水资源配置方案数字化规划和推演；
基于专业模型、规则和知识，对方案进行评估，并辅助进行动态调整，最终确定规划方案。
较为优选的，所述步骤5包括梳理和优化管理水网设计业务流程，所述管理水网设计业务流程为：
搭建水网工程结构树；
对工作包实施分解，进行骨架定位设计、建筑物功能设计、专业间协同设计和结构细部设计；
进行三维校审检验、仿真应用和交付归档，在此过程中，通过碰撞检测、多方案仿真比选辅助设计方案动态调整。
较为优选的，所述步骤5包括梳理和优化管理水网建设业务流程，所述管理水网建设业务流程为：
以单元工程作为最小单元，将BIM设计模型进行拆分；
将水网工程进度、质量评定、工程计量与单元工程BIM模型进行关联；
基于单元工程BIM模型进行进度、质量、资金管理仿真推演，指导物理水网建设方案实时动态调整。
较为优选的，所述步骤5包括梳理和优化管理水网运行业务流程，所述管理水网运行业务流程为：
根据水网工程涉及区域水量、生态环境基础数据，以及地质、设施设备和建筑物监测、检测数据，基于防洪调度模型、水资源调度模型、地质灾害监测分析和评价模型、生态环境分析和评价模型、安全监测反演分析和评价模型，进行水网工程诊断和评估，同时基于诊断和评估结果，进行模拟推演，辅助管理水网决策支持和预案响应。
较为优选的，所述步骤6、7包括：
基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化；
通过对业务流程中对象和关系进行分解，实现业务流程的对象-关系解构；
基于业务流程对象和关系，对关系进行结构化表达；
根据时间维度构建业务流程信息结构和数据模型。
较为优选的，所述步骤8包括：
以时间为主轴，基于业务流程对象的符号化表达，模拟仿真业务流程关系在空间维度上的变化演进，实现管理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
本发明的有益效果为：
1、本方法从模型层面界定和明确数字孪生水网研究对象和研究内容，并设计了一套数字孪生水网四面体模型构建方法，为实现数字孪生水网数字化映射、智能化模拟和精准化决策提供了技术路径和解决方案。
2、数字孪生水网四面体模型充分利用了现有技术和方法，通用性强，不仅可以应用水网数智化建设，结合其它领域知识，也可应用于交通网、能源网等数智化建设，值得应用推广。
附图说明
图1为本发明数字孪生水网四面体模型示意图；
图2为本发明数字孪生水网四面体模型构建流程示意图；
图3为管理水网规划业务流程图；
图4为管理水网设计业务流程图；
图5为管理水网建设业务流程图；
图6为管理水网运行业务流程图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
如图1所示，数字孪生水网四面体模型的研究对象包括物理水网、管理水网、信息水网和数字孪生水网，研究内容为从时间和空间维度分析数字孪生水网-物理水网、数字孪生水网-管理水网、数字孪生水网-信息水网、物理水网-信息水网、管理水网-信息水网以及物理水网-管理水网6个关系。
实施例一
图2示出了本申请较佳实施例(图2示出了本申请第一实施例)提供的一种数字孪生水网四面体模型构建方法的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本方法针对物理水网-信息水网、数字孪生水网-信息水网以及数字孪生水网-物理水网关系的构建。
首先，根据物理水网要素构建水网信息结构和概念模型；然后对水网要素进行属性项挂接，根据水流状态构建要素间关联、连通等拓扑关系；最后利用点、线、面、体等图形符号对水网信息结构和要素间拓扑关系进行实时映射和可视化表达，实现物理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建、信息反馈和动态调整。针对物理水网-管理水网、管理水网-信息水网、数字孪生水网-信息水网以及数字孪生水网-管理水网关系的构建，首先梳理和优化管理水网规划、设计、建设、运行全过程业务流程；然后基于物理水网要素以及业务流程对管理水网进行要素对象化，以及管理对象和关系解构，并基于业务流程对象和关系，对关系进行结构化表达，根据时间维度构建业务流程信息结构和数据模型；最后以时间为主轴，基于业务流程对象的符号化表达，模拟仿真业务流程关系在空间维度上的变化演进，实现管理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建、信息反馈和动态调整。
具体包括以下步骤：
步骤1：设计数字孪生水网四面体模型；
步骤2：梳理物理水网要素，构建物理水网信息结构，根据水网信息结构建立概念模型；
步骤3：构建水网要素属性项，以及要素间拓扑关系，构建物理水网数据模型，将物理水网抽象为信息水网；
步骤4：对信息水网进行信息映射和可视化表达，实现物理水网数字化；
步骤5：梳理和优化管理水网规划、设计、建设、运行全过程业务流程；
步骤6：基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化，以及对象-关系解构；
步骤7：构建管理水网时间维驱动的业务流程信息结构和数据模型；
步骤8：基于业务流程信息结构和数据模型进行仿真推演，实现管理水网数字化映射和业务智能化模拟；
步骤9：根据数字孪生水网中模型分析评估和业务模拟推演，指导物理水网建设方案实时动态调整，辅助管理水网决策支持和预案响应。
在一个实施例中，步骤1中，数字孪生水网四面体模型研究对象包括物理水网、管理水网、信息水网和数字孪生水网，研究内容为从时间和空间维度分析数字孪生水网-物理水网、数字孪生水网-管理水网、数字孪生水网-信息水网、物理水网-信息水网、管理水网-信息水网以及物理水网-管理水网6个关系。
