基于数字孪生的地下管网生态管理探索实践——以杭州市临平区东湖街道为例

文｜杭州市临平区东湖街道城市管理办公室 范愈迅；杭州市临平区住房和城乡建设局 胡茂伟；浙江越歌科技有限公司 庞璐渲

1.前言

近年来，国内部分城市发生了燃气泄漏爆炸、积水内涝、道路塌陷等突发事件，严重影响了人民群众的生命财产安全和城市生命线的安全运行。为进一步加强城市地下管网的规划、建设、管理，《住房和城乡建设部关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》（建城〔2020〕111 号）、《浙江省数字化改革总体方案》（浙委改发〔2021〕2 号）等文件，要求“运用第五代移动通信技术、物联网、人工智能、大数据、云计算等技术，提升城市地下市政基础设施数字化、智能化水平”，从摸清底数、科学布局、提标改造、系统提升、规范管理等方面推进城市地下管网建设，建立地下管网数字化生态管理系统。

2.地下管网管理难点

随着城市化快速推进，杭州市临平区地下管网体量每年上升超过11%，地下“毛细血管”日益错综复杂。为推进地下管网数字化管理，该区以工业重镇东湖街道作为试点，划定75 平方公里试点范围，探索建立地下管网数字化管理体系。管网管理难题如下：

（1）地域面积大，管线数据庞杂。试点范围内拥有河道118 条、总长198 公里，雨污管网长达497 公里，雨污井12 万余个。地下管网包含燃气、雨水、污水、电力、给水、泵站等多种类型，数据庞大复杂，且分散在各个部门，在纳入东湖统一管理过程中，存在底账不清、数据缺失、查阅困难、管段与周边管网关系不明确等问题［1］。

（2）权属单位多，标准不统一。管网管理工作涉及的部门众多，包含管线权属单位、建设单位、管理部门等，各部门在实际工作中“各管各线”，数据采集、入库标准不同，数据资料较为混乱。

（3）更新维护工作量大。城市不断建设发展，地下管线亦在持续更新，在城市建设、运营、管理过程中会新增大量管线数据，加工处理量大，维护成本较高。

3.数字孪生与地下管网

数字孪生是赋能智慧城市建设的创新引领性技术，其运用到城市中，即在城市建筑信息模型（CIM）的基础上，利用物联网技术把物理城市的人、物、事件及各类要素数字化，在网络空间里再造一个与之完全对应的“虚拟城市”，形成物理维实体城市和虚拟数字城市的同生共存、虚实交融［2］。数字孪生若运用到地下管网管理中，则具备如下特征：

管网实体的精准映射。数字孪生是现实世界的数字克隆体，因此地下管网的数字孪生需精准映射现实管线信息，在虚拟空间中搭建管网模型，并确保管网及其附属设施信息与现实世界的一一对应。

管网运行的实时感知。物联网是支撑数字孪生的重要技术之一，它可以汇聚物理世界的实时运行信息，帮助洞察城市运行态势。通过安装在城市地下管网中的传感器，实时监测管网运行情况，实现感知异常、提前预警，促进对各类突发事件的及时有效处置。

管网管理的智能决策。数字孪生的核心能力包含模拟仿真、分析挖掘。在地下管网管理的全生命周期中，可以运用数字孪生的模拟仿真与分析能力，通过全面、精准的分析计算，预演管线各阶段情况，促进尽早发现可能出现的问题与危险，以未来视角对地下管网的建设发展进行智能干预，辅助相关单位的科学决策［3］。

4.地下管网生态管理的实践

东湖街道利用数字孪生技术推进地下管网闭环管理，通过构建城市地下数据资源库、推进业务重构与流程再造、完善信息化平台，实现了地下空间数据全要素归集、全方面运用、全流程治理、多触角监测，助力提升地下空间治理能力和治理现代化水平。

4.1 基于数字孪生底座平台

以数字孪生技术为依托，以“数字孪生”镜像为实现方式，在城市数字孪生管道燃气安全平台的基础上，迭代更新城市管理数字化平台，将城市运维信息纳入系统管理，采用以“1+N+4+1”的模式打通部门交互环节，形成综合型系统。“1”即1 个数字孪生系统，“N”为多个行业部门的数据接入，“4”是根据应用对象与场景，分为应用场景页面控制中心、PC 端应用场景页面、现场工作人员应用场景页面、数字政府场景页面，“1”是建立一个样板工程，推进城市管网管理智慧化、治理精细化、服务人性化，为杭州乃至全国建设数字孪生城市积累可复制推广的先进经验。

图1 东湖街道地下管网生态管理实践

4.2 全方位汇聚数据，构建地下管网数字化综合场景

图3 虚拟开挖分析

图4 淹没分析

图5 管网大数据看板

（1）数据归集，形成数字档案。构建城市地下管网“一件事”,以多维、多源、多态数据为基础，以统一标准规范为依据，以海量智能算法为支撑，通过“基础数据+实时运行+智能监控”模式，形成集雨水、污水、弱电、泵站等管网于一体的综合性电子档案，助力精准发现问题、对接需求、研判形势、预防风险。转变“信息孤岛”理念，按照跨部门多业务协同思路，全面梳理区水务集团、供电公司、港华燃气以及住建局、综合行政执法局、镇街等部门提供的管网及设计规范数据，结合统一地名、地址库，将新建管网、传感器以及应用系统，全部纳入“地下管网数字化生态系统”应用场景。目前已归集11 个部门近2.3 亿条数据，有效支撑核心业务。

