基于數(shù)字孿生技術的九江城市智慧水務平臺設計與實現(xiàn)

陳國標

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

數(shù)字孿生最早由密歇根大學的Michael Grieves教授提出的“信息鏡像模型”演變而來，美國國防部最早將數(shù)字孿生技術用于航空航天飛行器的健康維護與保障[1]。通過數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并將傳感器與飛機真實狀態(tài)與數(shù)字空間同步映射，通過數(shù)據(jù)模型驅(qū)動實現(xiàn)對飛機未來狀態(tài)的預測[2]。同時數(shù)字孿生技術也可用于新建或改建物理實體的數(shù)字化表達，通過構(gòu)建實體對象的數(shù)字化模型，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和模型算法實現(xiàn)實體對象數(shù)字孿生體的虛擬構(gòu)建，可用于對物理實體的模擬、仿真、優(yōu)化及預測[3]。

數(shù)字孿生技術誕生之初由于計算機、通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術瓶頸導致數(shù)字孿生技術的應用主要集中在規(guī)模較小的實體模型，如飛行器、汽車制造、武器裝備及數(shù)字工廠等小尺度范圍內(nèi)[4-9]。隨著技術進步，特別是云技術、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲與傳輸速度得到了極大的提高，數(shù)字孿生技術逐步應用于城市級別甚至流域級別的尺度，如智慧村落、智慧城市，甚至智慧流域的概念逐步提出[10-16]。

智慧水務屬于智慧城市的范疇，最早在2014—2015年提出，并主要應用于自來水廠的數(shù)字化改造以及城市給水管網(wǎng)的滲漏預測[17-19]。隨著中國新基建概念的提出，數(shù)字化與智能化要求越來越高，智慧水務概念的外延逐步擴大到廠網(wǎng)河湖(岸)等系統(tǒng)，如何實現(xiàn)不同子系統(tǒng)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)映射、模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)管理成為科技人員急需解決的問題[20-22]。

本文以九江智慧水務應用實踐為例，通過構(gòu)建九江智慧水務平臺，以數(shù)字孿生技術為核心，打造九江中心城區(qū)數(shù)據(jù)基座，結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計算等技術，建立九江中心城區(qū)水環(huán)境的時空模型，實現(xiàn)智慧工程、智慧資產(chǎn)、智慧監(jiān)測、智慧決策和智慧評價方面的應用，為未來智慧水務建設提供了經(jīng)驗參考[23-26]。

1 總體設計

1.1 城市現(xiàn)狀

九江市位于江西省最北部，地處贛、鄂、皖、湘四省交界處，號稱“三江之口、七省通衢”，是江西省唯一臨江臨港的城市，也是一座有著2 200多年歷史的江南名城。九江是首批5個沿江對外開放城市之一，是長江經(jīng)濟帶重要節(jié)點城市，是推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展領導小組辦公室確定的長江大保護先行先試的試點城市之一。目前，九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)存在生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、水體黑臭、水體富營養(yǎng)化、城市內(nèi)澇、水質(zhì)型缺水等諸多問題。

1.2 設計內(nèi)容

作為長江大保護首批實施的先行先試項目，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目一期投資額高達約77億元，項目覆蓋面積達220 km2，包括九江中心城區(qū)水務基礎設施建設、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺系統(tǒng)建設等。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網(wǎng)河湖(岸)一體的先進排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動及河湖聯(lián)動的綜合治理模式、五湖聯(lián)動的清源活水模式、市政管網(wǎng)的全面提升模式”及智慧管控模式進行全面研究，從而對整個長江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展工作推進起到較強引領和示范作用。

九江市智慧水務平臺設計圍繞城市“水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化”五位一體的戰(zhàn)略應用，綜合應用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術，采集、匯總和利用營銷、呼叫中心、管網(wǎng)運維等眾多數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)平臺、應用平臺為框架，以實現(xiàn)對河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調(diào)蓄池、管網(wǎng)、氣象等水務基礎設施和水文、水質(zhì)、水壓等水情的自動化監(jiān)測、實時化調(diào)度、網(wǎng)絡化辦事、系統(tǒng)化管理、科學化決策和規(guī)范化服務。

1.3 總體架構(gòu)

九江智慧水務整體實施思路以“一朵云”“一張網(wǎng)”“一張圖”“五中心”“一本賬”的“11151”總體框架(圖1)，在長江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎設施建設的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點。在排水管網(wǎng)節(jié)點處布設自動化監(jiān)測設備，組成監(jiān)測感知一張網(wǎng)，通過GIS+BIM技術構(gòu)建數(shù)字孿生一張圖。面向各級管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務應用、決策支持及展示宣傳五大中心。創(chuàng)新管理思維模式，建設績效指標考核體系，圍繞長江大保護的核心目標在九江市開展示范應用。

