基于數(shù)字孿生的地下管網(wǎng)生態(tài)管理探索實(shí)踐
——以杭州市臨平區(qū)東湖街道為例

文｜杭州市臨平區(qū)東湖街道城市管理辦公室 范愈迅；杭州市臨平區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 胡茂偉；浙江越歌科技有限公司 龐璐渲

1.前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分城市發(fā)生了燃?xì)庑孤┍?、積水內(nèi)澇、道路塌陷等突發(fā)事件，嚴(yán)重影響了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和城市生命線的安全運(yùn)行。為進(jìn)一步加強(qiáng)城市地下管網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、管理，《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》（建城〔2020〕111 號(hào)）、《浙江省數(shù)字化改革總體方案》（浙委改發(fā)〔2021〕2 號(hào)）等文件，要求“運(yùn)用第五代移動(dòng)通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，提升城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化水平”，從摸清底數(shù)、科學(xué)布局、提標(biāo)改造、系統(tǒng)提升、規(guī)范管理等方面推進(jìn)城市地下管網(wǎng)建設(shè)，建立地下管網(wǎng)數(shù)字化生態(tài)管理系統(tǒng)。

2.地下管網(wǎng)管理難點(diǎn)

隨著城市化快速推進(jìn)，杭州市臨平區(qū)地下管網(wǎng)體量每年上升超過(guò)11%，地下“毛細(xì)血管”日益錯(cuò)綜復(fù)雜。為推進(jìn)地下管網(wǎng)數(shù)字化管理，該區(qū)以工業(yè)重鎮(zhèn)東湖街道作為試點(diǎn)，劃定75 平方公里試點(diǎn)范圍，探索建立地下管網(wǎng)數(shù)字化管理體系。管網(wǎng)管理難題如下：

（1）地域面積大，管線數(shù)據(jù)龐雜。試點(diǎn)范圍內(nèi)擁有河道118 條、總長(zhǎng)198 公里，雨污管網(wǎng)長(zhǎng)達(dá)497 公里，雨污井12 萬(wàn)余個(gè)。地下管網(wǎng)包含燃?xì)?、雨水、污水、電力、給水、泵站等多種類型，數(shù)據(jù)龐大復(fù)雜，且分散在各個(gè)部門，在納入東湖統(tǒng)一管理過(guò)程中，存在底賬不清、數(shù)據(jù)缺失、查閱困難、管段與周邊管網(wǎng)關(guān)系不明確等問(wèn)題［1］。

（2）權(quán)屬單位多，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。管網(wǎng)管理工作涉及的部門眾多，包含管線權(quán)屬單位、建設(shè)單位、管理部門等，各部門在實(shí)際工作中“各管各線”，數(shù)據(jù)采集、入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)據(jù)資料較為混亂。

（3）更新維護(hù)工作量大。城市不斷建設(shè)發(fā)展，地下管線亦在持續(xù)更新，在城市建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理過(guò)程中會(huì)新增大量管線數(shù)據(jù)，加工處理量大，維護(hù)成本較高。

3.數(shù)字孿生與地下管網(wǎng)

數(shù)字孿生是賦能智慧城市建設(shè)的創(chuàng)新引領(lǐng)性技術(shù)，其運(yùn)用到城市中，即在城市建筑信息模型（CIM）的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把物理城市的人、物、事件及各類要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間里再造一個(gè)與之完全對(duì)應(yīng)的“虛擬城市”，形成物理維實(shí)體城市和虛擬數(shù)字城市的同生共存、虛實(shí)交融［2］。數(shù)字孿生若運(yùn)用到地下管網(wǎng)管理中，則具備如下特征：

管網(wǎng)實(shí)體的精準(zhǔn)映射。數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字克隆體，因此地下管網(wǎng)的數(shù)字孿生需精準(zhǔn)映射現(xiàn)實(shí)管線信息，在虛擬空間中搭建管網(wǎng)模型，并確保管網(wǎng)及其附屬設(shè)施信息與現(xiàn)實(shí)世界的一一對(duì)應(yīng)。

