基于數(shù)字孿生技術的智慧供水平臺建設探討

喬志勇

摘要：供水管網是城市重要基礎設施，承擔著為城市日常生活、生產、綠化、環(huán)衛(wèi)、消防等各項工作開展提供清潔水源的重任。但是，我國長期存在的供水漏損率居高不下的問題，嚴重影響著城市供水工作的開展效果。重點探討將當前正處于高速發(fā)展階段的數(shù)字孿生城市的相關技術與供水業(yè)務管理的主要工作相結合，從而提出結構合理、功能實用的智慧供水平臺的建設思路。

關鍵詞：智慧供水平臺 ?數(shù)字孿生技術 ?漏損率 ?空間數(shù)據(jù)集成

Discussion on the Construction of the Smart Water Supply Platform Based on Digital Twin Technology

QIAO Zhiyong

（Xiamen Kingtop Information Technology Co.， Ltd.， Xiamen， Fujian Province， 361008 China）

Abstract： The water supply network is the important infrastructure of the city， which is responsible for providing clean water sources for urban daily life， production， greening， sanitation and fire protection and other work. However， the long-standing problem of the high leak rate of water supply in China seriously affects the development effect of urban water supply work. This paper focuses on the combination of the relevant technologies of the digital twin city which is currently in the high-speed development stage with the main work of water supply business management， so as to propose a construction idea of a smart water supply platform with reasonable structure and practical functions.

Key Words： Smart water supply platform; Digital twin technology; Leak rate; Spatial data integration

供水管網是城市生命線之一。由于城市供水管網鋪設年代不一，施工水平不盡相同，各類堵塞、泄漏等管線事故時有發(fā)生，管線改造、搶修補漏工作壓力大。這些不僅嚴重影響了人們的生活與工作秩序，更是造成了水資源的嚴重浪費。據(jù)住建部公布的《中國城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》（2020）顯示，2020年全國城市和縣城公共供水總量為693.19億m³，漏損水量為91.95億m³，綜合漏損率為13.26%，其中城市公共供水總量為586.45億m³，漏損水量為78.54億m³，綜合漏損率為13.39%。根據(jù)《城市供水管網漏損控制及評定標準》（CJJ 92-2016），城鎮(zhèn)供水管網漏損率分為兩級，分別為10%和12%，現(xiàn)有城市供水整體綜合漏損率與相關標準依然存在較大差距^[1]。我國水資源嚴重缺乏，降低漏損率，提升供水效率是當前亟待解決的問題。亟須提升供水管網智慧化管理水平，實現(xiàn)供水管網的實時智慧化管理。

2022年1月，國家發(fā)改委、水利部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”水安全保障規(guī)劃》中提出“加強智慧水利建設，提升數(shù)字化網絡化智能化水平”。在這一政策背景下，如何將數(shù)字孿生技術引入城市供水管網智慧化管理工作中，是當前亟待解決的問題。

1 數(shù)字孿生技術應用思路

數(shù)字孿生城市是指利用多層面的感知與數(shù)據(jù)采集手段，匯聚整合物理世界或實體系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)，利用相關算法實現(xiàn)物理世界到虛擬空間的仿真映射，將物理實體和系統(tǒng)的屬性、結構、狀態(tài)、性能、功能映射到虛擬城市中。虛擬城市的搭建可以對實體城市的運行狀態(tài)進行實時感知，對城市的發(fā)展進行規(guī)劃和預測，從而對城市運行進行智能干預^[2]。數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市建設的新高度，也是智慧城市建設的新形態(tài)^[4]。

數(shù)字孿生城市的建設是要綜合運用3S空間信息技術、物聯(lián)網技術、人工智能技術、三維建模、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）、城市智能模型（City Information Modeling，CIM）、5G通信技術等一系列先進技術，形成一個系統(tǒng)的“智能生命體”。上述各項技術在供水管網管理領域的應用，可以實現(xiàn)供水系統(tǒng)數(shù)字孿生體的構建，直觀展示供水設施和供水管網的分布情況、設施運行狀況，借助大數(shù)據(jù)、供水管網模型、人工智能等先進技術的強大算力，實現(xiàn)供水系統(tǒng)中各個業(yè)務條線的數(shù)字化映射和運行模擬^[3]。具體到系統(tǒng)研發(fā)工作，可以從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、全場景三維模擬展示、智能發(fā)現(xiàn)、態(tài)勢感知等角度提供支持，提升城市供水系統(tǒng)管理工作成效^[10]，具體分析如下。

1.1 供水系統(tǒng)全面感知

通過物聯(lián)傳感設備的部署與物聯(lián)網技術的應用來獲取管網動態(tài)運行信息。通過加入一系列的傳感監(jiān)測手段，可以實現(xiàn)對整個供水業(yè)務流程的全面監(jiān)管，總體可以分為原水、水廠、管網3個方面^[4]。

