隨著全球數字化浪潮的迅猛推進，迎來了一個充滿變革與創新的智能時代。數字孿生技術憑借其對物聯網、大數據和人工智能等尖端技術的融合，展現出了強大的潛力和獨特的優勢，正逐步滲透到各個行業領域，為現實世界的運行與發展提供著強有力的技術支撐。
作為未來工業革命的核心技術之一，中南院在隔水幕墻試驗工程的全過程實施中，數字孿生技術以其卓越的精準模擬和實時監測能力，為工程的每一個環節提供了堅實的保障，更以其前瞻性和創新性，為低溫水治理的智能化發展指明了方向。
智慧引領，破解深水設計難關
三板溪水電站隔水幕墻試驗工程，作為世界首例應用于已蓄水高壩大庫的低溫水治理工程，其設計初期便遭遇到前所未有的挑戰。工程團隊如“逆水行舟”，不僅要面對水庫大跨度、超百米深水環境所帶來的不確定性和復雜性，還需要克服水庫的高位水變幅問題帶來的方案與設計難度。
隨著研究的深入，技術瓶頸逐漸凸顯：團隊發現研究水庫水溫分層現象時，分別運用數值模擬及物理模型實驗分析所得到的結果相差逾10倍。面對如此顯著的差異，團隊開展了大量關于新技術路徑的專題研究，不斷探索可能的突破點。經過深思熟慮、對比與嚴格評估，團隊決定摒棄傳統的物理模型實驗路徑，轉而大膽嘗試數字孿生設計技術路線，采用全數值模擬的方法，以期破解當前技術難題，打開破局之門。
數字化技術的運用之路同樣充滿挑戰。在隔水幕墻設計的數值模擬過程中，團隊發現水溫變化導致的密度差異是影響柔性幕墻結構荷載的關鍵因素。由于模型計算結果的準確性直接關乎每個結構構件的荷載分布，整個模擬工作對計算精度的要求極高。因此，團隊不得不借助高精度軟件的輔助，以確保模擬結果的精確性和可靠性。然而，隔水幕墻特有的以溫度為主導的荷載特性，使得即便是在水庫水溫領域頗具權威的美國ce-qual-w2軟件，也難以完全滿足工程設計中復雜水位和荷載組合運行工況的仿真分析需求。
面對傳統模型軟件無法滿足項目要求的困境，團隊毅然決定走上自主創新的征途。在研發道路上，團隊成員展現出超乎尋常的韌性和決心，他們不斷調試參數，精細優化模型，與哈爾濱工業大學團隊密切合作，致力于研發出適用于隔水幕墻的形態、應力分析模型和軟件，并深入探索與之匹配的流固耦合方法。
“不積跬步，無以至千里”，經過五年辛苦耕耘，團隊成員匠心獨運，逐字逐句雕琢代碼，精益求精打磨公式，孜孜不倦優化算法。隨著算法的不斷迭代和海量數據的計算，成功推出了創新向量式有限元索網模型、“溫度-水動力-形態-荷載”流固耦合分析模型。在團隊成員夜以繼日的辛勤付出和一臺又一臺報廢的服務器見證下，實現了無預應力大變位柔性擋水結構體型和應力分析技術，完全替代了美國水庫水溫領域權威仿真分析軟件ce-qual-w2的低溫水治理工程仿真分析軟件逐漸問世。
通過高精度的模型算法與軟件輔助，隔水幕墻形態、荷載、結構應力分析難點被逐項攻克，通過模擬深水環境下幕墻的各項性能指標，提升了設計的精確性和可靠性，大幅縮短了研發周期，為工程的后續施工和運行提供了有力保障。
智慧輔助，確保深水施工無阻
經過縝密的設計和精心籌備，隔水幕墻試驗工程順利進入施工階段。面對水庫大跨度、超百米深水施工的嚴苛技術挑戰，團隊憑借數值仿真分析手段，確保工程建設的穩步進行。
鑒于當時行業內尚無在160米深水不可視條件下連接幕布和地錨的先例，在這種深度下開展實地試驗不僅成本高昂，且潛在風險極大，稍有不慎便可能導致難以挽回的后果。因此，經過慎重評估，團隊首先在縮尺實驗的基礎上進行了初步探索，然后，借助數值仿真分析手段，對深水幕布拼裝、下放與裝配等關鍵環節進行各階段、全環節地模擬預演和方案優化。大面積幕布水面的精準拼裝以及深水裝配施工，無疑是隔水幕墻試驗工程的核心挑戰。為了克服這一難題，研發團隊從零開始，打造了一套專門針對水庫柔性大跨度擋水結構體型一體化施工運行的全過程監測設備體系，實時監控施工過程中的每一個環節，確保工程質量和安全。
幕墻拼裝是工程實施的關鍵，團隊對施工全過程進行仿真分析和預演，精心制定了五套方案。經過實地試驗與驗證，團隊最終選擇了充氣平臺+水面漂浮組合方案。面對緊迫的工期，數值仿真不僅優化了施工流程，還指導了分幅拼裝、幕布沉放、與地錨和浮箱的連接等創新技術的應用，保證了施工團隊的高效作業，有效解決了柔性結構水面漂浮形態不可控、深水形態不可視等問題，實現了6萬平方米的幕布在水面上準確無誤地拼接。