（2）技术赋能，实现一网统管。紧盯新建市政地下管线项目及未来规划，始终坚持数字化改革理念，分筛采用IOT、CIM、数据库等贴合性较强的技术应用，依托北斗、5G、IC(集成电路)数字芯片技术建立地下管网大数据云平台，配对智能硬件，实行“一网统管”。

（3）流程重塑，构建工作闭环。应用地下管网数字孪生系统驾驶舱，推进全生命周期管理，统筹地下管网“数据监测-研判分析-任务分解-数据反哺”子功能，形成“实时监管-自动预警-自动派单-及时反馈-监管考核”全流程闭环管理机制，实现城市风险自动发现、城市运行规律主动洞察、运维养护过程追踪回溯、决策分析仿真推演、要素资源高效配置。

4.3 全流程综合治理，强化地下管网运行安全

（1）改变巡查方式，实现“点线巡查”向“长效管理”转化。管网运维中人机协同，依托地下管网数字化孪生系统，通过系统数据可主动发现、准确定位地下管网堵塞、溢流、高负荷运行等问题，诊断问题成因，就近调动移动技术设备车辆，高质量实现定位识别、精准修复，大幅缩减时间与施工成本，做到“修必准、准必快”。2021年3月，新天路大开挖工程在该系统的助力下，整体成本和施工时间由100 多万元20 多天缩减至65万元3天，推动经济效益、社会效益双丰收。

（2）改变预警方式，实现“事后响应”向“事前预警”提升。利用地下管网内设置的传感设备，对排水、供水、燃气管网等生命线进行实时监测，敏捷掌控各类突发事件，并根据不同的问题类型、等级、所需费用等快速确定处置方案。在污水治理期间，监测各污水泵站的实时液位、流量、机组运行状态，自动感应、自动推送、协调处理各站点运行及作业人员工作情况，通过远程调控实现水量平衡，防止污水满溢。

目前，累计发现并处置相关问题1246个。2021年汛期及台风“烟花”期间，该区以地下管网高程信息为依据，通过水文水动力模型推算降雨量，结合管网及井盖端的液位器，实时报警水位水量，为防汛作战部提供决策参考。

（3）改变统筹方式，实现“末端治理”向“综合管理”深化。发挥数字档案优势，实时记录、监测、更新地下管网管线规格、建设施工、数字芯片植入、竣工验收全过程，形成大数据库。通过端口即时传输至规划、住建、城管、水务、管线运维等部门，实现资源共享、行动升级。目前，东湖街道地下管网数字孪生系统已建立横向联动各职能部门，纵向贯通街道、村(社区)的管理体系，整合相关系统5 个，涉及14 个部门和150 余家企业，实现数据录入、施工审批、项目建设、运维管理、档案查询等基层治理“一步到位”。

4.4 多领域优化服务，提升地下管网应用效能

（1）实现用户办事“最多跑一次”。地下管网数字化变革之前，纳管施工单位在处理污水满溢、道路积水、管道修复等工作时，需要查阅道路管网档案，再由工作人员现场放样比对，整个审批流程历时5个工作日才能全部完成。目前，地下管网数字化管理系统已上架至“浙里办”服务端，施工审批、项目建设、档案查询等日常业务“网上可办”，纳管施工单位5 分钟内便能获取管道位置、标高、管径、流向等信息。

（2）实现技术修复“最多修一次”。通过应用场景及数据模型，建设前开展模拟建造，做好风险预测，规避实际风险；建设中可以做好对工程项目从质量、安全、绿色施工、进度等方面的数字化动态监管，避免重复施工。如地铁九号线荷禹路段管线迁改项目施工过程中，提前发现原有图纸的管线位置偏差及管道流向错误，港华燃气、水务集团、供电公司、四大运营商依托平台，及时做好燃气、给水、弱电、雨水、污水等管线的衔接，提升了开挖建设安全性，减少了工程变更。

5.结语

数字孪生的实现需要构建精准模型、融合全要素数据、全面感知物理实体、实时信息交互和按需智能服务。东湖街道在实践中积极运用数字孪生技术，实现了地下管网数据的深度融合与数字化治理，借助物联传感设备，精准把握地下管网运行脉搏，通过信息化平台，实现管线运维精准高效、决策分析有据可依。打造了贯穿地下管网规划设计、综合审批、施工建设、运维养护全流程的生态治理体系，让隐蔽的地下管网管理暴露在阳光下，汇聚至系统平台里。在推进城市治理数字化转型方面是一次重要的探索创新，可为地下管网管理提供有益借鉴，为其他领域的智慧化应用积累经验，为构建城市治理现代化体系增添助力。