針對原水主要開展水質監(jiān)測和視頻監(jiān)控；對于水廠內部主要針對水處理的各個工藝流程開展監(jiān)管，以及出廠水的壓力、流量、余氯監(jiān)測；對于供水管網，監(jiān)測的重點在于管道內的壓力和流量，以及各用水戶的用水量。同時，伴隨管網管理、維保、巡檢等業(yè)務的開展，動態(tài)接收到的各類巡檢數(shù)據(jù)，如管線運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡檢業(yè)務數(shù)據(jù)等。

1.2 地上地下一體化的空間數(shù)據(jù)集成

智慧供水平臺涉及大量的地理信息數(shù)據(jù)，涵蓋了地上、地下、室內、室外一體化數(shù)據(jù)^[5]?；诮y(tǒng)一時空框架，對此類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。此類數(shù)據(jù)更新周期相對較長，短期內不會發(fā)生變化，如管線空間數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等。對于這些數(shù)據(jù)，首先需要搭建結構合理的數(shù)據(jù)庫結構，然后需要對入庫數(shù)據(jù)開展梳理、質檢、校核、處理、入庫等操作，再存入對應的數(shù)據(jù)庫中，實行集中存儲和分類管理。

1.3 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中臺

針對上文所述各類數(shù)據(jù)，可以借助大數(shù)據(jù)技術完成數(shù)據(jù)的歸集、梳理、清洗和治理，最終形成完備的智慧供水數(shù)據(jù)中臺，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的有序集中管理。在此基礎上，結合智慧供水平臺的相關功能，可以實現(xiàn)對供水設備安裝、使用、維養(yǎng)、報廢的全生命期管理。

1.4 智慧化的模擬分析

利用前面兩點所獲取到的全方位的時空大數(shù)據(jù)，結合三維建模、BIM、CIM等技術，實現(xiàn)對供水系統(tǒng)原水、水廠、管網、泵站、終端等基礎設施的全面數(shù)字化建模，形成虛擬供水系統(tǒng)在信息維度上對實體供水系統(tǒng)的精準信息表達和映射，這樣就可以借助模型算法去預測真實供水系統(tǒng)在某一條件下的發(fā)展趨勢，從而為供水系統(tǒng)各個組件的未來態(tài)勢響應和決策提供科學化和智慧化的應用指導^[6]。

2 智慧供水平臺設計

智慧供水平臺建設工作需要以數(shù)字孿生相關技術為基礎，以城市供水業(yè)務開展的主要工作流程為依據(jù)，以降低供水能耗和供水漏損率，提升供水安全為目標來開展。智慧供水平臺將采用如圖1所示的7層結構，在系統(tǒng)功能方面，將從地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）地圖展示、監(jiān)控指揮、運行調度管理、分區(qū)漏損管理、設備運維養(yǎng)護、智慧營收管理等多個角度共同入手，對城市供水業(yè)務開展全方位的管理。

2.1 供水管網GIS系統(tǒng)

GIS系統(tǒng)作為整個平臺的基礎系統(tǒng)，承載著基于二維、三維地圖的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)動態(tài)管理的相關功能，同時可以提供基于GIS系統(tǒng)的一系列空間分析功能，向自來水公司提供全面的GIS功能服務和技術支持。

2.2 監(jiān)控指揮大屏展示

監(jiān)控指揮大屏展示系統(tǒng)為智慧供水平臺的指揮中樞，為大屏展示及應急會商提供技術支撐，如圖2所示。以供水一張圖為基礎，集成水源地、水廠、加壓站、供水管網數(shù)據(jù)，通過二維、三維的方式實現(xiàn)供水相關在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)的集中展示、查詢、統(tǒng)計和分析，并以數(shù)據(jù)中臺為基礎，為水務公司提供可視化的業(yè)務管理、應急指揮和聯(lián)合調度，輔助管理者和業(yè)務人員進行科學決策和集中管理。

2.3 運行調度管理系統(tǒng)

運行調度管理系統(tǒng)首先通過對廠站、管網全流程的實時監(jiān)視和控制，了解各個環(huán)節(jié)的工作運行情況，實現(xiàn)工藝流程透明化、生產數(shù)據(jù)公開化和重要環(huán)節(jié)可視化，為給水工作的科學調度和安全生產提供可靠保障。在此基礎上，通過供水系統(tǒng)模型的搭建，可以實現(xiàn)對供水業(yè)務的模擬，借助AI分析功能，對供水業(yè)務的開展提供技術指導，如圖3所示。

2.4 分區(qū)漏損管控系統(tǒng)

如圖4所示，通過對供水管網進行直接內存訪問（Direct Memory Access，DMA）分區(qū)，可以對供水管網進行有效的漏失監(jiān)測控制管理。實施DMA分區(qū)管理，可以將城市供水管網管理工作區(qū)分為若干個小單元，對于漏失點位置判斷、壓力管理方案調整、水量預測和經濟評價都具有積極意義。

2.5 智慧營收系統(tǒng)

