安科瑞 陳聰

摘要：當下，以數字孿生為主的數字技術愈發(fā)成熟，為使得長江水環(huán)境治理能夠“長治久安”，上海院在長江大保護先行先試城市九江城中水環(huán)境治理中啟用了智慧水務理念，搭建了基于數字孿生技術的智慧水務平臺。通過數字孿生技術構建九江城市“一張圖”的數據基座，結合5G物聯網、水力模型和云計算等技術，應用智慧水務平臺，加上水務治理的河道水情、水質、區(qū)域雨情、泵站運行、管網實時監(jiān)測等數據，虛擬九江市城中水環(huán)境的實時時空模型,提高了“廠網河湖岸”的聯動治理和一體化運營，達到水務治理的實時監(jiān)管和科學輔助決策，為未來智慧水務建設提供了經驗參考。

   關鍵詞:數字孿生技術;數據基座;智慧水務;長江大保護；九江

   數字孿生開始由密歇根大學的Michad 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字孿生技術用于航空航天飛行器的健康維護與保障，通過數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)與數字空間同步映射，通過數據模型驅動實現對飛機未來狀態(tài)的預測。同時數字孿生技術也可用于新建或改建物理實體的數字化表達,通過構建實體對象的數字化模型，結合傳感器數據和模型算法實現實體對象數字孿生體的虛擬構建，可用于對物理實體的模擬、仿真、優(yōu)化及預測。

   數字孿生技術誕生之初由于計算機、通信、物聯網等技術瓶頸導致數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、及數字工廠等小尺度范圍內。隨著技術進步,特別是云技術、物聯網和5G技術的發(fā)展，數據存儲與傳輸速度得到了很大的提高，數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。

   智慧水務屬于智慧城市的范疇,開始在2014— 2015年提出，并主要應用于自來水廠的數字化改造以及城市給水管網的滲漏預測。隨著中國新基建概念的提出，數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河湖（岸）等系統(tǒng)，如何實現不同子系統(tǒng)模型的構建、數據映射、模型驅動與數據管理成為科技人員急需解決的問題。

   本文以九江智慧水務應用實踐為例，通過構建九江智慧水務平臺,以數字孿生技術為核心,打造九江市中心城區(qū)數據基座，結合5G物聯網、水力模型和云計算等技術，建立九市江中心城區(qū)水環(huán)境的時空模型,實現智慧工程、智慧資產、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驗參考。

1總體設計

1.1城市現狀

   九江市位于江西省北部,地處贛、鄂、皖、湘四 省交界處，號稱“三江之口、七省通衢”,是江西省臨江臨港的城市,也是一座有著2200多年歷史的江南名城。九江是5個沿江對外開放城市之一,是長江經濟帶重要節(jié)點城市,是推動長江經濟帶發(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、 城市內澇、水質型缺水等諸多問題。

1.2設計內容

   作為長江大保護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、管網改造、工程數字化及平臺系統(tǒng)建設等。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網河湖（岸）一體的排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯動及河湖聯動的綜合治理模式、五湖聯動的清源活水模式、市政管網的提升模式”及智慧管控模式進行詳細研究，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)、物聯網、云計算、大數據等新興技術，采集、匯總和利用營銷、呼叫中心、管網運維等眾多數據，以數據平臺、應用平臺為框架, 以實現對河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調蓄池、管網、氣象等水務基礎設施和水文、水質、水壓等水情的自動化監(jiān)測、實時化調度、網絡化辦事、系統(tǒng)化管理、科學化決策和規(guī)范化服務。

1.3總體架構

   九江智慧水務整體實施思路以“一朵云”“一張網”“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。在排水管網節(jié)點處布設自動化監(jiān)測設備,組成監(jiān)測感知一張網，通過GIS + BIM技術構建數字孿生一張圖。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用長江生態(tài)云中心平臺統(tǒng)一提供的計算、存儲、網絡、物聯感知等資源服務，開展九江本地監(jiān)測數據采集及對接、GIS + BIM基礎數據對接，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，標準化產品調用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實現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平臺建設內容

   為實現九江市水務治理“長治久安”的目標，以數字孿生技術為核心，建立基于實景建模、GIS +BIM、5G物聯網、水力模型和云計算等技術相結合的智慧水務平臺。基于長江智慧水務的整體架構,進行技術體系架構設計,主要包括智慧感知層、基礎設施層、數據共享與分析層、應用使能層、智慧應用層，具體技術架構見圖2。

圖2九江智慧水務平臺技術架構

   九江市智慧水務平臺數字孿生技術的應用，以數據為核心，主要通過對資產、項目、系統(tǒng)的數字化表達,利用物聯網、機器學習、人工智能等手段,實現項目、資產的數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字孿生對象,從而實現工程信息、數據的一致和同步。通過對現在、過去數據的分析，以提升項目、資產的可靠性，抗風險能力和生產力，平臺數據架構見圖3 o

圖3九江智慧水務平臺數據架構

2.1數字環(huán)境構建

   數字孿生技術開始就是生成數字模型，而加入更多的數據集才是關鍵，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的影像采集工作,搭建九江整個建設區(qū)域內地理、地貌、設施數字化實景模型（圖4），替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實現數字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關數據，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。

