基于數字孿生技術的農村供水管理系統框架設計

趙翠 孫付增 劉少博 蘇勝晗 宋家駿 高奇奇

摘要：為解決農村供水信息化中存在的信息系統設計與建設標準不規范、不統一，數據資產管理和挖掘不深入，系統性應急響應速度較慢等問題，實現農村供水信息化到智慧農飲的轉變，構建了數字孿生技術支撐下的一張網、二體系、三層級、四應用、六媒體的智慧農飲體系。提出的具體實現方式為：構建全域感知智慧農飲專題數據庫，打造數字孿生智能水廠、數字孿生管網、數字化監管與應急平臺。該系統建成后可以充分發揮數字孿生在數據感知、數據集成、人機交互等方面的優勢，有效提高農村供水工程安全運行能力和農村供水工作智能監管水平。

關 鍵 詞：農村供水管理; 數字孿生; 智慧農飲; 數字孿生智能水廠; 數字孿生管網

中圖法分類號： TU991.6

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.036

0 引 言

隨著多項國家網絡安全與信息化戰略和《水利信息化發展“十三五”規劃》的貫徹落實，全國水利信息化工作取得豐碩成果，信息技術與水利業務的融合程度進一步加深，信息化發揮效益更加顯著。根據水利部智慧水利專項規劃體系編制的要求，智慧水利工作將是接下來水利工作的一項重點內容。在國家數字化轉型戰略層面和智慧水利發展的趨動下，農村供水自動化監控和信息化監管技術隨著農村飲水安全工程的建設也逐步發展深化。全國有超過10個省份建立了省級農村供水管理信息系統，有一半以上的千噸萬人供水工程建立了水廠級自動化監控系統，在供水行業監管和工程運營管理方面起到了積極推動作用。然而目前中國農村供水信息化仍處于發展階段，與數字農飲、智慧農飲的發展目標仍存在一定距離，需認真分析存在問題，通過頂層設計、分步實施構建完善的智慧農飲體系。

1 農村供水信息化中存在的問題

伴隨信息化技術的進步，中國農村供水信息化監管技術也得到了長足發展，但從目前農村供水信息化技術的發展現狀來看仍存在以下問題。

1.1 設計與建設標準需規范和統一

從現有的農村供水信息化系統來看，各級水行政主管部門和各級水廠的業務需求不同、側重點不同，建設的信息化系統功能要求也有較大差異，導致各單位設計與建設的系統功能、數據采集種類和數量、建設參照標準等皆不相同。同時，缺少區域級信息化監管系統的頂層設計和統一規劃，造成了不同水廠之間和水廠與上位系統的信息利用率和共享度低，形成一個個“信息孤島”“業務孤島”，如圖1所示。

1.2 數據資產管理與挖掘急需加強

農村供水信息管理系統的建設使用過程中，數據的采集、傳輸、存儲、分享管理是重中之重。隨著信息管理系統的使用，現已擁有大量的農村供水數據，并且還在源源不斷地產生新的數據。但是，現階段數據采集還存在大量人工參與的情況，造成數據不準確的現象;數據傳送過程存在丟失、泄露的問題;數據存儲方面存在原有設計存儲空間不足無法存儲和數據丟失的情況;大量高價值的數據未充分發揮其應有價值，無法滿足數字中國對農村供水行業的要求。這些都制約著農村供水信息化的發展，數據資產的管理與后續數據挖掘工作急需加強。

1.3 系統性應急反應速度需加快

農村供水信息化管理與自動化監控技術專業性較強，現有農村水廠管理人員自控技術知識薄弱，造成后期維護保養跟不上，信息化系統難以發揮預期效益，甚至閑置擱置。部分水廠雖有自控設備，但系統落后，功能單一，部分視頻影像存在無法傳輸、設備損壞等問題，存在安防隱患。特別是缺乏長效機制和預警機制，無法滿足快速響應、統一指揮的需求。

應加強建設標準和系統規劃、數據資產管理、數據挖掘和系統性應急反應等方面的工作，使農村供水信息化進化到智慧農飲，以達到提升農村供水安全保障水平的要求。

2 數字孿生與智慧農飲的融合

數字孿生（Digital Twin，DT）是充分利用物理模型、更新傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。得益于物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生的實施已逐漸成為可能。現階段，除了航空航天領域，數字孿生還被廣泛應用于智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等行業。其中，智慧城市的空間規劃模擬分析、空間現狀可視化、社區網格化治理，以及智能制造的產品研發、運行模擬、設備維護及故障預測等都可以和智慧農飲相融合，解決農村供水信息化階段存在的問題。

農村供水領域數字孿生的應用目前尚在探索階段，但是智慧農飲建設和數字化轉型已經成為各農村供水主管部門重點關注的工作。農村飲水安全是國民經濟建設與社會發展的重要組成部分和基礎保障，是廣大農村居民高質量生活的主要評價標準，也是建設美麗中國和實施鄉村振興戰略的重要支柱。“十四五”期間，對農村飲水安全提出了進一步要求，農村供水保障對改善農村居民健康狀況、提高農村生產生活水平、補齊農村基礎設施短板具有重要意義。在此形勢下，要切實提升農村供水保障的數字化管控水平。通過打造基于數字孿生技術的智慧農飲體系，實現“數字化、智能化、智慧化”3個階段的現代化建設目標。

