基于数字孪生技术的九江城市智慧水务平台设计与实现

陈国标

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

数字孪生最早由密歇根大学的Michael Grieves教授提出的“信息镜像模型”演变而来，美国国防部最早将数字孪生技术用于航空航天飞行器的健康维护与保障[1]。通过数字空间建立真实飞机的模型，并将传感器与飞机真实状态与数字空间同步映射，通过数据模型驱动实现对飞机未来状态的预测[2]。同时数字孪生技术也可用于新建或改建物理实体的数字化表达，通过构建实体对象的数字化模型，结合传感器数据和模型算法实现实体对象数字孪生体的虚拟构建，可用于对物理实体的模拟、仿真、优化及预测[3]。

数字孪生技术诞生之初由于计算机、通信、物联网等技术瓶颈导致数字孪生技术的应用主要集中在规模较小的实体模型，如飞行器、汽车制造、武器装备及数字工厂等小尺度范围内[4-9]。随着技术进步，特别是云技术、物联网和5G技术的发展，数据存储与传输速度得到了极大的提高，数字孪生技术逐步应用于城市级别甚至流域级别的尺度，如智慧村落、智慧城市，甚至智慧流域的概念逐步提出[10-16]。

智慧水务属于智慧城市的范畴，最早在2014—2015年提出，并主要应用于自来水厂的数字化改造以及城市给水管网的渗漏预测[17-19]。随着中国新基建概念的提出，数字化与智能化要求越来越高，智慧水务概念的外延逐步扩大到厂网河湖(岸)等系统，如何实现不同子系统模型的构建、数据映射、模型驱动与数据管理成为科技人员急需解决的问题[20-22]。

本文以九江智慧水务应用实践为例，通过构建九江智慧水务平台，以数字孪生技术为核心，打造九江中心城区数据基座，结合5G物联网、水力模型和云计算等技术，建立九江中心城区水环境的时空模型，实现智慧工程、智慧资产、智慧监测、智慧决策和智慧评价方面的应用，为未来智慧水务建设提供了经验参考[23-26]。

1 总体设计

1.1 城市现状

九江市位于江西省最北部，地处赣、鄂、皖、湘四省交界处，号称“三江之口、七省通衢”，是江西省唯一临江临港的城市，也是一座有着2 200多年历史的江南名城。九江是首批5个沿江对外开放城市之一，是长江经济带重要节点城市，是推动长江经济带发展领导小组办公室确定的长江大保护先行先试的试点城市之一。目前，九江市中心城区水环境系统存在生态系统功能脆弱、水体黑臭、水体富营养化、城市内涝、水质型缺水等诸多问题。

1.2 设计内容

作为长江大保护首批实施的先行先试项目，九江市水环境系统综合治理项目一期投资额高达约77亿元，项目覆盖面积达220 km2，包括九江中心城区水务基础设施建设、管网改造、工程数字化及平台系统建设等。九江市智慧水务项目期望通过针对“厂网河湖(岸)一体的先进排水模式、泥水并重的资源再生模式、管河联动及河湖联动的综合治理模式、五湖联动的清源活水模式、市政管网的全面提升模式”及智慧管控模式进行全面研究，从而对整个长江沿线城市生态环境保护和可持续发展工作推进起到较强引领和示范作用。

九江市智慧水务平台设计围绕城市“水安全、水资源、水环境、水生态、水文化”五位一体的战略应用，综合应用地理信息系统、物联网、云计算、大数据等新兴技术，采集、汇总和利用营销、呼叫中心、管网运维等众多数据，以数据平台、应用平台为框架，以实现对河道、湖泊、污水厂、水闸、泵站、调蓄池、管网、气象等水务基础设施和水文、水质、水压等水情的自动化监测、实时化调度、网络化办事、系统化管理、科学化决策和规范化服务。

1.3 总体架构

九江智慧水务整体实施思路以“一朵云”“一张网”“一张图”“五中心”“一本账”的“11151”总体框架(图1)，在长江沿岸各城市生态环保信息化基础设施建设的统一规划下，在九江地区开展试点。在排水管网节点处布设自动化监测设备，组成监测感知一张网，通过GIS+BIM技术构建数字孪生一张图。面向各级管理部门需求打造工程管理、智慧感知、水务应用、决策支持及展示宣传五大中心。创新管理思维模式，建设绩效指标考核体系，围绕长江大保护的核心目标在九江市开展示范应用。

