數(shù)字孿生技術在智慧供水建設中的實踐探索

張亞麗

本文從供水系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析，結合當前新技術發(fā)展的趨勢，詳細闡述數(shù)字孿生技術在城市供水源水管理、供水管理和污水處理環(huán)節(jié)的具體應用，數(shù)字孿生是數(shù)字化轉型的重要技術手段，是保障供水安全、促進提質(zhì)增效、消除事故隱患、實現(xiàn)智能決策的新型城市供水創(chuàng)新管理模式，助力城市供水系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展，推動城市向碳達峰碳中和目標邁進。

一、前言

水是城市得以生存和發(fā)展的根本要素，保障供水系統(tǒng)安全、高效，是城市高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路，也是完成碳達峰碳中和任務的必然選擇。隨著 “云數(shù)物智生”（全稱：云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生）技術的發(fā)展和廣泛應用，在智慧城市和智慧水務系統(tǒng)建設的大背景下，推進城市供水向數(shù)智化轉型，充分利用數(shù)字孿生技術構建數(shù)字孿生體，透視供水管網(wǎng)、精準定位問題點位、并通過智能分析、獲得最佳解決方案；在虛擬空間中模擬完成多種工藝流程實驗，并優(yōu)選出最佳工藝；充分利用數(shù)據(jù)價值的挖掘，實現(xiàn)服務效能整合與提升、加強資源整合與共享，實現(xiàn)能耗雙控，科學決策的目標，提高城市供水管理效率，推動城市的高質(zhì)量發(fā)展。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨城市化進程不斷加速，供水形勢愈發(fā)嚴峻。一方面，城市規(guī)模不斷擴張，供水管網(wǎng)越來越龐大密集；供水管網(wǎng)年久老化，漏損率逐年升高；建設周期長資料不完整，增加巡查改造難度；樹枝狀管網(wǎng)存在，頻繁發(fā)生爆管和斷水事故。諸如此類問題的存在，無法保障城市供水安全穩(wěn)定和“十四五”供水保障任務的完成。另一方面，伴隨供水信息化的不斷推進，產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和處理方式顯然不能滿足城市發(fā)展的需要，存在數(shù)據(jù)價值利用低效的問題。解決當前水務工作困境，構建基于數(shù)字孿生技術的智慧供水系統(tǒng)的將成為技術創(chuàng)新的風向標。

2 0 2 2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(wǎng)絡化智能化水平”；2021年12月，工信部等八部門聯(lián)合發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，數(shù)字孿生被提及7次；隨著數(shù)字孿生技術的日益成熟，國家和地方政府紛紛將其納入智慧城市頂層設計框架。借助數(shù)字孿生技術，構建供水系統(tǒng)數(shù)字孿生體，直觀展示供水設施、管網(wǎng)分布、供水設備運行的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備整體監(jiān)控、集中管理，形成以數(shù)據(jù)收集、處理、分析、共享與利用全生命周期管理的新模式，為供水系統(tǒng)運行管理中各個業(yè)務條線的未來態(tài)勢響應和決策過程的敏捷化和智能化提供技術支持。

三、應用探索

基于數(shù)字孿生技術的智慧供水系統(tǒng)是智慧水務建設的新高度，實現(xiàn)城市的源水、供水、污水處理等水務全流程、可視化管理，挖掘數(shù)據(jù)價值和邏輯關系，實現(xiàn)供水數(shù)據(jù)資源化、管理精準化、決策智慧化，保障供水系統(tǒng)安全高效。

數(shù)字孿生是實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界交互融合的最佳途徑，通過數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)供水系統(tǒng)物理實體與數(shù)字孿生體平行發(fā)展、相互作用，通過實時通信和完全映射實現(xiàn)兩者緊密結合，形成虛擬服務現(xiàn)實的新模式，確保城市供水更安全、更便捷、更高效。從供水環(huán)節(jié)的三個階段入手，將數(shù)字孿生技術在智慧供水中的應用，分為源水管理、供水管理和污水管理三個方面。

（一）數(shù)字孿生在源水管理中的應用

數(shù)字孿生技術應用在源水管理環(huán)節(jié)，可以直觀全景展現(xiàn)水源地分布情況、實時監(jiān)測水質(zhì)指標以及通過數(shù)字模擬試驗提高制水工藝改進。

1.清晰展現(xiàn)水源全景，推動水源保護和利用

供水安全的首要任務是水源地安全保障，通過虛擬空間的數(shù)字呈現(xiàn)，可全面了解水源地水體及周邊保護區(qū)內(nèi)水生態(tài)安全和風險源情況，實現(xiàn)對水源保護區(qū)的實時監(jiān)測，水源地分布整體展示，便于水資源開發(fā)利用的整體統(tǒng)籌，提高水資源供給能力。

2.實時監(jiān)測制水設備，保障供水安全和達標

數(shù)字孿生體，可以實時顯示水的濁度、PH值等技術指標值，讓工作人員可以隨時掌握水質(zhì)變化情況，如果指標值出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警并自動調(diào)整制水工藝，提升制水過程監(jiān)測和調(diào)控能力，確保水質(zhì)達標。

3.虛擬空間模擬試驗，提高改進效率和效果

數(shù)字孿生體完整立體展現(xiàn)水廠制水的生產(chǎn)工藝全過程，可視化展示不同工藝的水質(zhì)情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和流程融合、監(jiān)測和管控融合，真實反映物理環(huán)境中工藝操作、控制操作的結果，快速選出最佳的工藝改進方案。

