基于數字孿生技術的九江城市智慧水務平臺設計與實現

陳國標

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

數字孿生最早由密歇根大學的Michael 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[1]。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的預測[2]。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、優化及預測[3]。

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模較小的實體模型，如飛行器、汽車制造、武器裝備及數字工廠等小尺度范圍內[4-9]。隨著技術進步，特別是云技術、物聯網和5G技術的發展，數據存儲與傳輸速度得到了極大的提高，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[10-16]。

智慧水務屬于智慧城市的范疇，最早在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[17-19]。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，如何實現不同子系統模型的構建、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[20-22]。

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，打造九江中心城區數據基座，結合5G物聯網、水力模型和云計算等技術，建立九江中心城區水環境的時空模型，實現智慧工程、智慧資產、智慧監測、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[23-26]。

1 總體設計

1.1 城市現狀

九江市位于江西省最北部，地處贛、鄂、皖、湘四省交界處，號稱“三江之口、七省通衢”，是江西省唯一臨江臨港的城市，也是一座有著2 200多年歷史的江南名城。九江是首批5個沿江對外開放城市之一，是長江經濟帶重要節點城市，是推動長江經濟帶發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，九江市中心城區水環境系統存在生態系統功能脆弱、水體黑臭、水體富營養化、城市內澇、水質型缺水等諸多問題。

1.2 設計內容

作為長江大保護首批實施的先行先試項目，九江市水環境系統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，包括九江中心城區水務基礎設施建設、管網改造、工程數字化及平臺系統建設等。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網河湖(岸)一體的先進排水模式、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、市政管網的全面提升模式”及智慧管控模式進行全面研究，從而對整個長江沿線城市生態環境保護和可持續發展工作推進起到較強引領和示范作用。

九江市智慧水務平臺設計圍繞城市“水安全、水資源、水環境、水生態、水文化”五位一體的戰略應用，綜合應用地理信息系統、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測、實時化調度、網絡化辦事、系統化管理、科學化決策和規范化服務。

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環保信息化基礎設施建設的統一規劃下，在九江地區開展試點。在排水管網節點處布設自動化監測設備，組成監測感知一張網，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云中心平臺統一提供的計算、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，以創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融合的智慧水務平臺?；陂L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。

從整體結構來說，舊規則包括五方面的內容，而新規則擴充為七方面；從具體條款分析，新規則部分內容進一步充實，其闡釋更為詳細。

圖3 九江智慧水務平臺數據架構

2.1 數字環境構建

數字孿生技術的第一步就是生成數字模型，而加入更多的數據集才是關鍵[27]，為了克服傳統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二維環境底圖，實現數字化三維環境的搭建，作為工程相關數據、BIM設計的“底圖”，打造基于“一張圖”的九江市中心城區水環境綜合整治智慧水務實施的藍圖。

2.2 數字模型構建

在數字環境構建的基礎上，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、結構專業、水機專業、給排水專業分別采用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、廠區地形模型等構建筑物。利用Bentley ProjectWise平臺協同設計和Navigator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Navigator批注和處理這些碰撞點。制定統一設計平臺，定制標準元件庫和Part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iModel發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平臺和物聯網系統融合，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，具體成果見圖5。

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模區域性工程的管理能力[28]。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一集成，針對管網、泵站、調蓄池、污水廠以及監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，更加有效、綜合、豐富、全面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全面的、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GIS+BIM的城市排水系統精細化管理

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，從而創造一個實時的“真實”的虛擬環境[29]。本文利用5G物聯網技術采集水安全、水資源、水環境、水生態四方面內容的實時在線智能監測與感知(水位、流量、水質、視頻等)數據，建立起覆蓋九江市中心城區水環境系統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、水環境改善與防洪排澇管理的應對能力。

九江市中心城區水環境系統綜合治理一期項目的智能感知網絡的監控內容，見圖7。

圖7 九江智慧水務平臺智能感知網監控內容

2.5 智慧應用

a)綜合展示。基于GIS+BIM技術，對水環境治理規劃、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全面的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數據支持。

c)智慧監測。通過接入在線監測數據對廠網河湖岸進行一體化監測，可及時發現設施運行中的突發狀況，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?；谠诰€監測數據，通過水環境仿真建模，對污染源擴散、內澇、基礎設施水容量等進行有效分析，形成智慧決策大腦，為管理者預測災情、事故、突發事件所帶來的后果，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、排口的監測數據、以及流域的遙感數據進行數據分析和流域生態分析，為城區水環境系統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80 km2，圍繞芳蘭區域及白水湖區域構建精度達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。基于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、碰撞檢查等手段發現工程設計問題，減少施工變更，從而有效節約了成本。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技術融合，將管網及水務基礎設施三維BIM模型導入到實景數字環境中，在九江地區實現了基于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。

b)基于數字孿生技術的資產管理。從工程采集與設計初期，制定規范的數據采集模板、設計規范，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融合打造數字孿生業務動態模擬。在九江，針對城市水務及水環境數據海量性、多類性、模糊性、時空過程性、動態更新頻繁等特點，利用SewerGEMS和Openflows Flood構建不同尺度的實時動態水動力模型，通過高性能計算集群完成模型多任務、多用戶并發分布式實時計算，快速、精確地實現管網水力、地表漫流、河網河道、水質傳遞、水生態等各類模型的統一管理、統一分析與調用。同時，水動力模型根據監測或預報數據實時在線進行動態模擬計算，實現城市廠站網河聯合調度、泵閘管網優化調度、城市內澇預測、管網江河水質傳遞計算等業務功能，并將水力模型與三維實景模型相結合，面向城市內澇業務，實現三維可視化的實景動態模擬，見圖10。

圖10 基城市內澇實景實時動態模擬

4 結語

綠水青山就是金山銀山，隨著中國對生態環境的逐步重視，基于數字孿生技術的城市智慧水務平臺建設將越來越多，如何有效地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。本文基于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。