安科瑞 劉秋霞
摘要：當(dāng)下，以數(shù)字孿生為主的數(shù)字技術(shù)愈發(fā)成熟，為使得長(zhǎng)江水環(huán)境治理能夠“長(zhǎng)治久安"，上海院在長(zhǎng)江大保護(hù)先行先試城市九江城中水環(huán)境治理中啟用了智慧水務(wù)先進(jìn)理念，搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水務(wù)平臺(tái)。通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建九江城市“一張圖"的數(shù)據(jù)基座，結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)，應(yīng)用智慧水務(wù)平臺(tái)，加上水務(wù)治理的河道水情、水質(zhì)、區(qū)域雨情、泵站運(yùn)行、管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，虛擬九江市城中水環(huán)境的實(shí)時(shí)時(shí)空模型,提高了“廠網(wǎng)河湖岸"的聯(lián)動(dòng)治理和一體化運(yùn)營(yíng)，達(dá)到水務(wù)治理的實(shí)時(shí)監(jiān)管和科學(xué)輔助決策，為未來智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。
關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生技術(shù);數(shù)據(jù)基座;智慧水務(wù);長(zhǎng)江大保護(hù)；九江
數(shù)字孿生開始由密歇根大學(xué)的Michad Grieves教授提出的“信息鏡像模型"演變而來，美國(guó)國(guó)防部最早將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，通過數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型,并將傳感器與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)與數(shù)字空間同步映射，通過數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)也可用于新建或改建物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá),通過構(gòu)建實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化模型，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和模型算法實(shí)現(xiàn)實(shí)體對(duì)象數(shù)字孿生體的虛擬構(gòu)建，可用于對(duì)物理實(shí)體的模擬、仿真、優(yōu)化及預(yù)測(cè)。
數(shù)字孿生技術(shù)誕生之初由于計(jì)算機(jī)、通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)瓶頸導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用主要集中在規(guī)模較小的實(shí)體模型,如飛行器、汽車制造、及數(shù)字工廠等小尺度范圍內(nèi)。隨著技術(shù)進(jìn)步,特別是云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸速度得到了很大的提高，數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于城市級(jí)別甚至流域級(jí)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。
智慧水務(wù)屬于智慧城市的范疇,開始在2014— 2015年提出，并主要應(yīng)用于自來水廠的數(shù)字化改造以及城市給水管網(wǎng)的滲漏預(yù)測(cè)。隨著中國(guó)新基建概念的提出，數(shù)字化與智能化要求越來越高，智慧水務(wù)概念的外延逐步擴(kuò)大到廠網(wǎng)河湖（岸）等系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)映射、模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)管理成為科技人員急需解決的問題。
本文以九江智慧水務(wù)應(yīng)用實(shí)踐為例，通過構(gòu)建九江智慧水務(wù)平臺(tái),以數(shù)字孿生技術(shù)為核心,打造九江市中心城區(qū)數(shù)據(jù)基座，結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)，建立九市江中心城區(qū)水環(huán)境的時(shí)空模型,實(shí)現(xiàn)智慧工程、智慧資產(chǎn)、智慧監(jiān)測(cè)、智慧決策和智慧評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用，為未來智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。
1總體設(shè)計(jì)
1.1城市現(xiàn)狀
九江市位于江西省北部,地處贛、鄂、皖、湘四 省交界處，號(hào)稱“三江之口、七省通衢",是江西省臨江臨港的城市,也是一座有著2200多年歷史的江南名城。九江是5個(gè)沿江對(duì)外開放城市之一,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重要節(jié)點(diǎn)城市,是推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室確定的長(zhǎng)江大保護(hù)先行先試的試點(diǎn)城市之一。目前,九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)存在生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、水體黑臭、水體富營(yíng)養(yǎng)化、 城市內(nèi)澇、水質(zhì)型缺水等諸多問題。
1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容
作為長(zhǎng)江大保護(hù)實(shí)施的先行先試項(xiàng)目，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項(xiàng)目一期投資額高達(dá)約77億元，項(xiàng)目覆蓋面積達(dá)220 km2，包括九江中心城區(qū)水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等。九江市智慧水務(wù)項(xiàng)目期望通過針對(duì)“廠網(wǎng)河湖（岸）一體的先進(jìn)排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動(dòng)及河湖聯(lián)動(dòng)的綜合治理模式、五湖聯(lián)動(dòng)的清源活水模式、市政管網(wǎng)的提升模式"及智慧管控模式進(jìn)行詳細(xì)研究，從而對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展工作推進(jìn)起到較強(qiáng)示范作用。
九江市智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)圍繞城市“水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化"五位一體的戰(zhàn)略應(yīng)用,綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，采集、匯總和利用營(yíng)銷、呼叫中心、管網(wǎng)運(yùn)維等眾多數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)為框架, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調(diào)蓄池、管網(wǎng)、氣象等水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施和水文、水質(zhì)、水壓等水情的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)化調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)化辦事、系統(tǒng)化管理、科學(xué)化決策和規(guī)范化服務(wù)。
