中(zhōng)國(guó)信通院&數字冰雹 共話《數字孿生打造城市地下智慧管網》

重點推文(wén)

中(zhōng)國(guó)信通院&數字冰雹

彙聚專家智慧，共話《數字孿生打造城市地下智慧管網》

▲《中(zhōng)國(guó)電(diàn)信業》  2022年第10期

城市管網被形象的比喻為(wèi)城市的“動脈”，是城市基礎設施的重要組成部分(fēn)，加強管網的智能(néng)化管理(lǐ)對城市發展意義重大。針對當前城市管網運維管理(lǐ)面臨的問題和挑戰，中(zhōng)國(guó)信息通信研究院産(chǎn)業與規劃研究所 聯合 數字冰雹，圍繞 基于數字孿生技(jì )術的智慧管網建設，提出了建設思路、平台框架、應用(yòng)場景和發展建議，共同發表了《數字孿生打造城市地下智慧管網》期刊論文(wén)，刊登于《中(zhōng)國(guó)電(diàn)信業》2022年第10期。

以下為(wèi)原文(wén)内容

引言

2022年5月10日，國(guó)務(wù)院辦(bàn)公(gōng)廳印發《城市燃氣管道等老化更新(xīn)改造實施方案（2022—2025年）》，明确提出要“積極運用(yòng)新(xīn)設備、新(xīn)技(jì )術、新(xīn)工(gōng)藝，系統開展城市燃氣管道等老化更新(xīn)改造”，同時強調要“同步推進數字化、網絡化、智能(néng)化建設”，計劃于2022年啓動實施一批老化更新(xīn)改造項目，在2025年底前基本完成城市燃氣管道等老化更新(xīn)改造任務(wù)。

當前，我國(guó)上世紀建設的老舊管網年久失修，集中(zhōng)進入更新(xīn)改造期。一方面，城市地下管網具(jù)有(yǒu)隐蔽性、複雜性，為(wèi)市政建設管理(lǐ)帶來諸多(duō)挑戰。另一方面，基于數字孿生技(jì )術，推動城市地下管網全生命周期可(kě)視、可(kě)測、可(kě)管，是智慧管網建設的重要方向。為(wèi)規避城市地下管網爆發系統性安(ān)全風險，守護好“城市生命線(xiàn)”，基于數字孿生技(jì )術的智慧管網建設勢在必行。

城市地下管網面臨的主要問題

近年來，我國(guó)城市人口密度逐年上升，城市用(yòng)水用(yòng)氣需求日益增長(cháng)。國(guó)家統計局數據顯示，截止2020年末，我國(guó)供水管道長(cháng)度、城市排水管道長(cháng)度、天然氣管道長(cháng)度增速分(fēn)别為(wèi)9.43%、7.93%和10.75%。由于多(duō)種曆史原因，我國(guó)城市地下管網的管理(lǐ)水平相對滞後于城市發展需求，因管網引起的安(ān)全事故頻發，給城市和市民(mín)安(ān)全帶來較大隐患。

一是管網底數不完整

城市地下管網種類龐雜，包含供水、排水、燃氣、供熱、供電(diàn)、通信、消防、廣播電(diàn)視、工(gōng)業管線(xiàn)及其附屬設施，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線(xiàn)”。早期城市基礎設施建設缺乏對地下管網信息的系統化管理(lǐ)，地下管網數據未嚴格備案保存，管網材質(zhì)、腐蝕程度、使用(yòng)年限、運行狀況等數據殘缺不全。此外，由于缺乏綜合規劃與統籌管理(lǐ)，地下管網由各條線(xiàn)部門分(fēn)散建設，管網資料分(fēn)散在各建設單位，不能(néng)共享，極難形成城市級的地下管網信息全貌。鑒于地下管網家底不清、分(fēn)布不明，城市更新(xīn)改造中(zhōng)造成的舊有(yǒu)地下管線(xiàn)破損事故屢見不鮮。據統計，2021年全國(guó)地下管線(xiàn)事故中(zhōng)，管線(xiàn)破壞事故數量占比達78.64%。