管網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)感知。物聯(lián)網(wǎng)是支撐數(shù)字孿生的重要技術(shù)之一，它可以匯聚物理世界的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，幫助洞察城市運(yùn)行態(tài)勢(shì)。通過(guò)安裝在城市地下管網(wǎng)中的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)感知異常、提前預(yù)警，促進(jìn)對(duì)各類突發(fā)事件的及時(shí)有效處置。

管網(wǎng)管理的智能決策。數(shù)字孿生的核心能力包含模擬仿真、分析挖掘。在地下管網(wǎng)管理的全生命周期中，可以運(yùn)用數(shù)字孿生的模擬仿真與分析能力，通過(guò)全面、精準(zhǔn)的分析計(jì)算，預(yù)演管線各階段情況，促進(jìn)盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題與危險(xiǎn)，以未來(lái)視角對(duì)地下管網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展進(jìn)行智能干預(yù)，輔助相關(guān)單位的科學(xué)決策［3］。

4.地下管網(wǎng)生態(tài)管理的實(shí)踐

東湖街道利用數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)地下管網(wǎng)閉環(huán)管理，通過(guò)構(gòu)建城市地下數(shù)據(jù)資源庫(kù)、推進(jìn)業(yè)務(wù)重構(gòu)與流程再造、完善信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地下空間數(shù)據(jù)全要素歸集、全方面運(yùn)用、全流程治理、多觸角監(jiān)測(cè)，助力提升地下空間治理能力和治理現(xiàn)代化水平。

4.1 基于數(shù)字孿生底座平臺(tái)

以數(shù)字孿生技術(shù)為依托，以“數(shù)字孿生”鏡像為實(shí)現(xiàn)方式，在城市數(shù)字孿生管道燃?xì)獍踩脚_(tái)的基礎(chǔ)上，迭代更新城市管理數(shù)字化平臺(tái)，將城市運(yùn)維信息納入系統(tǒng)管理，采用以“1+N+4+1”的模式打通部門交互環(huán)節(jié)，形成綜合型系統(tǒng)?！?”即1 個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，“N”為多個(gè)行業(yè)部門的數(shù)據(jù)接入，“4”是根據(jù)應(yīng)用對(duì)象與場(chǎng)景，分為應(yīng)用場(chǎng)景頁(yè)面控制中心、PC 端應(yīng)用場(chǎng)景頁(yè)面、現(xiàn)場(chǎng)工作人員應(yīng)用場(chǎng)景頁(yè)面、數(shù)字政府場(chǎng)景頁(yè)面，“1”是建立一個(gè)樣板工程，推進(jìn)城市管網(wǎng)管理智慧化、治理精細(xì)化、服務(wù)人性化，為杭州乃至全國(guó)建設(shè)數(shù)字孿生城市積累可復(fù)制推廣的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

圖1 東湖街道地下管網(wǎng)生態(tài)管理實(shí)踐

4.2 全方位匯聚數(shù)據(jù)，構(gòu)建地下管網(wǎng)數(shù)字化綜合場(chǎng)景

圖3 虛擬開挖分析

圖4 淹沒(méi)分析

圖5 管網(wǎng)大數(shù)據(jù)看板

（1）數(shù)據(jù)歸集，形成數(shù)字檔案。構(gòu)建城市地下管網(wǎng)“一件事”,以多維、多源、多態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)，以海量智能算法為支撐，通過(guò)“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)+實(shí)時(shí)運(yùn)行+智能監(jiān)控”模式，形成集雨水、污水、弱電、泵站等管網(wǎng)于一體的綜合性電子檔案，助力精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、對(duì)接需求、研判形勢(shì)、預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)變“信息孤島”理念，按照跨部門多業(yè)務(wù)協(xié)同思路，全面梳理區(qū)水務(wù)集團(tuán)、供電公司、港華燃?xì)庖约白〗ň帧⒕C合行政執(zhí)法局、鎮(zhèn)街等部門提供的管網(wǎng)及設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)一地名、地址庫(kù)，將新建管網(wǎng)、傳感器以及應(yīng)用系統(tǒng)，全部納入“地下管網(wǎng)數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)”應(yīng)用場(chǎng)景。目前已歸集11 個(gè)部門近2.3 億條數(shù)據(jù)，有效支撐核心業(yè)務(wù)。