3 基于數字孿生的智慧農飲體系構建

3.1 系統架構

基于數字孿生技術，實現一張網、二體系、三層級、四應用、六媒體的12346架構體系。一張網實現統一規劃、統一調度、數據共享、資源協同;二體系涵蓋了標準規范體系和安全運維體系;三層級指數據匯集層、數據資產管理層、業務場景應用層;四應用包括從國家、省級、市縣、水廠為一體的全方位布局和規劃;六媒體則包括數據大屏、駕駛艙、GIS系統、數字孿生、電腦電視、移動端在內的6種展示方式及信息化渠道，如圖2所示。202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632

3.2 實現方式及步驟

3.2.1 智慧農飲數據基礎，實現全域標識感知

數據的采集和管理是整個智慧農飲建設的基礎，也是數字孿生技術得以體現的根本，主要考慮從全域數據采集、數據資產標準化管理、主題數據庫建設3個方面進行闡述。

（1） 全域數據采集。

在全域數據采集方面，水廠運行管理設備采集的監測數據至關重要，包括水源監控、水廠監控、管網監控、視頻監視信息4種類型數據的采集。水源監控包括水廠對水源地取水信息的監測及對泵站機組的啟停控制，其中，監測信息主要包括水位、流量、水量、濁度、水泵機組的工作電流、電壓、電量、功率、水泵機組的啟停、故障狀態及水泵機組的運行狀態等。水廠監控包括水廠的制水、配水等流程的監控，其中，信息采集主要包括流量設備、壓力設備、供水設備、水質監測設備等;數據采集及控制單元實現對水位、流量、機組工作情況、機組運行狀態等信息的采集等。管網監控包括水廠的供配水管網的重要節點、

末端流量、壓力、水質的監測等。視頻監視信息包括通過前端監視點設備和通信網絡，將所采集的圖像信息傳送到視頻信息服務器，再通過相應軟件處理后存入數據庫。

全域數據的感知，除應包含設備采集的監測數據外，還應包含日常的業務數據。業務管理數據主要包括漏損管理、統計分析、工程管理、客服營收、巡檢管理、值班管理、考核管理、超限報警、成本庫存、遠程控制、化驗管理等。多維業務數據的匯集，有助于上級單位對各處水廠的綜合運營情況進行實時跟蹤了解，亦可對各處水廠運行狀況進行橫向比較分析，為節省水廠運營開支，提高運行質量提供數據支撐。

對于有條件的地區，可以對區域管網地理數據信息以及水廠基建設施進行高精度數字化還原，生成物理鏡像數據，實現“物聯網+互聯網”的先進管理模式。從根本上解決以往人工管理所導致的數據丟失、檔案不全、版本不一、精度不高、檢索不便、種類繁多、結構復雜等多種問題，為合理化布局管網、精準定位搶修、輔助運行調度提供強大的數據支撐。

（2） 數據資產標準化管理。

數據資產標準化應該按照國家和水利部門對信息化系統數據的要求，把現有數據和以后產生的數據統一按照標準進行管理。包括但不限于通過數據清洗、數據識別、數據抽取、數據命名、數據加工等處理方式，對數據資源進行進一步整理、篩選，為后續應用提供優質數據。

（3） 專題數據庫建設。

基于大數據手段，將處理過的數據進一步篩選、清洗、識別、口徑對接等，形成具有一定聚類性、有意義、有價值、可供分析的智慧農飲專題數據庫。

3.2.2 構建數字孿生系統，實現數據價值

基于已建立的智慧農飲專題數據庫，采用數字孿生技術打造數字孿生智能水廠、數字孿生管網、數字化監管與應急平臺，充分挖掘數據價值，提升農村供水工程安全運行能力和農村供水工作智能監管水平。

（1） 打造數字孿生智能水廠。

利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、工藝單元數學建模、虛擬現實、三維模擬等技術構建飲用水處理工藝單元的虛擬仿真模型，結合由水質、水量、水壓等多類型傳感器組成的在線監測網絡，圍繞混凝劑智能化投加、沉淀、（膜）過濾、消毒工藝參數的優化及工藝過程的智能調控等核心應用，打造數字孿生智能水廠（見圖3）。

建設完整的自動化監控系統（見圖4），實現遠程在線自動監測水廠的運行狀況及臨界值報警，水泵、消毒設備的自動運行監控及故障報警，水廠的水源地水質及周邊環境監測及報警，視頻安防監控，數據上報與信息管理，水廠運營管理，提高農村供水工程自動化與信息化管理水平。