图1 九江智慧水务总体框架

九江市智慧水务平台通过调用长江生态云中心平台统一提供的计算、存储、网络、物联感知等资源服务，开展九江本地监测数据采集及对接、GIS+BIM基础数据对接，对水资源、城市供水、污水、雨水、河湖、再生水和防洪系统以及城市蓝线管控空间等要素进行有机整合，标准化产品调用以及定制化开发，以创新性的共建共享模式实现长江大保护智慧水务的集约化建设、规范化管理、共享式服务与一体化运营。

2 平台建设内容

为实现九江市水务治理“长治久安”的目标，以数字孪生技术为核心，建立基于实景建模、GIS+BIM、5G物联网、水力模型和云计算等技术相融合的智慧水务平台。基于长江智慧水务的整体架构，进行技术体系架构设计，主要包括智慧感知层、基础设施层、数据共享与分析层、应用使能层、智慧应用层，具体技术架构见图2。

图2 九江智慧水务平台技术架构

九江市智慧水务平台数字孪生技术的应用，以数据为核心，主要通过对资产、项目、系统的数字化表达，利用物联网、机器学习、人工智能等手段，实现项目、资产的数字化表达与双向的信息同步，其显著的特征是统一、可信与易取。在工程整个全生命周期中，所有参与方都使用同一个数字孪生对象，从而实现工程信息、数据的一致和同步。通过对现在、过去数据的分析，以提升项目、资产的可靠性，抗风险能力和生产力，平台数据架构见图3。

从整体结构来说，旧规则包括五方面的内容，而新规则扩充为七方面；从具体条款分析，新规则部分内容进一步充实，其阐释更为详细。

图3 九江智慧水务平台数据架构

2.1 数字环境构建

数字孪生技术的第一步就是生成数字模型，而加入更多的数据集才是关键[27]，为了克服传统二维管理平台可视化程度较低的弊端，平台数字化底座的建设采用无人机倾斜摄影技术，开展九江市域项目范围内的影像采集工作，搭建九江整个建设区域内地理、地貌、设施数字化实景模型(图4)，替代以往的GIS二维环境底图，实现数字化三维环境的搭建，作为工程相关数据、BIM设计的“底图”，打造基于“一张图”的九江市中心城区水环境综合整治智慧水务实施的蓝图。

2.2 数字模型构建

在数字环境构建的基础上，为满足数字孪生模型数据的要求，平台设计基于项目范围内已建、在建与新建水务相关工程的初步设计图纸和施工图纸完成数字模型构建。其中，测绘专业、结构专业、水机专业、给排水专业分别采用BIM设计软件搭建污水处理厂的厂房结构模型、工艺设施模型、厂区地形模型等构建筑物。利用Bentley ProjectWise平台协同设计和Navigator碰撞检查，提高在建与新建项目设计和施工质量。通过漫游与碰撞检查找出总装模型的设计异常点，再用Navigator批注和处理这些碰撞点。制定统一设计平台，定制标准元件库和Part样式，结合Workspace推送实现标准化设计。同时在工程数字化基础上，采用数字孪生技术，将BIM模型通过iModel发布并上传到智慧水务云平台，实现Web端和移动端数据访问和共享，便于将BIM模型同GIS平台和物联网系统融合，从而导入智慧水务平台，实现基于GIS+BIM+物联网技术的智慧水务“一张图”应用系统，具体成果见图5。

2.3 物理数据映射

在物理实体模型与数字模型构建的基础上，为进一步提高数字孪生体的数据信息，便于后期模型驱动，本研究通过BIM与GIS集成应用，以实现GIS物理数据与实体模型和数字模型的映射，同时提高长线工程和大规模区域性工程的管理能力[28]。通过GIS宏观地将单个建筑的BIM应用扩展到范围更大的智慧水务等工程领域。

利用GIS+BIM信息技术，将多来源、不同格式、不同空间尺度的数据进行统一集成，针对管网、泵站、调蓄池、污水厂以及监测设备等水务设施管理涉及的海量设施资料、空间等数据建立管理、浏览、查询和空间分析功能，更加有效、综合、丰富、全面地显示和分析大量水务设施数据，为城市水务设施的运行管理、模拟分析和联合调度提供翔实全面的、不同尺度、不同显示模式的基础数据支持，具体成果见图6。

图6 基于GIS+BIM的城市排水系统精细化管理

2.4 感知数据映射

数字孪生技术与以往仿真模拟技术最大的不同是感指数居的映射，从而创造一个实时的“真实”的虚拟环境[29]。本文利用5G物联网技术采集水安全、水资源、水环境、水生态四方面内容的实时在线智能监测与感知(水位、流量、水质、视频等)数据，建立起覆盖九江市中心城区水环境系统综合治理项目的智能感知网络，提升九江市水务部门信息采集能力，提高九江市流域水资源调度、水环境改善与防洪排涝管理的应对能力。