（2）技術(shù)賦能，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)統(tǒng)管。緊盯新建市政地下管線項(xiàng)目及未來(lái)規(guī)劃，始終堅(jiān)持?jǐn)?shù)字化改革理念，分篩采用IOT、CIM、數(shù)據(jù)庫(kù)等貼合性較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用，依托北斗、5G、IC(集成電路)數(shù)字芯片技術(shù)建立地下管網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，配對(duì)智能硬件，實(shí)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”。

（3）流程重塑，構(gòu)建工作閉環(huán)。應(yīng)用地下管網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)駕駛艙，推進(jìn)全生命周期管理，統(tǒng)籌地下管網(wǎng)“數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)-研判分析-任務(wù)分解-數(shù)據(jù)反哺”子功能，形成“實(shí)時(shí)監(jiān)管-自動(dòng)預(yù)警-自動(dòng)派單-及時(shí)反饋-監(jiān)管考核”全流程閉環(huán)管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)城市風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、城市運(yùn)行規(guī)律主動(dòng)洞察、運(yùn)維養(yǎng)護(hù)過(guò)程追蹤回溯、決策分析仿真推演、要素資源高效配置。

4.3 全流程綜合治理，強(qiáng)化地下管網(wǎng)運(yùn)行安全

（1）改變巡查方式，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)線巡查”向“長(zhǎng)效管理”轉(zhuǎn)化。管網(wǎng)運(yùn)維中人機(jī)協(xié)同，依托地下管網(wǎng)數(shù)字化孿生系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位地下管網(wǎng)堵塞、溢流、高負(fù)荷運(yùn)行等問(wèn)題，診斷問(wèn)題成因，就近調(diào)動(dòng)移動(dòng)技術(shù)設(shè)備車輛，高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)定位識(shí)別、精準(zhǔn)修復(fù)，大幅縮減時(shí)間與施工成本，做到“修必準(zhǔn)、準(zhǔn)必快”。2021年3月，新天路大開挖工程在該系統(tǒng)的助力下，整體成本和施工時(shí)間由100 多萬(wàn)元20 多天縮減至65萬(wàn)元3天，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益雙豐收。

（2）改變預(yù)警方式，實(shí)現(xiàn)“事后響應(yīng)”向“事前預(yù)警”提升。利用地下管網(wǎng)內(nèi)設(shè)置的傳感設(shè)備，對(duì)排水、供水、燃?xì)夤芫W(wǎng)等生命線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，敏捷掌控各類突發(fā)事件，并根據(jù)不同的問(wèn)題類型、等級(jí)、所需費(fèi)用等快速確定處置方案。在污水治理期間，監(jiān)測(cè)各污水泵站的實(shí)時(shí)液位、流量、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)推送、協(xié)調(diào)處理各站點(diǎn)運(yùn)行及作業(yè)人員工作情況，通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)控實(shí)現(xiàn)水量平衡，防止污水滿溢。

目前，累計(jì)發(fā)現(xiàn)并處置相關(guān)問(wèn)題1246個(gè)。2021年汛期及臺(tái)風(fēng)“煙花”期間，該區(qū)以地下管網(wǎng)高程信息為依據(jù)，通過(guò)水文水動(dòng)力模型推算降雨量，結(jié)合管網(wǎng)及井蓋端的液位器，實(shí)時(shí)報(bào)警水位水量，為防汛作戰(zhàn)部提供決策參考。

