一种基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法及系统与流程

本技术涉及防汛调度管控，更具体地说，本技术涉及一种基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法及系统。

背景技术：

1、防汛调度是流域安全管理中的关键环节，闸门群作为调控河道水位、分配洪水下泄流量的核心基础设施，其运行调度的科学性和精准性直接关系到下游防洪安全。

2、传统防汛闸门调度主要依赖预先制定的静态调度规则表或基于经验的启闭策略，调度决策往往将各闸门视为独立运行单元，忽视了闸门间水力要素的动态耦合。在洪水演进过程中，为快速响应下泄流量调节指令，相邻闸门不可避免地会进行异步启闭操作。这种异步动作会在重叠时间窗口内产生显著的侧向挤压作用，导致局部水流发生剧烈收缩和偏转，形成暂态的闸后壅水现象。当壅水峰值超出河道或闸室结构的安全警戒阈值时，可能引发闸门振动、结构损伤，甚至局部漫溢，严重威胁闸群运行安全。

3、近年来，数字孪生技术通过在虚拟空间中构建物理实体的高保真映射，为复杂系统的动态仿真与优化控制提供了新途径。然而，现有基于数字孪生的闸群调度方法普遍采用理想化的同步启闭假设，或以简化的一维水动力模型进行仿真推演，难以准确识别闸门异步启闭时闸孔出流流态的侧向挤压效应及其诱发的水位壅高瞬变过程，导致生成的调度方案在实际执行中存在安全隐患。因此，如何在闸门异步启闭诱发的侧向壅水风险影响下实现防汛闸门群的安全约束调度成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法及系统，可在闸门异步启闭诱发的侧向壅水风险影响下实现防汛闸门群的安全约束调度。

2、第一方面，本技术提供一种基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法，包括如下步骤：

3、构建防汛闸门群的数字孪生体，并获取当前防汛工况下的流场数字镜像；

4、接收包含目标下泄流量的调度指令，将所述目标下泄流量输入至所述流场数字镜像中，并以各闸门的泄流量均衡分配为约束，在所述数字孪生体中启动第一轮超实时仿真推演，生成各闸门的拟执行开度序列；

5、在所述数字孪生体中，识别相邻闸门的拟执行开度序列在时间上的重叠窗口，并模拟所述重叠窗口内闸门异步启闭对各闸孔出流流态的侧向挤压作用，以计算所述侧向挤压作用下的闸后壅水峰值；

6、若所述闸后壅水峰值超出预设的警戒阈值，则将所述侧向挤压作用对应的水力参数作为边界扰动，引入至圣维南方程组中进行第二轮修正仿真推演，以获得相邻闸门的水位扰动约束；

7、基于所述水位扰动约束反向优化所述相邻闸门的启闭时序，以获得用于所述防汛闸门群调度管控的目标闸门开度。

8、在一些实施例中，构建防汛闸门群的数字孪生体具体包括：

9、获取防汛闸门群中各闸门及上下游河道的地形数据与结构尺寸，建立三维几何模型；

10、将所述三维几何模型导入计算流体力学求解器，赋予水体物理属性并设定边界条件，生成流场数值计算模型；

11、在所述流场数值计算模型中布置传感器虚拟映射点，建立与物理防汛闸门群实时监测数据的同步通道，形成防汛闸门群的数字孪生体。

12、在一些实施例中，获取当前防汛工况下的流场数字镜像具体包括：

13、通过防汛闸门群数字孪生体中的同步通道实时获取各闸门的当前开度、上游水位及下游水位；

14、将所述当前开度、上游水位及下游水位作为边界条件加载至数字孪生体中的流场数值计算模型；

15、以所述流场数值计算模型中各传感器虚拟映射点处的实测流速与水位作为初始场，启动所述流场数值计算模型进行稳态求解，生成当前防汛工况下的流场数字镜像。

16、在一些实施例中，接收包含目标下泄流量的调度指令，将所述目标下泄流量输入至所述流场数字镜像中，并以各闸门的泄流量均衡分配为约束，在所述数字孪生体中启动第一轮超实时仿真推演，生成各闸门的拟执行开度序列具体包括：

17、从所述调度指令中解析出目标下泄流量，并将所述目标下泄流量按闸门数量均等分配，获得各闸门的初始目标过流量；

18、基于所述流场数字镜像中当前上游水位和各闸门的孔口出流公式，反算各闸门达到所述初始目标过流量所需的初始开度；

19、依据各闸门的初始开度结合所述数字孪生体启动第一轮超实时仿真推演，以获得闸门的拟执行开度序列。

20、在一些实施例中，依据各闸门的初始开度结合所述数字孪生体启动第一轮超实时仿真推演，以获得闸门的拟执行开度序列具体包括：

21、将各闸门的初始开度作为边界条件，在所述数字孪生体中以物理上允许的最大时间步长进行第一轮超实时仿真推演，判断各闸门在所述初始开度下的仿真过流量与所述初始目标过流量的偏差是否超出预设阈值；

22、若所述偏差超出预设阈值，则根据所述仿真过流量与所述初始目标过流量的差值修正各闸门的开度，并迭代执行所述第一轮超实时仿真推演，直至所述偏差收敛至预设阈值范围内，进而获得各闸门的拟执行开度序列。