通過營業(yè)收費管理系統(tǒng)的建設，將營業(yè)收費業(yè)務的制度和流程固化到系統(tǒng)中，提升營收業(yè)務的工作質量和效率，使領導準確、實時地掌握公司的營業(yè)收費情況；通過業(yè)務流程驅動和業(yè)務監(jiān)督機制，實現(xiàn)營銷收費管理的流程化協(xié)作，提升工作和管理效率，提供給客戶更為及時、優(yōu)質的收費管理服務，防止漏繳、錯繳。同時，建立營賬業(yè)務主體的數(shù)據(jù)交換和共享平臺，加強積累數(shù)據(jù)的分析和應用，進一步挖掘增收潛能，為控制產銷差，提高水費回收率貢獻力量，為領導決策提供完整真實的 數(shù)據(jù)，提高領導決策的準確性。

2.6 移動應用App

研發(fā)基于安卓平臺的移動應用App，從水源地監(jiān)管、供水設施巡檢、供水設施維養(yǎng)和領導移動辦公等角度出發(fā)，提供一系列的應用服務。包括但不限于巡檢任務派發(fā)、巡檢打卡、巡檢考核、檢修計劃查看、運營簡報查看、事故報警提醒、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、管網隱患和事故管理、整改情況跟蹤、管網信息查詢等。從安全的角度考慮，此系統(tǒng)需與用戶所使用的終端綁定，不允許在其他手機上登錄此系統(tǒng)。

3 數(shù)字孿生技術的應用效果

應用數(shù)字孿生技術研發(fā)的智慧供水平臺與傳統(tǒng)供水平臺相比優(yōu)勢明顯。從管網運行狀態(tài)精準模擬、多層面的信息挖掘入手，可實現(xiàn)對供水調度、事故應急處置等方面的智慧化決策支持。

3.1 供水管網現(xiàn)狀分析和評估

通過對供水管網進行動態(tài)模擬，可以通過調整出廠參數(shù)、用戶數(shù)、用戶需水量，從而觀測到不同背景條件下供水業(yè)務效果的變化情況，分析管網的用水量變化模式，掌握管網中的流量、流速、水損、水力坡降等各種狀態(tài)，評估管網現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)管網運行中存在的問題，找出危險管段與管網潛在缺陷，提出改造建議。

3.2 管網輔助設計功能

通過搭建供水管網數(shù)學模型與GIS系統(tǒng)進行了無縫集成，以建立GIS數(shù)據(jù)與模型方案數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)關系。通過在模擬方案管理系統(tǒng)中模擬水廠改造，進行水庫泵站設計、管線口徑設計、自定義選址位置等輔助設計，利用水力數(shù)字模型模擬供水管網系統(tǒng)的運行狀況，分析、評估和優(yōu)化不同設計方案對管網系統(tǒng)性能的影響，使之滿足經濟、技術要求。

3.3全網實時狀態(tài)分析

傳統(tǒng)的管網管理方式是一旦發(fā)生暴漏險情及時予以處置，借助孿生城市的分析能力，可以實現(xiàn)依托管網監(jiān)測數(shù)據(jù)的事故預警預報?；诠┧芫W中的管線壓力、流量和流向，能夠提供準確的供水管網運行狀況，還能基于在線水力模型和實時更新數(shù)據(jù)以設定頻率動態(tài)模擬計算管網運行情況，并對模擬數(shù)據(jù)進行分析、存儲、預警與管理，為管網監(jiān)控、調度生產提供高效、及時、準確、充分的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.4突發(fā)事件監(jiān)測及處置

供水管道爆裂、附屬設施故障、水污染事件等突發(fā)問題嚴重影響城市正常的生產生活，導致供水經濟效益下降，大量水資源浪費并嚴重威脅供水安全。借助數(shù)字孿生供水平臺的模擬分析能力可以從事前預警、事中處置、事后經驗總結記錄3個層面予以支持。在事故處置階段，還可以借助與城市政務系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)城市級應急聯(lián)合響應，將事故損失降到最低。

4 結語

我國的城市供水業(yè)務也存在著漏損率居高不下等各種問題，這些不僅造成大量的資源浪費，也與我國的“雙碳”目標相違背。城市供水業(yè)務不僅與每個人的生活息息相關，更是關系到消防、環(huán)保、食品安全等多個重要領域，因此，需要采取智慧化的手段予以解決。通過將數(shù)字孿生相關技術引入到智慧供水業(yè)務管理系統(tǒng)中，可以為供水設備全生命周期管理、供水業(yè)務管理提供全面的技術支持。借助數(shù)字孿生城市的相關技術實現(xiàn)對城市供水業(yè)務的全面映射和模擬，在數(shù)字孿生供水平臺中的模擬與分析，實現(xiàn)對供水調度方案的不斷優(yōu)化，以及對管網的跑冒滴漏問題的預警、報警和應急處置。通過對城市供水信息模型的充分應用和不斷優(yōu)化迭代，必將有效保證城市供水工作更安全、更便捷、更高效地運轉。

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