在一个实施例中，步骤2中，梳理物理水网要素，包括通道、节点和水流三大要素。其中，通道分自然通道(天然江河湖水系)和人工通道(供水、排水、泄水通道)，节点分自然节点(水系汊点、湖泊、湿地)和人工节点(坝、堤、闸、泵、厂(站)、井)，水流分自然水流(产流、汇流、泄流)和人工控流(引水、输水、排水)，根据物理水网要素构建水网信息结构和概念模型。
在一个实施例中，步骤3中，水网要素属性项包括通道的水量、水质、流量、流速等信息，节点的蓄水能力、泄水能力、工程性态等信息，根据水流状态构建要素间关联、连通等拓扑关系。
在一个实施例中，步骤4中，首先构建物理水网虚拟空间环境，然后利用点、线、面、体等图形符号对水网信息结构和要素间拓扑关系进行实时映射和可视化表达，实现物理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
如图3所示，在一个实施例中，步骤5中，管理水网规划业务流程为：
首先基于水网工程涉及区域信息、水文、地质、地形、环境等信息，在虚拟环境中进行水网布局、线路方案、输水方案、水资源配置方案数字化规划和推演，然后基于专业模型、规则和知识等，对方案进行评估，并辅助进行动态调整，最终确定规划方案。
如图4所示，设计业务流程为：
首先搭建水网工程结构树，然后对工作包实施分解，进行骨架定位设计、建筑物功能设计、专业间协同设计和结构细部设计，最后进行三维校审检验、仿真应用和交付归档。在此过程中，通过碰撞检测、多方案仿真比选等辅助设计方案动态调整。
如图5所示，建设业务流程为：
首先以单元工程作为最小单元，将BIM设计模型进行拆分；然后将水网工程进度、质量评定、工程计量等与单元工程BIM模型进行关联；最后基于单元工程BIM模型进行进度、质量、资金管理等仿真推演，指导物理水网建设方案实时动态调整。
如图6所示，运行业务流程为：
根据水网工程所涉及区域水量、生态环境等基础数据，以及地质、设施设备和建筑物等监测、检测数据，基于防洪调度、水资源调度、地质灾害监测分析和评价、生态环境分析和评价、安全监测反演分析和评价等模型，进行水网工程诊断和评估，同时基于诊断和评估结果，进行模拟推演，辅助管理水网决策支持和预案响应。
在一个实施例中，步骤6、7中，基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化；通过对业务流程中对象和关系进行分解，实现业务流程的对象-关系解构；基于业务流程对象和关系，对关系进行结构化表达，根据时间维度构建业务流程信息结构和数据模型。
在一个实施例中，步骤8中，以时间为主轴，基于业务流程对象的符号化表达，模拟仿真业务流程关系在空间维度上的变化演进，实现管理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
在一个实施例中，步骤9中，根据数字孪生水网中模型分析评估和业务模拟推演的结果，反向指导物理水网建设方案实时动态调整，辅助管理水网决策支持和预案响应。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计数字孪生水网四面体模型；
步骤2：梳理物理水网要素，构建物理水网信息结构，根据水网信息结构建立概念模型；
步骤3：构建水网要素属性项及要素间拓扑关系，构建物理水网数据模型，将物理水网抽象为信息水网；
步骤4：对信息水网进行信息映射和可视化表达，实现物理水网数字化；
步骤5：梳理和优化管理水网规划、设计、建设、运行全过程业务流程；
步骤6：基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化，以及对象-关系解构；
步骤7：构建管理水网时间维驱动的业务流程信息结构和数据模型；
步骤8：基于业务流程信息结构和数据模型进行仿真推演，实现管理水网数字化映射和业务智能化模拟；
步骤9：根据数字孪生水网中模型分析评估和业务模拟推演，指导物理水网建设方案实时动态调整，辅助管理水网决策支持和预案响应。
2.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤1中，设计数字孪生水网四面体模型包括：
以物理水网、管理水网、信息水网和数字孪生水网作为研究对象；
从时间和空间维度分析数字孪生水网与物理水网、数字孪生水网与管理水网、数字孪生水网与信息水网、物理水网与信息水网、管理水网与信息水网、物理水网与管理水网之间的关系。
3.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤2中，梳理物理水网要素包括：
梳理通道、节点和水流三大要素；
其中，所述通道包括自然通道和人工通道，所述自然通道包括天然江河湖水系，所述人工通道包括供水、排水、泄水通道；所述节点包括自然节点和人工节点，所述自然节点包括水系汊点、湖泊、湿地，所述人工节点包括坝、堤、闸、泵、厂/站、井；所述水流包括自然水流和人工控流，所述自然水流包括产流、汇流、泄流，所述人工控流包括引水、输水、排水。
4.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤4包括：
构建物理水网虚拟空间环境；
利用包括点、线、面、体的图形符号对水网信息结构和要素间拓扑关系进行实时映射和可视化表达，实现物理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
5.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤5包括梳理和优化管理水网规划业务流程，所述管理水网规划业务流程为：
基于水网工程涉及的区域信息、水文、地质、地形、环境信息，在虚拟环境中进行水网布局，以及线路方案、输水方案、水资源配置方案数字化规划和推演；
基于专业模型、规则和知识，对方案进行评估，并辅助进行动态调整，最终确定规划方案。