圖1 九江智慧水務總體框架

九江市智慧水務平臺通過調(diào)用長江生態(tài)云中心平臺統(tǒng)一提供的計算、存儲、網(wǎng)絡、物聯(lián)感知等資源服務，開展九江本地監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及對接、GIS+BIM基礎數(shù)據(jù)對接，對水資源、城市供水、污水、雨水、河湖、再生水和防洪系統(tǒng)以及城市藍線管控空間等要素進行有機整合，標準化產(chǎn)品調(diào)用以及定制化開發(fā)，以創(chuàng)新性的共建共享模式實現(xiàn)長江大保護智慧水務的集約化建設、規(guī)范化管理、共享式服務與一體化運營。

2 平臺建設內(nèi)容

為實現(xiàn)九江市水務治理“長治久安”的目標，以數(shù)字孿生技術為核心，建立基于實景建模、GIS+BIM、5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計算等技術相融合的智慧水務平臺?；陂L江智慧水務的整體架構(gòu)，進行技術體系架構(gòu)設計，主要包括智慧感知層、基礎設施層、數(shù)據(jù)共享與分析層、應用使能層、智慧應用層，具體技術架構(gòu)見圖2。

圖2 九江智慧水務平臺技術架構(gòu)

九江市智慧水務平臺數(shù)字孿生技術的應用，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過對資產(chǎn)、項目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達，利用物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、人工智能等手段，實現(xiàn)項目、資產(chǎn)的數(shù)字化表達與雙向的信息同步，其顯著的特征是統(tǒng)一、可信與易取。在工程整個全生命周期中，所有參與方都使用同一個數(shù)字孿生對象，從而實現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對現(xiàn)在、過去數(shù)據(jù)的分析，以提升項目、資產(chǎn)的可靠性，抗風險能力和生產(chǎn)力，平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖3。

從整體結(jié)構(gòu)來說，舊規(guī)則包括五方面的內(nèi)容，而新規(guī)則擴充為七方面；從具體條款分析，新規(guī)則部分內(nèi)容進一步充實，其闡釋更為詳細。

圖3 九江智慧水務平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.1 數(shù)字環(huán)境構(gòu)建

數(shù)字孿生技術的第一步就是生成數(shù)字模型，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關鍵[27]，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺可視化程度較低的弊端，平臺數(shù)字化底座的建設采用無人機傾斜攝影技術，開展九江市域項目范圍內(nèi)的影像采集工作，搭建九江整個建設區(qū)域內(nèi)地理、地貌、設施數(shù)字化實景模型(圖4)，替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建，作為工程相關數(shù)據(jù)、BIM設計的“底圖”，打造基于“一張圖”的九江市中心城區(qū)水環(huán)境綜合整治智慧水務實施的藍圖。

2.2 數(shù)字模型構(gòu)建

在數(shù)字環(huán)境構(gòu)建的基礎上，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺設計基于項目范圍內(nèi)已建、在建與新建水務相關工程的初步設計圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構(gòu)建。其中，測繪專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、水機專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設計軟件搭建污水處理廠的廠房結(jié)構(gòu)模型、工藝設施模型、廠區(qū)地形模型等構(gòu)建筑物。利用Bentley ProjectWise平臺協(xié)同設計和Navigator碰撞檢查，提高在建與新建項目設計和施工質(zhì)量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設計異常點，再用Navigator批注和處理這些碰撞點。制定統(tǒng)一設計平臺，定制標準元件庫和Part樣式，結(jié)合Workspace推送實現(xiàn)標準化設計。同時在工程數(shù)字化基礎上，采用數(shù)字孿生技術，將BIM模型通過iModel發(fā)布并上傳到智慧水務云平臺，實現(xiàn)Web端和移動端數(shù)據(jù)訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)融合，從而導入智慧水務平臺，實現(xiàn)基于GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧水務“一張圖”應用系統(tǒng)，具體成果見圖5。

2.3 物理數(shù)據(jù)映射

在物理實體模型與數(shù)字模型構(gòu)建的基礎上，為進一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅(qū)動，本研究通過BIM與GIS集成應用，以實現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實體模型和數(shù)字模型的映射，同時提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力[28]。通過GIS宏觀地將單個建筑的BIM應用擴展到范圍更大的智慧水務等工程領域。

利用GIS+BIM信息技術，將多來源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成，針對管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池、污水廠以及監(jiān)測設備等水務設施管理涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)建立管理、瀏覽、查詢和空間分析功能，更加有效、綜合、豐富、全面地顯示和分析大量水務設施數(shù)據(jù)，為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實全面的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持，具體成果見圖6。

圖6 基于GIS+BIM的城市排水系統(tǒng)精細化管理

2.4 感知數(shù)據(jù)映射

數(shù)字孿生技術與以往仿真模擬技術最大的不同是感指數(shù)居的映射，從而創(chuàng)造一個實時的“真實”的虛擬環(huán)境[29]。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內(nèi)容的實時在線智能監(jiān)測與感知(水位、流量、水質(zhì)、視頻等)數(shù)據(jù)，建立起覆蓋九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目的智能感知網(wǎng)絡，提升九江市水務部門信息采集能力，提高九江市流域水資源調(diào)度、水環(huán)境改善與防洪排澇管理的應對能力。

九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項目的智能感知網(wǎng)絡的監(jiān)控內(nèi)容，見圖7。

