基于数字孪生技术的智慧水务系统建设

基于数字孪生技术的智慧水务系统建设

程飞 

天津市华淼给排水研究设计院有限公司  天津市300220

摘要：数字孪生技术是打造智慧水务系统的关键技术，能够让市政工程更加智能高效地运行，让市政工程实现智能化、数字化以及网络化，因此必须要加强数字孪生技术的应用，并以此为基础开展智慧水务系统建设，促进市政工程高质量发展。

关键词：数字孪生技术；智慧水务；系统建设

引言

数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器、运行数据等,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体对象的全生命周期过程,其主要核心点在于虚实映射,实时同步,共生演化,闭环优化,即建立现实世界物理系统的虚拟数字镜像,贯穿于物理系统的全生命周期,并随着物理系统动态演化通过描述物理实体内在机理,分析规律、洞察趋势,基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略,实现对物理实体决策优化功能的闭环。作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要技术,数字孪生技术最早应用于工业及航空航天领域,而后逐渐在智慧城市建设与基建工程方面崭露头角。文章以深井取水为水源的自来水厂为例阐述数字孪生技术。

1数字孪生技术

要想在自来水厂打造智慧水务系统，首先需要利用数字孪生技术建立数据底板，为自来水厂打造智慧水务系统提供依据，然后对自来水厂进行建模，确保模型可视化，并构建知识平台。与此同时，还要搭建预报调度方案库以及业务规则库等，为自来水厂市政工程打造智慧水务系统提供分析研判、知识积累以及经验提炼等基础能力支撑，最大程度上提高自来水厂“四预”（预报-预警-预演-预演）能力，使自来水厂效能得到有效提升。

2系统逻辑与功能架构

结合数字孪生技术,通过数据感知、处理、分析和可视化,完成工程安全监测智能化管理。功能逻辑流程见图1。数据感知:通过“空天地内”监测网络体系,实现工程状态的全方位感知。“空”指采用北斗、GNSS、星载SAR等技术对厂区全貌以及周边等进行高频高精度监测;“天”指采用无人机贴近摄影等技术对工程部位进行无接触、全覆盖拍摄与隐患识别;“地”指采用地基雷达、激光雷达等技术对工程重点部分变形进行毫米级实时监测;“内”指采用阵列式位移计等新型传感器以及巡检机器人等新技术对工程内部进行全方位监测。数据处理:对采集到的多源异构数据进行整理分类检验融合,并通过阈值方法、人工智能方法等进行异常值处理,对缺失数据采用线性插值、三次样条等插值方法进行补缺;同时结合地形地貌、BIM模型等基础数据组建工程数字底板,并以此为基础构建工程数字孪生体,囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器等实体工程中的所有元素。数据可视化:以工程监测实时数据与模型预测数据驱动数据孪生体,对工程高精度模拟仿真,实现工程状态变化直观展示,为业务人员提供决策支持。

图1系统功能逻辑流程

3智慧水务系统建设方案

3.1知识平台建设

知识平台从数据底板中获取给排水基础和业务数据，通过对接专家、历史典型场景等知识，为上层的给排水“四预”业务系统提供知识检索、推荐，方案优选和推荐等功能。通过调研、专家咨询等方式，收集整理预报方案、专家经验、历史场景、预案等相关资料，结合监测和业务等数据，抽取出实体、属性及实体间的相互关系，形成基础实体化的知识库。通过实体链接、关系建立、属性关联、知识合并等过程，融合形成一个统一的知识图谱。知识融合主要分为数据模式层和数据层2类融合，关键任务是数据层的时空数据、管理信息和属性信息的融合。通过知识融合，完成从数据到知识，再到洞察整个过程的转变。知识推理分为关联、统计、时间轴、语义等分析与挖掘内容。基于机器、深度学习等AI算法进行相关或类似知识推荐，支持相似度排序、分类推荐等。知识应用建设包括知识搜索、可视、统计，以及智能推荐、预案优选等。

3.2自动化控制体系

为了实现自动化控制，建立了自动化体系，该体系由计算机监控系统与视频监视系统构成。计算机监控系统是利用光纤局域网来实现通信互联，从而达到对电气设备的自动控制，让工作人员通过远程操控的方式进行控制。整个系统主要由网络交换机、监控工作站、现地监控单元以及服务器组成。视频监视系统主要负责对工程重点地区开展实时监控，拥有远程浏览、视频采集、储存和重放、传输、显示以及切换控制等功能。工作人员准确掌握现场设备的运行状态，能更好地开展综合判断。

3.3预警参数管理

1）“双控”指标管理。水务“双控”指标主要包括水务取水总量、水位这两类控制指标，通过对“双控”指标的管理，能实现区域取用水的精细化管理和超前预警，支撑水资源刚性约束制度的实施与监管。“双控”指标管理指结合《水务管控指标确定技术要求（试行）》及水务管控指标成果，对不同区域（超采区、非超采区）、丰枯条件下的水务取水总量和水位的控制指标进行管理，并建立水务“双控”指标库。2）水务阈值管理。阈值管理主要参考水务“双控”指标，结合本区域的实际情况，对水务水位、埋深（变幅）阈值、水务取水总量阈值进行设置，为水务预警提供支撑，以便提前采取措施控制水务过度开采。

3.4安全管理

安全管理模块涵盖工程安全、水源安全及安全生产，满足安全全面管理需求，其中工程安全模块运用安全诊断模型为用户决策提供辅助支撑作用。按照功能定位，实现水量安全和水质安全管理；安防使用AI摄像头等手段，实现了安全的综合管控。基于先进的安全生产考核体系，实现安全生产的综合管控。

3.5地下水预案

地下水预案一般指地下水超采治理的较长期措施，即提出地下水超采治理措施，以形成地下水健康管理的长效机制。对于较大型的地下水水源地来说，如果水源地水量和水质受到潜在威胁，地下水预案必须能及时实施。当遇到特殊干旱年份，或者发生重大突发事件时，地下水作为保障城乡供水安全、维护社会稳定的可靠备用水源，需动用地下水储备来应急。地下水预案主要包括预案管理、应急管理、专家知识库等功能模块。当出现实际降水量小于预测降水量，实际地下水开采量大于预测开采量，实测径流量小于预测径流量等情况，导致地下水水位出现不可预测的大幅降低，可能引发地下水水位难以恢复的趋势性下降；当地下水水位过浅时，水位可能接近或超出地面自流，可能会产生建筑物地基饱水恶化、地下工程和矿坑充水等不良后果，使土壤盐渍化和沼泽化，破坏土壤肥力，危害作物的生长；或当发生突发性污染事故时，需要制定地下水预案，及时改变地下水的补给、排泄条件、水质状况等。对地下水预案进行电子化管理，支持预案信息新增、删除、查看等操作。当地下水水位有连续下降或回升过浅趋势、突发应急事故（如地下水水质污染）、地下水预警时，对相应的处理过程进行管理，为应急预案的修订提供参考。

结束语

综上所述，利用数字孪生技术开展智慧水务系统建设，需要综合考虑各种建设方案和实际情况，从而选择最有利的方案。在此基础上，将各种智慧水务系统建设方法整合在一起，进而利用数字孪生技术开展智慧水务系统建设，以数字化引领现代化，促进高质量发展。

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