隨著全球數(shù)字化浪潮的迅猛推進(jìn)，迎來了一個充滿變革與創(chuàng)新的智能時代。數(shù)字孿生技術(shù)憑借其對物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等尖端技術(shù)的融合，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力和獨(dú)特的優(yōu)勢，正逐步滲透到各個行業(yè)領(lǐng)域，為現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行與發(fā)展提供著強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
作為未來工業(yè)革命的核心技術(shù)之一，中南院在隔水幕墻試驗(yàn)工程的全過程實(shí)施中，數(shù)字孿生技術(shù)以其卓越的精準(zhǔn)模擬和實(shí)時監(jiān)測能力，為工程的每一個環(huán)節(jié)提供了堅(jiān)實(shí)的保障，更以其前瞻性和創(chuàng)新性，為低溫水治理的智能化發(fā)展指明了方向。
智慧引領(lǐng)，破解深水設(shè)計難關(guān)
三板溪水電站隔水幕墻試驗(yàn)工程，作為世界首例應(yīng)用于已蓄水高壩大庫的低溫水治理工程，其設(shè)計初期便遭遇到前所未有的挑戰(zhàn)。工程團(tuán)隊(duì)如“逆水行舟”，不僅要面對水庫大跨度、超百米深水環(huán)境所帶來的不確定性和復(fù)雜性，還需要克服水庫的高位水變幅問題帶來的方案與設(shè)計難度。
隨著研究的深入，技術(shù)瓶頸逐漸凸顯：團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)研究水庫水溫分層現(xiàn)象時，分別運(yùn)用數(shù)值模擬及物理模型實(shí)驗(yàn)分析所得到的結(jié)果相差逾10倍。面對如此顯著的差異，團(tuán)隊(duì)開展了大量關(guān)于新技術(shù)路徑的專題研究，不斷探索可能的突破點(diǎn)。經(jīng)過深思熟慮、對比與嚴(yán)格評估，團(tuán)隊(duì)決定摒棄傳統(tǒng)的物理模型實(shí)驗(yàn)路徑，轉(zhuǎn)而大膽嘗試數(shù)字孿生設(shè)計技術(shù)路線，采用全數(shù)值模擬的方法，以期破解當(dāng)前技術(shù)難題，打開破局之門。
數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用之路同樣充滿挑戰(zhàn)。在隔水幕墻設(shè)計的數(shù)值模擬過程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)水溫變化導(dǎo)致的密度差異是影響柔性幕墻結(jié)構(gòu)荷載的關(guān)鍵因素。由于模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)乎每個結(jié)構(gòu)構(gòu)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(tuán)隊(duì)不得不借助高精度軟件的輔助，以確保模擬結(jié)果的精確性和可靠性。然而，隔水幕墻特有的以溫度為主導(dǎo)的荷載特性，使得即便是在水庫水溫領(lǐng)域頗具權(quán)威的美國ce-qual-w2軟件，也難以完全滿足工程設(shè)計中復(fù)雜水位和荷載組合運(yùn)行工況的仿真分析需求。
面對傳統(tǒng)模型軟件無法滿足項(xiàng)目要求的困境，團(tuán)隊(duì)毅然決定走上自主創(chuàng)新的征途。在研發(fā)道路上，團(tuán)隊(duì)成員展現(xiàn)出超乎尋常的韌性和決心，他們不斷調(diào)試參數(shù)，精細(xì)優(yōu)化模型，與哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)密切合作，致力于研發(fā)出適用于隔水幕墻的形態(tài)、應(yīng)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(jīng)過五年辛苦耕耘，團(tuán)隊(duì)成員匠心獨(dú)運(yùn)，逐字逐句雕琢代碼，精益求精打磨公式，孜孜不倦優(yōu)化算法。隨著算法的不斷迭代和海量數(shù)據(jù)的計算，成功推出了創(chuàng)新向量式有限元索網(wǎng)模型、“溫度-水動力-形態(tài)-荷載”流固耦合分析模型。在團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日的辛勤付出和一臺又一臺報廢的服務(wù)器見證下，實(shí)現(xiàn)了無預(yù)應(yīng)力大變位柔性擋水結(jié)構(gòu)體型和應(yīng)力分析技術(shù)，完全替代了美國水庫水溫領(lǐng)域權(quán)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(tài)、荷載、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析難點(diǎn)被逐項(xiàng)攻克，通過模擬深水環(huán)境下幕墻的各項(xiàng)性能指標(biāo)，提升了設(shè)計的精確性和可靠性，大幅縮短了研發(fā)周期，為工程的后續(xù)施工和運(yùn)行提供了有力保障。