（3）改變統(tǒng)籌方式，實(shí)現(xiàn)“末端治理”向“綜合管理”深化。發(fā)揮數(shù)字檔案優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)測(cè)、更新地下管網(wǎng)管線規(guī)格、建設(shè)施工、數(shù)字芯片植入、竣工驗(yàn)收全過(guò)程，形成大數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)端口即時(shí)傳輸至規(guī)劃、住建、城管、水務(wù)、管線運(yùn)維等部門，實(shí)現(xiàn)資源共享、行動(dòng)升級(jí)。目前，東湖街道地下管網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)已建立橫向聯(lián)動(dòng)各職能部門，縱向貫通街道、村(社區(qū))的管理體系，整合相關(guān)系統(tǒng)5 個(gè)，涉及14 個(gè)部門和150 余家企業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、施工審批、項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)維管理、檔案查詢等基層治理“一步到位”。

4.4 多領(lǐng)域優(yōu)化服務(wù)，提升地下管網(wǎng)應(yīng)用效能

（1）實(shí)現(xiàn)用戶辦事“最多跑一次”。地下管網(wǎng)數(shù)字化變革之前，納管施工單位在處理污水滿溢、道路積水、管道修復(fù)等工作時(shí)，需要查閱道路管網(wǎng)檔案，再由工作人員現(xiàn)場(chǎng)放樣比對(duì)，整個(gè)審批流程歷時(shí)5個(gè)工作日才能全部完成。目前，地下管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)已上架至“浙里辦”服務(wù)端，施工審批、項(xiàng)目建設(shè)、檔案查詢等日常業(yè)務(wù)“網(wǎng)上可辦”，納管施工單位5 分鐘內(nèi)便能獲取管道位置、標(biāo)高、管徑、流向等信息。

（2）實(shí)現(xiàn)技術(shù)修復(fù)“最多修一次”。通過(guò)應(yīng)用場(chǎng)景及數(shù)據(jù)模型，建設(shè)前開展模擬建造，做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，規(guī)避實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)；建設(shè)中可以做好對(duì)工程項(xiàng)目從質(zhì)量、安全、綠色施工、進(jìn)度等方面的數(shù)字化動(dòng)態(tài)監(jiān)管，避免重復(fù)施工。如地鐵九號(hào)線荷禹路段管線遷改項(xiàng)目施工過(guò)程中，提前發(fā)現(xiàn)原有圖紙的管線位置偏差及管道流向錯(cuò)誤，港華燃?xì)?、水?wù)集團(tuán)、供電公司、四大運(yùn)營(yíng)商依托平臺(tái)，及時(shí)做好燃?xì)狻⒔o水、弱電、雨水、污水等管線的銜接，提升了開挖建設(shè)安全性，減少了工程變更。

5.結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)需要構(gòu)建精準(zhǔn)模型、融合全要素?cái)?shù)據(jù)、全面感知物理實(shí)體、實(shí)時(shí)信息交互和按需智能服務(wù)。東湖街道在實(shí)踐中積極運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的深度融合與數(shù)字化治理，借助物聯(lián)傳感設(shè)備，精準(zhǔn)把握地下管網(wǎng)運(yùn)行脈搏，通過(guò)信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)維精準(zhǔn)高效、決策分析有據(jù)可依。打造了貫穿地下管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、綜合審批、施工建設(shè)、運(yùn)維養(yǎng)護(hù)全流程的生態(tài)治理體系，讓隱蔽的地下管網(wǎng)管理暴露在陽(yáng)光下，匯聚至系統(tǒng)平臺(tái)里。在推進(jìn)城市治理數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面是一次重要的探索創(chuàng)新，可為地下管網(wǎng)管理提供有益借鑒，為其他領(lǐng)域的智慧化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，為構(gòu)建城市治理現(xiàn)代化體系增添助力。