1.3總體架構(gòu)
九江智慧水務(wù)整體實(shí)施思路以“一朵云"“一張網(wǎng)"“一張圖"“五中心"“一本賬"的“ 11151"總體框架（圖1），在長(zhǎng)江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點(diǎn)。在排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備,組成監(jiān)測(cè)感知一張網(wǎng)，通過GIS + BIM技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生一張圖。面向各級(jí)管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務(wù)應(yīng)用、決策支持及展示宣傳五大中心。創(chuàng)新管理思維模式,建設(shè)績(jī)效指標(biāo)考核體系,圍繞長(zhǎng)江大保護(hù)的核心目標(biāo)在九江市開展示范應(yīng)用。
圖1九江智慧水務(wù)總體框架
九江市智慧水務(wù)平臺(tái)通過調(diào)用長(zhǎng)江生態(tài)云中心平臺(tái)統(tǒng)一提供的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知等資源服務(wù)，開展九江本地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及對(duì)接、GIS + BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)水資源、城市供水、污水、雨水、河湖、再生水和防洪系統(tǒng)以及城市藍(lán)線管控空間等要素進(jìn)行有機(jī)整合，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品調(diào)用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江大保護(hù)智慧水務(wù)的集約化建設(shè)、規(guī)范化管理、共享式服務(wù)與一體化運(yùn)營(yíng)。
2平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容
為實(shí)現(xiàn)九江市水務(wù)治理“長(zhǎng)治久安"的目標(biāo)，以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，建立基于實(shí)景建模、GIS +BIM、5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合的智慧水務(wù)平臺(tái)。基于長(zhǎng)江智慧水務(wù)的整體架構(gòu),進(jìn)行技術(shù)體系架構(gòu)設(shè)計(jì),主要包括智慧感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)共享與分析層、應(yīng)用使能層、智慧應(yīng)用層，具體技術(shù)架構(gòu)見圖2。
圖2九江智慧水務(wù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)
九江市智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過對(duì)資產(chǎn)、項(xiàng)目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá),利用物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等手段,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、資產(chǎn)的數(shù)字化表達(dá)與雙向的信息同步,其顯著的特征是統(tǒng)一、可信與易取。在工程整個(gè)全生命周期中,所有參與方都使用同一個(gè)數(shù)字孿生對(duì)象,從而實(shí)現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對(duì)現(xiàn)在、過去數(shù)據(jù)的分析，以提升項(xiàng)目、資產(chǎn)的可靠性，抗風(fēng)險(xiǎn)能力和生產(chǎn)力，平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖3 o
圖3九江智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)
2.1數(shù)字環(huán)境構(gòu)建
數(shù)字孿生技術(shù)開始就是生成數(shù)字模型，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關(guān)鍵，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺(tái)可視化程度較低的弊端，平臺(tái)數(shù)字化底座的建設(shè)采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),開展九江市域項(xiàng)目范圍內(nèi)的影像采集工作,搭建九江整個(gè)建設(shè)區(qū)域內(nèi)地理、地貌、設(shè)施數(shù)字化實(shí)景模型（圖4），替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關(guān)數(shù)據(jù)，BIM設(shè)計(jì)的“底圖"，打造基于“一張圖"的九江市中心城區(qū)水環(huán)境綜合整治智慧水務(wù)實(shí)施的藍(lán)圖。
圖4九江市智慧水務(wù)平臺(tái)三維實(shí)景模型
2.2數(shù)字模型構(gòu)建
在數(shù)字環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺(tái)設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目范圍內(nèi)已建、在建與新建水務(wù)相關(guān)工程的初步設(shè)計(jì)圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構(gòu)建。其中，測(cè)繪專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、水機(jī)專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設(shè)計(jì)軟件搭建污水處理廠的廠房結(jié)構(gòu)模型、工藝設(shè)施模型、廠區(qū)地形模型等構(gòu)建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設(shè)計(jì)異常點(diǎn)，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點(diǎn)。制定統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái),定制標(biāo)準(zhǔn)兀件庫和Paa樣式，結(jié)合Workspace推送實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。同時(shí)在工程數(shù)字化基礎(chǔ)上，采用數(shù)字孿生技術(shù)，將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務(wù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Web端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，從而導(dǎo)入智慧水務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水務(wù)“一張圖"應(yīng)用系統(tǒng)，具體成果見圖5。
圖5基于智慧水務(wù)的建筑物模型
2.3物理數(shù)據(jù)映射
在物理實(shí)體模型與數(shù)字模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅(qū)動(dòng)，本研究通過BIM與GIS集成應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實(shí)體模型和數(shù)字模型的映射，同時(shí)提高長(zhǎng)線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。通過GIS宏觀地將單個(gè)建筑的BIM應(yīng)用擴(kuò)展到范圍更大的智慧水務(wù)等工程領(lǐng)域。