九江市中心城区水环境系统综合治理一期项目的智能感知网络的监控内容，见图7。

图7 九江智慧水务平台智能感知网监控内容

2.5 智慧应用

a)综合展示。基于GIS+BIM技术，对水环境治理规划、水务设施建设、水务运营管理等几个方面进行可视化管理，打造综合展示一张图。

b)智慧资产。在工程数字化的基础上，对设施资产进行智慧化应用。利用GIS+BIM等信息技术，提供污水处理厂、地下管网、防洪排涝设施、监测设备等水务设施管理以及涉及的海量设施资料、空间等数据的管理、浏览、查询和空间分析功能。为城市水务设施的运行管理、模拟分析和联合调度提供翔实全面的、不同尺度、不同显示模式的基础数据支持。

c)智慧监测。通过接入在线监测数据对厂网河湖岸进行一体化监测，可及时发现设施运行中的突发状况，有助于事故快速预警、溯源与追踪，管理部门对排水事故的预警和处理能力得到提升。

d)智慧决策。基于在线监测数据，通过水环境仿真建模，对污染源扩散、内涝、基础设施水容量等进行有效分析，形成智慧决策大脑，为管理者预测灾情、事故、突发事件所带来的后果，帮助管理者能够准确的进行决策与指挥。同时结合移动端应用，使处理工作快速灵敏并协调有序。

e)智慧评价。通过污水厂、管网、流域、排口的监测数据、以及流域的遥感数据进行数据分析和流域生态分析，为城区水环境系统治理工程实施成果进行综合评估，为工程运行的正常运行提供评价分析保障。

3 创新示范应用

采用数字孪生技术构建的九江智慧水务平台，实现了以下3个方面的新技术实践。

a)城市水务设施数字化。在九江试点期间，市政地下管网数据基于GIS技术，完成九江地区现状地下排水管线共计453.258 km的管网GIS建模，完成了城市管网数据数字化。采用倾斜摄影技术，覆盖十里河、两河流域及彭泽区域，飞行272架次，采集7万多张照片，航拍影像覆盖九江中心城区80 km2，围绕芳兰区域及白水湖区域构建精度达3 cm的倾斜摄影模型，完成了城市基础本底数据三维数字化。基于BIM技术，围绕芳兰污水处理厂、蓄水池、污水提升泵站等地下排水管网构建筑物，将BIM成果贯穿工程设计、施工以及竣工，在工程设计过程中，通过BIM设计模型的审核、碰撞检查等手段发现工程设计问题，减少施工变更，从而有效节约了成本。同时，采用OpenRoads导入GIS管网数据，自动形成三维管网模型，通过GIS+BIM技术融合，将管网及水务基础设施三维BIM模型导入到实景数字环境中，在九江地区实现了基于GIS+BIM的水务设施数字化示范应用(图8)，为工程基础设施的运维管理提供基础数据调用及服务。

b)基于数字孪生技术的资产管理。从工程采集与设计初期，制定规范的数据采集模板、设计规范，通过标准的数据处理流程及数据质量检查，将设施设备基础信息与数字化模型通过编码进行挂接，形成数字孪生模型，实现不同类型和不同阶段的数据存储及管理，并在web端完成模型轻量化转换，实现水务设施设备资产的可视化管理，见图9。

图9 基于数字孪生技术的web端设备资产管理

c)水力模型与三维实景融合打造数字孪生业务动态模拟。在九江，针对城市水务及水环境数据海量性、多类性、模糊性、时空过程性、动态更新频繁等特点，利用SewerGEMS和Openflows Flood构建不同尺度的实时动态水动力模型，通过高性能计算集群完成模型多任务、多用户并发分布式实时计算，快速、精确地实现管网水力、地表漫流、河网河道、水质传递、水生态等各类模型的统一管理、统一分析与调用。同时，水动力模型根据监测或预报数据实时在线进行动态模拟计算，实现城市厂站网河联合调度、泵闸管网优化调度、城市内涝预测、管网江河水质传递计算等业务功能，并将水力模型与三维实景模型相结合，面向城市内涝业务，实现三维可视化的实景动态模拟，见图10。

图10 基城市内涝实景实时动态模拟

4 结语

绿水青山就是金山银山，随着中国对生态环境的逐步重视，基于数字孪生技术的城市智慧水务平台建设将越来越多，如何有效地利用海量数据实现水务数字化和智慧型管理转型将是中国未来基础设施建设面临的巨大机遇与挑战。本文基于数字孪生技术开展九江智慧水务平台建设的探索，已实现工程数字化、模型与数据一体化、数据辅助决策等相关功能，期望能为中国未来智慧城市建设提供经验参考。