利用農村居民用水大數據分析指導水廠運營管理工作。基于居民用水大數據，可分析確定不同區域的用水需求變化，不同時間段的用水需求變化以及不同用水性質的用水需求變化。當大數據顯示某一地區用水量接近水廠供水量時，可采取一定方式將供水能力有剩余的水廠作為備用水廠，還可以聯動水廠控制系統提前加大水泵功率，保證居民供水穩定，從而實現智慧化調度的效果。

（2） 構建數字孿生管網運行及管理系統。

利用三維GIS（Geographic Information System，地理信息系統）、管網在線水力水質模擬、機器學習算法等手段構建供水管網的實時在線模型系統，圍繞智能優化調度、漏損爆管偵測與定位、管網水質保障與突發污染防控等核心應用，構建數字孿生供水管網。通過供水系統數字孿生體的構建，為農村供水系統的智能化與智慧化運行提供技術與平臺支撐。對每次漏水區域維護后的漏水情況進行在線診斷和評估，將漏水管理從漏水監測、漏水分析、漏水維修、維修績效評估、基礎設施改造計劃和投資管理等方面形成閉環狀態。

（3） 數字化監管與應急平臺。

以GIS系統為基礎，整合SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統）、收費管理系統、養護管理信息系統等信息系統形成統一的農村供水數字化監管平臺，實時、準確、動態地滿足決策管理部門和運營管理單位的需要，實現農村供水工程和供水管網資料科學、實時、高效、規范地管理;實現智能化監測、統計分析、用水計量、工程管理、考核管理、水質管理等功能，并提供在線輔助、營收、移動應用等功能。

依托各級政府政務大數據和云中心，充分利用手機等移動設備，建立智能化農飲在線工作服務系統，為各級管理人員提供良好的技術平臺支撐，及時準確地記錄走訪情況、生產經營情況和存在的主要問題、困難，及時有效地推動各級農村供水工作的直接傳達、實施進度確認、效果反饋等。

建設實時數字化農村供水應急響應指揮平臺，對供水水量、水質、管網等方面進行全方位監管，及時采取應急措施應對突發狀況等。當水廠的水質超標、廠內設備故障、供水管網流量和壓力異常時，可基于電子地圖以形象的圖標進行報警;同時，可以多種方式通知管理人員，并發送預警的位置、水體情況和解決的辦法，并生成預警信息的統計報表和預警原因，方便管理者從根本上分析解決問題。202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632

4 面臨的挑戰

數字孿生技術已在多個行業得到廣泛應用，給我們提供了很多參考和啟示，但是，在智慧農飲建設中仍然面臨諸多困難和挑戰。

（1） 農村供水工程自動控制與數據采集等環節較薄弱，部分規模化水廠仍無法完全實現自動化制水和在線水質監測，在取輸凈配全流程中，眾多小規模水廠存在手動控制的情況，仍需進行深度智能化改造。

（2） 農村通信網絡建設欠缺及傳輸穩定性較差等問題可能導致數據丟失，影響數字孿生在虛擬空間中的可靠性，使得數字孿生的整個系統處于不穩定狀態。

（3） 交互與協同是數字孿生的關鍵環節，如何在虛擬空間通過仿真計算驗證水廠、管網、環境等水利設施的運行狀態，排除干擾因素，并最終實現對物理實體的操作，為虛擬實體、物理實體和人的深度信息交互與協同提供支持還存在很多難題和挑戰。

5 結 語

基于數字孿生技術的智慧農飲體系，可充分發揮數字孿生在數據感知、數據集成、人機交互等方面的優勢，有效提高農村供水系統中數據的挖掘與利用水平。對于打造數字孿生水廠、提高水廠安全運行能力和農村供水工作智能監管水平具有積極作用。數字孿生技術的不斷發展和專用模型的深入研究，可以進一步實現區域內農村供水系統的合理規劃和高效管理，從而滿足水利現代化建設的要求。

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（編輯：黃文晉）

Framework design of rural water supply management system based on digital twin technology

ZHAO Cui1，SUN Fuzeng1，LIU Shaobo2，SU Shenghan2，SONG Jiajun1，GAO Qiqi1

（1.National Center for Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China; 2.Huarong Technology （Dalian） Co.，Ltd.，Dalian 116000，China）

Abstract：

There are some problems in the informatization management of rural water supply，including：① the design and construction standards of information systems are not standardized and unified，② the data asset management and mining are not deep enough，③ the systemic emergency response speed is slow.The goal of this article is to solve these problems and realize the transformation from rural water supply informatization to intelligence，so as to meet the requirements of improving the level of rural water supply management.This paper built a smart rural water supply system with one network，two systems，three levels，four applications，and six media supported by digital twin technology，and proposed specific implementation methods and steps：① building universe perception thematic database for smart rural water supply，② making the digital twin intelligent water plant，digital twin pipe network，and digital supervision and emergency platform.The smart rural water supply system can give full play to the advantages of digital twin technology in data perception，data integration，and human-computer interaction.It has a positive effect on improving the safe operation of water plants and the level of intelligent supervision of rural water supply works.

Key words：

rural water supply management;digital twin;smart rural water supply;digital twin intelligent water plant;digital twin pipe network202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632