利用GIS + BIM信息技術(shù)，將多來源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集成，針對(duì)管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池、污水廠以及監(jiān)測(cè)設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理涉及的海量設(shè)施資料、空間等數(shù)據(jù)建立管理、瀏覽、查詢和空間分析功能，更加高效、綜合、豐富、詳細(xì)地顯示和分析大量水務(wù)設(shè)施數(shù)據(jù)，為城市水務(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，具體成果見圖 6。
圖6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理
2.4感知數(shù)據(jù)映射
數(shù)字孿生技術(shù)與以往仿真模擬技術(shù)最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)的“真實(shí)"的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線智能監(jiān)測(cè)與感知（水位、流量、水質(zhì)等）數(shù)據(jù), 建立起覆蓋九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項(xiàng)目的智能感知網(wǎng)絡(luò),提升九江市水務(wù)部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調(diào)度、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應(yīng)對(duì)能力。
九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項(xiàng)目的智能感知網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控內(nèi)容，見圖7。
圖7九江智慧水務(wù)平臺(tái)智能感知網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容
2.5智慧應(yīng)用
運(yùn)維低效、調(diào)度乏力、缺乏評(píng)估考核機(jī)制是許多 水務(wù)管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點(diǎn)。從業(yè)務(wù)應(yīng)用需求出發(fā),結(jié)合智慧化技術(shù)手段,九江智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列智慧應(yīng)用系統(tǒng)子系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理、實(shí)現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破。
a）綜合展示。基于GIS + BIM技術(shù)，對(duì)水環(huán)境治理規(guī)劃、水務(wù)設(shè)施建設(shè)、水務(wù)運(yùn)營(yíng)管理等幾個(gè)方面進(jìn)行可視化管理,打造綜合展示一張圖。
B) 智慧資產(chǎn)。在工程數(shù)字化的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)施資產(chǎn)進(jìn)行智慧化應(yīng)用。利用GIS + BIM等信息技 術(shù),提供污水處理廠、地下管網(wǎng)、防洪排澇設(shè)施、監(jiān)測(cè)設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理以及涉及的海量設(shè)施資料、空間等數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、查詢和空間分析功能。為城市水務(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
C）智慧監(jiān)測(cè)。通過接入在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)廠網(wǎng)河湖岸進(jìn)行一體化監(jiān)測(cè),可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)行中的突發(fā)狀況,有助于事故快速預(yù)警、溯源與追蹤，管理部門對(duì)排水事故的預(yù)警和處理能力得到提升。
d） 智慧決策。基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過水環(huán)境仿真建模,對(duì)污染源擴(kuò)散、內(nèi)澇、基礎(chǔ)設(shè)施水容量等進(jìn)行高效分析,形成智慧決策大腦,為管理者預(yù)測(cè)災(zāi)情、事故、突發(fā)事件所帶來的后果，幫助管理者能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行決策與指揮。同時(shí)結(jié)合移動(dòng)端應(yīng)用,使處理工作快速靈敏并協(xié)調(diào)有序。
e） 智慧評(píng)價(jià)。通過污水廠、管網(wǎng)、流域、排口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、以及流域的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和流域生態(tài)分析，為城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)治理工程實(shí)施成果進(jìn)行綜合評(píng)估，為工程運(yùn)行的正常運(yùn)行提供評(píng)價(jià)分析保障。
3創(chuàng)新示范應(yīng)用
采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的九江智慧水務(wù)平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)方面的新技術(shù)實(shí)踐。
a）城市水務(wù)設(shè)施數(shù)字化。在九江試點(diǎn)期間，市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術(shù)，完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計(jì)453. 258 km的管網(wǎng)GIS建模，完成了城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化。采用傾斜攝影技術(shù),覆蓋十里河、兩河流域及彭澤區(qū)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(qū)80km2，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構(gòu)建精度達(dá)3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化。基于BIM技術(shù)，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(wǎng)構(gòu)建筑物，將BIM成果貫穿工程設(shè)計(jì)、施工以及竣工，在工程設(shè)計(jì)過程中，通過BIM設(shè)計(jì)模型的審核、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)問題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本。同時(shí)，采用OpenRoads導(dǎo)入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)形成三維管網(wǎng)模型，通過GIS + BIM技術(shù)結(jié)合，將管網(wǎng)及水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施三維BIM模型導(dǎo)入到實(shí)景數(shù)字環(huán)境中，在九江地區(qū)實(shí)現(xiàn)了基于GIS + BIM的水務(wù)設(shè)施數(shù)字化示范應(yīng)用（圖8），為工程基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)用及服務(wù)。