23、在一些实施例中，在所述数字孪生体中，识别相邻闸门的拟执行开度序列在时间上的重叠窗口具体包括：

24、从所述拟执行开度序列中提取各闸门从当前开度动作至拟执行开度所需的启闭行程与预设的启闭速度，并计算各闸门完成所述启闭行程所需的动作时长；

25、根据各闸门的启闭触发时刻与所述动作时长，确定各闸门启闭动作的时间区间，将相邻闸门的所述时间区间进行交叠比对，识别出存在时间重叠的重叠窗口。

26、在一些实施例中，模拟所述重叠窗口内闸门异步启闭对各闸孔出流流态的侧向挤压作用，以计算所述侧向挤压作用下的闸后壅水峰值具体包括：

27、在所述数字孪生体中，以所述重叠窗口为时间边界，将相邻闸门的启闭行程按时间步长离散为异步变化的开度边界条件，施加于流场数字镜像中对应的各闸孔进行侧向挤压模拟；

28、在各闸孔的开度边界条件下，识别相邻闸孔出流因异步启闭产生的流速矢量偏转与交汇壅堵，进而获得所述重叠窗口内各时刻的闸后水面线；

29、从所述闸后水面线中提取所述重叠窗口内的最高瞬时水位，作为闸后壅水峰值。

30、第二方面，本技术提供一种基于数字孪生的防汛闸门调度管控系统，用于执行基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法，该系统包括：

31、获取模块，用于构建防汛闸门群的数字孪生体，并获取当前防汛工况下的流场数字镜像；

32、处理模块，用于接收包含目标下泄流量的调度指令，将所述目标下泄流量输入至所述流场数字镜像中，并以各闸门的泄流量均衡分配为约束，在所述数字孪生体中启动第一轮超实时仿真推演，生成各闸门的拟执行开度序列；

33、所述处理模块，还用于在所述数字孪生体中，识别相邻闸门的拟执行开度序列在时间上的重叠窗口，并模拟所述重叠窗口内闸门异步启闭对各闸孔出流流态的侧向挤压作用，以计算所述侧向挤压作用下的闸后壅水峰值；

34、所述处理模块，还用于若所述闸后壅水峰值超出预设的警戒阈值，则将所述侧向挤压作用对应的水力参数作为边界扰动，引入至圣维南方程组中进行第二轮修正仿真推演，以获得相邻闸门的水位扰动约束；

35、执行模块，用于基于所述水位扰动约束反向优化所述相邻闸门的启闭时序，以获得用于所述防汛闸门群调度管控的目标闸门开度。

36、第三方面，本技术提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有代码，所述处理器被配置为获取所述代码，并执行上述的基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法。

37、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法。

38、本技术公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：

39、本技术提供的基于数字孪生的防汛闸门调度管控方法及系统，可在闸门异步启闭诱发的侧向壅水风险影响下实现防汛闸门群的安全约束调度；首先，通过构建防汛闸门群的数字孪生体并获取当前防汛工况下的流场数字镜像，能够将闸门群的实时运行状态高保真映射至数字空间，为后续所有仿真推演与风险预判提供与物理实际保持同步的可靠基准状态，从而消除从零初始场或假设初始场启动计算所引入的流场建立过渡误差；其次，接收调度指令并生成各闸门的拟执行开度序列，在于通过数字孪生体中的迭代仿真与孔口出流公式的联合校核，使各闸门在均衡分配泄流任务的前提下，其开度值经过流场数值计算模型的验证与修正，消除了仅凭理论公式直接计算开度所忽略的闸门间水流互扰效应带来的泄流偏差，为后续异步启闭风险识别提供真实可靠的动作基准；进一步，识别时间重叠窗口并模拟侧向挤压作用以计算闸后壅水峰值，以预先从时序层面定位异步启闭产生水流互扰的重叠窗口，并通过瞬态流场精细化仿真量化该窗口内因水流侧向挤压引发的壅水最高瞬时水位，为是否启动更深层次的水力分析提供明确的判定依据；然后，将水力参数引入圣维南方程组进行第二轮修正仿真以获得水位扰动约束，在于将闸后局部壅水视为非恒定流涌浪的生成源，通过一维明渠非恒定流演进计算捕捉涌浪沿下游河道传播并对相邻闸门单元产生二次水位扰动的完整物理过程，使得水位扰动约束不仅反映闸后瞬时壅水风险，更涵盖涌浪传播的滞后性影响，为启闭时序优化提供更为全面且真实的限制条件；最后，基于水位扰动约束反向优化启闭时序以获得目标闸门开度，进而以最小的启闭时刻调整代价从根源上消除产生水流侧向挤压作用的时间重叠条件，在不改变闸门开度值、不牺牲总下泄流量控制精度的前提下，避免异步启闭引发的壅水与涌浪对下游防护结构的冲击破坏，同时最大程度保留原调度方案的时间响应特性，实现了防汛闸门群调度安全性与泄流执行效率的协同最优；综上所述，本技术提供的技术方案可在闸门异步启闭诱发的侧向壅水风险影响下实现防汛闸门群的安全约束调度。