智慧輔助，確保深水施工無阻
經(jīng)過縝密的設(shè)計和精心籌備，隔水幕墻試驗(yàn)工程順利進(jìn)入施工階段。面對水庫大跨度、超百米深水施工的嚴(yán)苛技術(shù)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)?wèi){借數(shù)值仿真分析手段，確保工程建設(shè)的穩(wěn)步進(jìn)行。
鑒于當(dāng)時行業(yè)內(nèi)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(shí)地試驗(yàn)不僅成本高昂，且潛在風(fēng)險極大，稍有不慎便可能導(dǎo)致難以挽回的后果。因此，經(jīng)過慎重評估，團(tuán)隊(duì)首先在縮尺實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步探索，然后，借助數(shù)值仿真分析手段，對深水幕布拼裝、下放與裝配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行各階段、全環(huán)節(jié)地模擬預(yù)演和方案優(yōu)化。大面積幕布水面的精準(zhǔn)拼裝以及深水裝配施工，無疑是隔水幕墻試驗(yàn)工程的核心挑戰(zhàn)。為了克服這一難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從零開始，打造了一套專門針對水庫柔性大跨度擋水結(jié)構(gòu)體型一體化施工運(yùn)行的全過程監(jiān)測設(shè)備體系，實(shí)時監(jiān)控施工過程中的每一個環(huán)節(jié)，確保工程質(zhì)量和安全。
幕墻拼裝是工程實(shí)施的關(guān)鍵，團(tuán)隊(duì)對施工全過程進(jìn)行仿真分析和預(yù)演，精心制定了五套方案。經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)與驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)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(shù)值仿真不僅優(yōu)化了施工流程，還指導(dǎo)了分幅拼裝、幕布沉放、與地錨和浮箱的連接等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，保證了施工團(tuán)隊(duì)的高效作業(yè)，有效解決了柔性結(jié)構(gòu)水面漂浮形態(tài)不可控、深水形態(tài)不可視等問題，實(shí)現(xiàn)了6萬平方米的幕布在水面上準(zhǔn)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(guān)重要的角色，它們能夠精確模擬空間柔性擋水結(jié)構(gòu)在復(fù)雜形態(tài)和多種荷載組合工況下的形態(tài)和應(yīng)力分布情況，其卓越的精確度和可靠性，配合對大數(shù)據(jù)的快速處理能力，為幕布下放與裝配方案的實(shí)時調(diào)整提供了重要依據(jù)，最大可能減少了地錨荷載，確保了施工的順利進(jìn)行。
數(shù)字化技術(shù)與施工過程的深度融合，為深水施工領(lǐng)域帶來了顯著突破。團(tuán)隊(duì)在這一進(jìn)程中，不僅成功設(shè)計了深水三維空間線形動態(tài)監(jiān)測設(shè)備，還發(fā)明了垂向水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波計算方法、提出了水位自適應(yīng)布線設(shè)計施工成套技術(shù)等。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，為隔水幕墻的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控效果的全方位動態(tài)監(jiān)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(fēng)險。
在項(xiàng)目實(shí)施過程中，施工團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮了數(shù)值仿真分析的優(yōu)勢，通過精準(zhǔn)模擬關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化施工方案，有效攻克了深水施工中的多項(xiàng)技術(shù)難題，使得隔水幕墻試驗(yàn)工程在短短不到半年得以高質(zhì)量完成，并為試運(yùn)行階段的出色表現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
智慧護(hù)航，穩(wěn)定深水運(yùn)行不輟
隨著隔水幕墻試驗(yàn)工程的圓滿完成，工程迎來了檢驗(yàn)其成果的關(guān)鍵時刻。在這一年的試運(yùn)行期間，數(shù)字化技術(shù)始終為隔水幕墻的穩(wěn)定運(yùn)行持續(xù)保駕護(hù)航，最終確保工程成功通過驗(yàn)收。