模型與軟件在隔水幕墻工程中也扮演著至關重要的角色，它們能夠精確模擬空間柔性擋水結構在復雜形態和多種荷載組合工況下的形態和應力分布情況，其卓越的精確度和可靠性，配合對大數據的快速處理能力，為幕布下放與裝配方案的實時調整提供了重要依據，最大可能減少了地錨荷載，確保了施工的順利進行。
數字化技術與施工過程的深度融合，為深水施工領域帶來了顯著突破。團隊在這一進程中，不僅成功設計了深水三維空間線形動態監測設備，還發明了垂向水溫監測數據濾波計算方法、提出了水位自適應布線設計施工成套技術等。這些技術的綜合應用，為隔水幕墻的結構、形態和水溫調控效果的全方位動態監測提供了有力保障，也提高了施工精度和效率、降低了工程風險。
在項目實施過程中，施工團隊充分發揮了數值仿真分析的優勢，通過精準模擬關鍵施工環節，不斷優化施工方案，有效攻克了深水施工中的多項技術難題，使得隔水幕墻試驗工程在短短不到半年得以高質量完成，并為試運行階段的出色表現奠定了堅實基礎。
智慧護航，穩定深水運行不輟
隨著隔水幕墻試驗工程的圓滿完成，工程迎來了檢驗其成果的關鍵時刻。在這一年的試運行期間，數字化技術始終為隔水幕墻的穩定運行持續保駕護航，最終確保工程成功通過驗收。
深水大跨度柔性結構狀態感知與智能調度，在隔水幕墻工程建設中舉足輕重。但由于深水環境的復雜性和不可視性，傳統的調控手段在追求精準控制時往往力不從心。因此，項目團隊決定依托數字化技術，踏上研發隔水幕墻智能調控系統的征程。
在深水環境下，牽引索的收放方案受到復雜多變的水位、荷載組合工況的直接影響，呈現出極高的復雜性和動態性。面對動態確定最佳收放方案的難題，項目團隊用三年時間持續開展技術攻關，成功克服種種困難，最終建成了隔水幕墻智能調控系統。
這一智能調控系統作為項目的“智慧大腦”，匯集了大量深水體型、荷載傳感器和水溫傳感器的監測數據。系統能夠實時收集并處理通過104個深水體型、荷載傳感器和308個水溫傳感器收集的各類數據，為隔水幕墻的結構、形態和水溫調控提供精準依據。系統內置了水溫監測數據濾波、隔水幕墻荷載計算等一系列先進算法，能夠實現對160米深水不可視環境下隔水幕墻結構、形態和水溫調控效果的實時動態分析。
此外，智能調控系統還具有強大的跟蹤和計算能力。它能實時跟蹤隔水幕墻在深水中的水溫、形態及荷載變化，全面掌握其數萬種的復雜工況形態下的運行狀況。基于這些精準的監測數據，系統能夠通過先進的協同模擬分析技術，確定幕墻調控結構最佳的升降方式，并精確計算出每個形態下28根升降牽引索的合適長度，實現對水庫水溫的精準調控，從而滿足下游魚類生長繁殖對水溫的特定要求。
借助這一智能調控系統，管理人員已逐步構建起應對水庫水溫管理水挑戰的能力。系統能實時監測隔水幕墻的運行狀態，并為未來主動模擬各種工況，深入研究隔水幕墻運行后水庫水溫結構演變規律提供了有力的技術平臺。展望未來，結合每年的水文、氣象、電站調度數據，系統可以根據年際差異或變化，為動態模擬分析和智能推算隔水幕墻調度方案提供有針對性的科學依據，為實現低溫水治理效果的智能動態優化奠定了基礎。
在數字化浪潮澎湃的時代背景下，中南院堅定不移地深化數字化轉型，將數字技術深深融入企業發展的核心，讓數據成為引領決策、驅動創新的核心力量。作為全過程數字孿生設計、運行實踐的先行者，中南院傾力打造先進的數字平臺、優化數據治理體系、不斷提升數據分析能力，從而為智能工程建設提供全面、細致且具有前瞻性的指導。
數字化不僅是技術的升級，更是思維模式的革新。隨著數字化的深入，數字潛能將不斷被釋放，為企業注入新的活力。因此，中南院將秉持開放包容的態度，積極擁抱數字化變革，攜手合作伙伴共同書寫企業智能化發展的新篇章，邁向一個更加智能、高效且可持續的未來。
低溫水治理工程仿真分析軟件
索網形態應力分析技術
隔水幕墻智慧運維平臺
作者：夏粵英
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