圖7 九江智慧水務平臺智能感知網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容

2.5 智慧應用

a)綜合展示?；贕IS+BIM技術，對水環(huán)境治理規(guī)劃、水務設施建設、水務運營管理等幾個方面進行可視化管理，打造綜合展示一張圖。

b)智慧資產(chǎn)。在工程數(shù)字化的基礎上，對設施資產(chǎn)進行智慧化應用。利用GIS+BIM等信息技術，提供污水處理廠、地下管網(wǎng)、防洪排澇設施、監(jiān)測設備等水務設施管理以及涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、查詢和空間分析功能。為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實全面的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持。

c)智慧監(jiān)測。通過接入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對廠網(wǎng)河湖岸進行一體化監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)設施運行中的突發(fā)狀況，有助于事故快速預警、溯源與追蹤，管理部門對排水事故的預警和處理能力得到提升。

d)智慧決策?；谠诰€監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過水環(huán)境仿真建模，對污染源擴散、內(nèi)澇、基礎設施水容量等進行有效分析，形成智慧決策大腦，為管理者預測災情、事故、突發(fā)事件所帶來的后果，幫助管理者能夠準確的進行決策與指揮。同時結(jié)合移動端應用，使處理工作快速靈敏并協(xié)調(diào)有序。

e)智慧評價。通過污水廠、管網(wǎng)、流域、排口的監(jiān)測數(shù)據(jù)、以及流域的遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和流域生態(tài)分析，為城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)治理工程實施成果進行綜合評估，為工程運行的正常運行提供評價分析保障。

3 創(chuàng)新示范應用

采用數(shù)字孿生技術構(gòu)建的九江智慧水務平臺，實現(xiàn)了以下3個方面的新技術實踐。

a)城市水務設施數(shù)字化。在九江試點期間，市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術，完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計453.258 km的管網(wǎng)GIS建模，完成了城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化。采用傾斜攝影技術，覆蓋十里河、兩河流域及彭澤區(qū)域，飛行272架次，采集7萬多張照片，航拍影像覆蓋九江中心城區(qū)80 km2，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構(gòu)建精度達3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化?；贐IM技術，圍繞芳蘭污水處理廠、蓄水池、污水提升泵站等地下排水管網(wǎng)構(gòu)建筑物，將BIM成果貫穿工程設計、施工以及竣工，在工程設計過程中，通過BIM設計模型的審核、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設計問題，減少施工變更，從而有效節(jié)約了成本。同時，采用OpenRoads導入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)，自動形成三維管網(wǎng)模型，通過GIS+BIM技術融合，將管網(wǎng)及水務基礎設施三維BIM模型導入到實景數(shù)字環(huán)境中，在九江地區(qū)實現(xiàn)了基于GIS+BIM的水務設施數(shù)字化示范應用(圖8)，為工程基礎設施的運維管理提供基礎數(shù)據(jù)調(diào)用及服務。

b)基于數(shù)字孿生技術的資產(chǎn)管理。從工程采集與設計初期，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)采集模板、設計規(guī)范，通過標準的數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，將設施設備基礎信息與數(shù)字化模型通過編碼進行掛接，形成數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)不同類型和不同階段的數(shù)據(jù)存儲及管理，并在web端完成模型輕量化轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)水務設施設備資產(chǎn)的可視化管理，見圖9。

圖9 基于數(shù)字孿生技術的web端設備資產(chǎn)管理

c)水力模型與三維實景融合打造數(shù)字孿生業(yè)務動態(tài)模擬。在九江，針對城市水務及水環(huán)境數(shù)據(jù)海量性、多類性、模糊性、時空過程性、動態(tài)更新頻繁等特點，利用SewerGEMS和Openflows Flood構(gòu)建不同尺度的實時動態(tài)水動力模型，通過高性能計算集群完成模型多任務、多用戶并發(fā)分布式實時計算，快速、精確地實現(xiàn)管網(wǎng)水力、地表漫流、河網(wǎng)河道、水質(zhì)傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分析與調(diào)用。同時，水動力模型根據(jù)監(jiān)測或預報數(shù)據(jù)實時在線進行動態(tài)模擬計算，實現(xiàn)城市廠站網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度、泵閘管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、城市內(nèi)澇預測、管網(wǎng)江河水質(zhì)傳遞計算等業(yè)務功能，并將水力模型與三維實景模型相結(jié)合，面向城市內(nèi)澇業(yè)務，實現(xiàn)三維可視化的實景動態(tài)模擬，見圖10。

圖10 基城市內(nèi)澇實景實時動態(tài)模擬

4 結(jié)語

綠水青山就是金山銀山，隨著中國對生態(tài)環(huán)境的逐步重視，基于數(shù)字孿生技術的城市智慧水務平臺建設將越來越多，如何有效地利用海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)水務數(shù)字化和智慧型管理轉(zhuǎn)型將是中國未來基礎設施建設面臨的巨大機遇與挑戰(zhàn)。本文基于數(shù)字孿生技術開展九江智慧水務平臺建設的探索，已實現(xiàn)工程數(shù)字化、模型與數(shù)據(jù)一體化、數(shù)據(jù)輔助決策等相關功能，期望能為中國未來智慧城市建設提供經(jīng)驗參考。