圖4九江市智慧水務平臺三維實景模型

2.2數字模型構建

   在數字環(huán)境構建的基礎上，為滿足數字孿生模型數據的要求，平臺設計基于項目范圍內已建、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字模型構建。其中，測繪專業(yè)、結構專業(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構模型、工藝設施模型、廠區(qū)地形模型等構建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺協同設計和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項目設計和施工質量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設計異常點，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點。制定統(tǒng)一設計平臺,定制標準兀件庫和Paa樣式，結合Workspace推送實現標準化設計。同時在工程數字化基礎上，采用數字孿生技術，將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務云平臺，實現Web端和移動端數據訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺和物聯網系統(tǒng)結合，從而導入智慧水務平臺，實現基于GIS + BIM +物聯網技術的智慧水務“一張圖”應用系統(tǒng)，具體成果見圖5。

圖5基于智慧水務的建筑物模型

2.3物理數據映射

   在物理實體模型與數字模型構建的基礎上，為進一步提高數字孿生體的數據信息，便于后期模型驅動，本研究通過BIM與GIS集成應用，以實現GIS物理數據與實體模型和數字模型的映射，同時提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。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、不同空間尺度的數據進行統(tǒng)一集成，針對管網、泵站、調蓄池、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、空間等數據建立管理、瀏覽、查詢和空間分析功能，更加高效、綜合、豐富、詳細地顯示和分析大量水務設施數據，為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯合調度提供翔實的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數據支持，具體成果見圖 6。

圖6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細化管理

2.4感知數據映射

   數字孿生技術與以往仿真模擬技術最大的不同是感指數居的映射,從而創(chuàng)造一個實時的“真實”的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯網技術采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內容的實時在線智能監(jiān)測與感知（水位、流量、水質等）數據, 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度、水環(huán)境改良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絡的監(jiān)控內容，見圖7。

圖7九江智慧水務平臺智能感知網監(jiān)控內容

2.5智慧應用

   運維低效、調度乏力、缺乏評估考核機制是許多 水務管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點。從業(yè)務應用需求出發(fā),結合智慧化技術手段,九江智慧水務平臺設計了一系列智慧應用系統(tǒng)子系統(tǒng)，旨在實現城市排水系統(tǒng)精細化管理、實現水環(huán)境治理方式新突破。

a）綜合展示?；?/span>GIS + 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。在工程數字化的基礎上,對設施資產進行智慧化應用。利用GIS + BIM等信息技 術,提供污水處理廠、地下管網、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、空間等數據的管理、瀏覽、查詢和空間分析功能。為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯合調度提供翔實的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數據支持。

C）智慧監(jiān)測。通過接入在線監(jiān)測數據對廠網河湖岸進行一體化監(jiān)測,可及時發(fā)現設施運行中的突發(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。基于在線監(jiān)測數據，通過水環(huán)境仿真建模,對污染源擴散、內澇、基礎設施水容量等進行高效分析,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。同時結合移動端應用,使處理工作快速靈敏并協調有序。

e） 智慧評價。通過污水廠、管網、流域、排口的監(jiān)測數據、以及流域的遙感數據進行數據分析和流域生態(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

   采用數字孿生技術構建的九江智慧水務平臺, 實現了以下3個方面的新技術實踐。

a）城市水務設施數字化。在九江試點期間，市政地下管網數據基于GIS技術，完成九江地區(qū)現狀地下排水管線共計453. 258 km的管網GIS建模，完成了城市管網數據數字化。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)80km2，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構建精度達3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎本底數據三維數字化?；?/span>BIM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構建筑物，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)現工程設計問題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本。同時，采用OpenRoads導入GIS管網數據，自動形成三維管網模型，通過GIS + BIM技術結合，將管網及水務基礎設施三維BIM模型導入到實景數字環(huán)境中，在九江地區(qū)實現了基于GIS + BIM的水務設施數字化示范應用（圖8），為工程基礎設施的運維管理提供基礎數據調用及服務。

圖8九江基于GII + BIM的水務設施數字化

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

圖9基于數字孿生技術的web端設備資產管理

C）水力模型與三維實景結合打造數字孿生業(yè)務動態(tài)模擬。在九江，針對城市水務及水環(huán)境數據海量性、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Opentows Flood構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、準確地實現管網水力、地表漫流、河網河道、水質傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分析與調用。同時，水動力模型根據監(jiān)測或預報數據實時在線進行動態(tài)模擬計算，實現城市廠站網河聯合調度、泵閘管網優(yōu)化調度、城市內澇預測、管網江河水質傳遞計算等業(yè)務功能，并將水力模型與三維實景模型相結合，面向城市內澇業(yè)務，實現三維可視化的實景動態(tài)模擬，見圖10。

圖10基城市內澇實景實時動態(tài)模擬

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

4.1平臺概述

   安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

4.2平臺組成

           AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

   對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

   監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

4.4.2電能質量監(jiān)測與治理

   水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.4.3電動機管理

   馬達監(jiān)控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

4.4.4能耗管理

   為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

   將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數據統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

   能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

   系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

   污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

   實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數據。

   平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

   平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5 相關平臺部署硬件選型清單

6結語

   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，基于數字孿生技術的城市智慧水務平臺建設將越來越多，如何利用海量數據實現水務數字化和智慧型管理轉型將是中國未來基礎設施建設面臨的巨大機遇與挑戰(zhàn)。本文通過數字孿生技術開展九江智慧水務平臺建設的探索，已實現工程數字化、模型與數據一體化、數據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驗參考。

參考文獻

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