6.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤5包括梳理和优化管理水网设计业务流程，所述管理水网设计业务流程为：
搭建水网工程结构树；
对工作包实施分解，进行骨架定位设计、建筑物功能设计、专业间协同设计和结构细部设计；
进行三维校审检验、仿真应用和交付归档，在此过程中，通过碰撞检测、多方案仿真比选辅助设计方案动态调整。
7.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤5包括梳理和优化管理水网建设业务流程，所述管理水网建设业务流程为：
以单元工程作为最小单元，将BIM设计模型进行拆分；
将水网工程进度、质量评定、工程计量与单元工程BIM模型进行关联；
基于单元工程BIM模型进行进度、质量、资金管理仿真推演，指导物理水网建设方案实时动态调整。
8.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤5包括梳理和优化管理水网运行业务流程，所述管理水网运行业务流程为：
根据水网工程涉及区域水量、生态环境基础数据，以及地质、设施设备和建筑物监测、检测数据，基于防洪调度模型、水资源调度模型、地质灾害监测分析和评价模型、生态环境分析和评价模型、安全监测反演分析和评价模型，进行水网工程诊断和评估，同时基于诊断和评估结果，进行模拟推演，辅助管理水网决策支持和预案响应。
9.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤6、7包括：
基于物理水网要素及其拓扑关系，对管理水网业务流程进行要素对象化；
通过对业务流程中对象和关系进行分解，实现业务流程的对象-关系解构；
基于业务流程对象和关系，对关系进行结构化表达；
根据时间维度构建业务流程信息结构和数据模型。
10.根据权利要求1所述的数字孪生水网四面体模型构建方法，其特征在于，所述步骤8包括：
以时间为主轴，基于业务流程对象的符号化表达，模拟仿真业务流程关系在空间维度上的变化演进，实现管理水网到信息水网，以及信息水网到数字孪生水网的数字化映射和构建。
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| CN202211684083.1A CN115964875B (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种数字孪生水网四面体模型构建方法 |
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| CN202211684083.1A CN115964875B (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种数字孪生水网四面体模型构建方法 |
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| CN115964875B CN115964875B (zh) | 2024-05-07 |
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116542580A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-04 | 长江勘测规划设计研究有限责任公司 | 一种基于可变业务矩阵的水利业务系统搭建方法及系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2020181152A1 (en) * | 2019-03-05 | 2020-09-10 | Farrokh Shokooh | Utility network project modeling & management |
| CN112712441A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-27 | 哈尔滨工业大学 | 城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法 |
| CN115097788A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-23 | 昆明理工大学 | 一种基于数字孪生工厂的智能管控平台 |
| CN115310939A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-08 | 上海市水利工程设计研究院有限公司 | 一种基于bim数字孪生的智慧水务信息化管理平台 |
-
2022
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Patent Citations (4)
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| CN116542580A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-08-04 | 长江勘测规划设计研究有限责任公司 | 一种基于可变业务矩阵的水利业务系统搭建方法及系统 |
| CN116542580B (zh) * | 2023-07-03 | 2023-09-26 | 长江勘测规划设计研究有限责任公司 | 一种基于可变业务矩阵的水利业务系统搭建方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115964875B (zh) | 2024-05-07 |
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