深水大跨度柔性結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知與智能調(diào)度，在隔水幕墻工程建設(shè)中舉足輕重。但由于深水環(huán)境的復(fù)雜性和不可視性，傳統(tǒng)的調(diào)控手段在追求精準(zhǔn)控制時往往力不從心。因此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定依托數(shù)字化技術(shù)，踏上研發(fā)隔水幕墻智能調(diào)控系統(tǒng)的征程。
在深水環(huán)境下，牽引索的收放方案受到復(fù)雜多變的水位、荷載組合工況的直接影響，呈現(xiàn)出極高的復(fù)雜性和動態(tài)性。面對動態(tài)確定最佳收放方案的難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)用三年時間持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)，成功克服種種困難，最終建成了隔水幕墻智能調(diào)控系統(tǒng)。
這一智能調(diào)控系統(tǒng)作為項(xiàng)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(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r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(shù)據(jù)，為隔水幕墻的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控提供精準(zhǔn)依據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)置了水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波、隔水幕墻荷載計算等一系列先進(jìn)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對160米深水不可視環(huán)境下隔水幕墻結(jié)構(gòu)、形態(tài)和水溫調(diào)控效果的實(shí)時動態(tài)分析。
此外，智能調(diào)控系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的跟蹤和計算能力。它能實(shí)時跟蹤隔水幕墻在深水中的水溫、形態(tài)及荷載變化，全面掌握其數(shù)萬種的復(fù)雜工況形態(tài)下的運(yùn)行狀況?；谶@些精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠通過先進(jìn)的協(xié)同模擬分析技術(shù)，確定幕墻調(diào)控結(jié)構(gòu)最佳的升降方式，并精確計算出每個形態(tài)下28根升降牽引索的合適長度，實(shí)現(xiàn)對水庫水溫的精準(zhǔn)調(diào)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(diào)控系統(tǒng)，管理人員已逐步構(gòu)建起應(yīng)對水庫水溫管理水挑戰(zhàn)的能力。系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測隔水幕墻的運(yùn)行狀態(tài)，并為未來主動模擬各種工況，深入研究隔水幕墻運(yùn)行后水庫水溫結(jié)構(gòu)演變規(guī)律提供了有力的技術(shù)平臺。展望未來，結(jié)合每年的水文、氣象、電站調(diào)度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以根據(jù)年際差異或變化，為動態(tài)模擬分析和智能推算隔水幕墻調(diào)度方案提供有針對性的科學(xué)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)低溫水治理效果的智能動態(tài)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
在數(shù)字化浪潮澎湃的時代背景下，中南院堅(jiān)定不移地深化數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將數(shù)字技術(shù)深深融入企業(yè)發(fā)展的核心，讓數(shù)據(jù)成為引領(lǐng)決策、驅(qū)動創(chuàng)新的核心力量。作為全過程數(shù)字孿生設(shè)計、運(yùn)行實(shí)踐的先行者，中南院傾力打造先進(jìn)的數(shù)字平臺、優(yōu)化數(shù)據(jù)治理體系、不斷提升數(shù)據(jù)分析能力，從而為智能工程建設(shè)提供全面、細(xì)致且具有前瞻性的指導(dǎo)。
數(shù)字化不僅是技術(shù)的升級，更是思維模式的革新。隨著數(shù)字化的深入，數(shù)字潛能將不斷被釋放，為企業(yè)注入新的活力。因此，中南院將秉持開放包容的態(tài)度，積極擁抱數(shù)字化變革，攜手合作伙伴共同書寫企業(yè)智能化發(fā)展的新篇章，邁向一個更加智能、高效且可持續(xù)的未來。
低溫水治理工程仿真分析軟件
索網(wǎng)形態(tài)應(yīng)力分析技術(shù)
隔水幕墻智慧運(yùn)維平臺
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