圖8九江基于GII + BIM的水務(wù)設(shè)施數(shù)字化
B）基于數(shù)字孿生技術(shù)的資產(chǎn)管理。從工程采集與設(shè)計(jì)初期，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)采集模板、設(shè)計(jì)規(guī)范,通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,將設(shè)施設(shè)備基礎(chǔ)信息與數(shù)字化模型通過編碼進(jìn)行掛接,形成數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)不同類型和不同階段的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理，并在web端完成模型輕量化轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)水務(wù)設(shè)施設(shè)備資產(chǎn)的可視化管理，見圖9。
圖9基于數(shù)字孿生技術(shù)的web端設(shè)備資產(chǎn)管理
C）水力模型與三維實(shí)景結(jié)合打造數(shù)字孿生業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)模擬。在九江，針對(duì)城市水務(wù)及水環(huán)境數(shù)據(jù)海量性、多類性、模糊性、時(shí)空過程性、動(dòng)態(tài)更新頻繁等特點(diǎn)，利用SewerGEMS和Opentows Flood構(gòu)建不同尺度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水動(dòng)力模型，通過高性能計(jì)算集群完成模型多任務(wù)、多用戶并發(fā)分布式實(shí)時(shí)計(jì)算，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力、地表漫流、河網(wǎng)河道、水質(zhì)傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分析與調(diào)用。同時(shí)，水動(dòng)力模型根據(jù)監(jiān)測(cè)或預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)城市廠站網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度、泵閘管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、城市內(nèi)澇預(yù)測(cè)、管網(wǎng)江河水質(zhì)傳遞計(jì)算等業(yè)務(wù)功能，并將水力模型與三維實(shí)景模型相結(jié)合，面向城市內(nèi)澇業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)三維可視化的實(shí)景動(dòng)態(tài)模擬，見圖10。
圖10基城市內(nèi)澇實(shí)景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬
4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)
4.1平臺(tái)概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。
4.2平臺(tái)組成
AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。
4.3平臺(tái)拓?fù)鋱D
4.4平臺(tái)子系統(tǒng)
4.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。
監(jiān)測(cè)變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。
4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理
水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
4.4.3電動(dòng)機(jī)管理
馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。
4.4.4能耗管理
為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)狻⒗錈崃肯牧浚h(huán)比對(duì)比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。
能效分析按三級(jí)計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國(guó)家指標(biāo)對(duì)標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。
4.4.5智能照明控制
系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能的目的。
4.4.6電氣安全
①電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。
②消防應(yīng)急照明和疏散指示：根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
③消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。
④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號(hào)。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息，保障了電氣安全的可靠性。
4.4.7 環(huán)境監(jiān)測(cè)
污水廠、自來水廠、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。
4.4.8分布式光伏監(jiān)測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以曲線方式繪制上述監(jiān)測(cè)的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。
平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。
4.4.9工藝仿真監(jiān)控
平臺(tái)通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。
5 相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單
6結(jié)語
綠水青山就是金山銀山，隨著中國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境的逐步重視，基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)將越來越多，如何利用海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水務(wù)數(shù)字化和智慧型管理轉(zhuǎn)型將是中國(guó)未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨的巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文通過數(shù)字孿生技術(shù)開展九江智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)的探索，已實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化、模型與數(shù)據(jù)一體化、數(shù)據(jù)輔助決策等相關(guān)功能,期望能為中國(guó)未來智慧城市建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。
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