（二）數(shù)字孿生在供水管理中的應用

數(shù)字孿生技術應用在供水管理環(huán)節(jié)，可以將整個城市的地下管網(wǎng)進行空間立體呈現(xiàn)、供水設備動態(tài)監(jiān)測、智能分析運行狀態(tài)及時報警。

1.管網(wǎng)分布整體呈現(xiàn)，助力管網(wǎng)優(yōu)化改造

實現(xiàn)對整個供水管網(wǎng)分布、范圍、狀態(tài)等虛擬空間數(shù)字呈現(xiàn)，實時掌握各個環(huán)節(jié)設備運行狀態(tài)、水質(zhì)情況，實時記錄運行數(shù)據(jù)，對管網(wǎng)進行綜合監(jiān)測。融合各部門所有數(shù)據(jù)資源，結合現(xiàn)狀進行多維智能分析，生成管網(wǎng)改造參考方案。

2.供水設備動態(tài)監(jiān)測，增強設備自動巡檢

數(shù)字孿生技術，將物理實體的運行數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)綌?shù)字孿生體，清晰展現(xiàn)設備運行狀態(tài)，更加精準地實現(xiàn)供水管網(wǎng)的監(jiān)管，當發(fā)現(xiàn)運行異常時及時報警，完成自動巡檢功能。系統(tǒng)通過智能故障分析算法，確定最佳維修方案并分派執(zhí)行。

3.運行數(shù)據(jù)實時分析，預測管網(wǎng)爆管泄漏

動態(tài)監(jiān)測全市管網(wǎng)運行狀態(tài)、供水和用水情況，根據(jù)監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，運用供水分析模型對用水量、水壓進行預測分析，實現(xiàn)運行態(tài)勢感知、預測計算管網(wǎng)爆管、水管泄漏事故發(fā)生的概率，并快速發(fā)出警報。

（三）數(shù)字孿生在污水管理中的應用

數(shù)字孿生技術應用在污水管理環(huán)節(jié)，可以降低污水處理成本，提升污水處理效率，優(yōu)化污水處理工藝，實現(xiàn)水資源循環(huán)利用，達到節(jié)水的目的。

1.工藝流程模擬試驗，提高工藝改進的效率

利用數(shù)字孿生體支持生產(chǎn)工藝流程模擬的場景化應用，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程運行的透明度，便于錯誤識別防止故障發(fā)生，并通過及時調(diào)整運行參數(shù)，實現(xiàn)提高工藝改進效率的目標。5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C

2.智能分析態(tài)勢感知，降低處理成本和時間

利用數(shù)字孿生體的智能實時分析功能，感知污水處理中可能產(chǎn)生的不良影響、矛盾沖突，對潛在危險進行預警，提供切實可行的實施方案，不僅大大降低損失成本，也縮短了處理的周期。

3.輔助決策綜合研判，增強水資源循環(huán)利用

利用數(shù)字孿生體詳細展現(xiàn)污水處理和循環(huán)再利用的全部環(huán)節(jié)，實現(xiàn)多維度指標數(shù)據(jù)集中展現(xiàn)。通過多維度指標智能分析，實現(xiàn)多指標數(shù)據(jù)的并行監(jiān)測，為管理者決策研判提供科學的數(shù)據(jù)支持。

四、應用效果

（一）動態(tài)監(jiān)管，保障供水安全

保障供水安全，是城市供水必須實現(xiàn)的基本目標，基于數(shù)字孿生技術的智慧供水系統(tǒng)，提供從水源、供水用水以及污水處理的全過程監(jiān)管，實時監(jiān)測水質(zhì)指標，通過建立對水源、管網(wǎng)、污水處理控制體系，實現(xiàn)水務工程及時、可靠、自動控制，確保供水安全。

（二）智能值守，促進提質(zhì)增效

基于數(shù)字孿生技術的智慧供水系統(tǒng)，采用無人職守的智能化工作模式，實現(xiàn)用水準確計量，降低人員勞動強度；設備實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時報警，通過保護性維護保養(yǎng)降低維修成本；漏損精準定位，提高設備維修效率。

（三）模擬演練，消除事故隱患

數(shù)字實驗模擬演練，有效地規(guī)避物理實體試驗難度大、成本高、危險性大的弊端，增強實驗運行的透明度。通過模擬實驗的過程，識別風險源、系統(tǒng)智能分析評估、制定應對方案消除事故隱患，滿足安全生產(chǎn)的要求。

（四）數(shù)字技術，提高科學決策

提高科學決策的能力，以數(shù)據(jù)驅動，提供態(tài)勢感知和趨勢研判，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)決策”；依靠智能算法從供水數(shù)據(jù)中萃取決策關鍵信息因子，快速生成決策備選方案。系統(tǒng)深入融合“云數(shù)物智生”技術，實行開放、交叉、融合的決策模式。

五、未來展望

雖然數(shù)字孿生技術在智慧供水系統(tǒng)中應用得到廣泛認可，但是在深度融合應用方面，還存在，業(yè)務擴展和模型構建的匹配性等問題，因此，基于數(shù)字孿生的智慧供水系統(tǒng)，應開展多場景、多鏈條、多層次應用探索，重視動態(tài)業(yè)務場景構建，為城市供水提供更加簡易、可視、智能的管理工具，助力城市供水系統(tǒng)的創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展，推動城市向著碳達峰碳中和的任務目標邁進。

作者單位：天津卓朗科技發(fā)展有限公司5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C