二是運行狀态難感知

當前，我國(guó)不少城市地下管網建于上世紀末，很(hěn)多(duō)管網鋪設了30餘年，大量存在超期服務(wù)現象。受當時技(jì )術條件所限，城市地下管網信息化建設滞後，缺少必要的技(jì )防、物(wù)防手段。特别是一些老舊街(jiē)區(qū)，部分(fēn)管道年久失修，日常檢測維護不到位，缺少管網運行狀态監控，難以排查出潛在安(ān)全隐患，随着管線(xiàn)腐蝕老化，管網爆裂、路面沉陷等事故時有(yǒu)發生，給百姓生活帶來諸多(duō)不便。同時，各類專業經營單位由于精(jīng)準調度控制不足，也面臨着管網質(zhì)量管理(lǐ)和精(jīng)細化運營的巨大挑戰。

三是事故處置不及時

當前，我國(guó)城市地下管道規模巨大，僅排水管道總長(cháng)度就超過70萬公(gōng)裏，年久失修問題普遍存在，管道滲漏、腐蝕、開裂、沉降等問題得不到及時處理(lǐ)，緻使漏失大量水資源、降低污水處理(lǐ)效率、影響城市排澇防洪等。2020年，全國(guó)城市和縣城公(gōng)共供水總量為(wèi)693.19億立方米，綜合漏損率為(wèi)13.26%。

基于數字孿生的智慧管網建設

（一）建設思路

城市管網被形象的比喻為(wèi)城市的“動脈”，是城市基礎設施的重要組成部分(fēn)，加強管網的智能(néng)化管理(lǐ)對城市發展意義重大。随着物(wù)聯網、雲計算、工(gōng)業互聯網、AI等新(xīn)一代信息技(jì )術不斷發展，以及國(guó)家大數據戰略的實施和發展數字經濟進程的穩步推進，城市管網的發展與管理(lǐ)模式正在由“數字化”進入“智慧化”時代，數字孿生技(jì )術為(wèi)管網運營管理(lǐ)提供了新(xīn)的技(jì )術路徑，成為(wèi)一種實現數字世界與物(wù)理(lǐ)世界交互融合的有(yǒu)效手段，為(wèi)管網的全生命周期管理(lǐ)提供了技(jì )術保障。

基于數字孿生技(jì )術的智慧管網建設，應在充分(fēn)利用(yòng)現有(yǒu)數字基礎設施的基礎上，幫助用(yòng)戶建立從基礎數據、技(jì )術應用(yòng)到業務(wù)決策的完整賦能(néng)，滿足數據與技(jì )術的全面融合、管網态勢實時感知可(kě)視、異常情況智能(néng)預警預判、應急處置自動分(fēn)派、運行數據科(kē)學(xué)研判優化等業務(wù)閉環精(jīng)細化管理(lǐ)的需要，實現“智能(néng)感知-智能(néng)預測-智能(néng)處置-智能(néng)考評-智能(néng)優化”。

（二）平台框架

基于數字孿生技(jì )術的智慧管網解決方案平台框架，分(fēn)為(wèi)：基礎平台層、原始數據層、數字孿生平台層、應用(yòng)賦能(néng)層和業務(wù)場景層。

圖1 基于數字孿生的智慧管網平台框架

· 基礎平台層：

為(wèi)數字孿生智慧管網提供底層基礎設施支撐，連通不同權屬單位、不同應用(yòng)平台系統資源。

· 原始數據層：

為(wèi)數字孿生智慧管網提供海量原始數據資源，将處在不同部門、不同行業、不同系統、不同數據格式之間的海量數據融合和互用(yòng)，深度挖掘數據資源。

· 數字孿生平台層：

提供數字孿生場景構建、API調用(yòng)、數字孿生應用(yòng)開發全流程工(gōng)具(jù)鏈，為(wèi)數字孿生智慧管網應用(yòng)構建提供平台與技(jì )術支撐。

· 應用(yòng)賦能(néng)層：

将數字孿生技(jì )術與業務(wù)流程緊密管理(lǐ)，建立“智能(néng)感知-智能(néng)預測-智能(néng)處置-智能(néng)考評-智能(néng)優化”的全流程一體(tǐ)化業務(wù)閉環。

· 應用(yòng)場景層：

細分(fēn)業務(wù)場景，緊密結合城市管網業務(wù)應用(yòng)，讓數字孿生融入業務(wù)，讓數字孿生真正為(wèi)業務(wù)應用(yòng)提供科(kē)學(xué)決策支持。

（三）典型場景

1. 常态運營，管網全域态勢監測

城市管網的運營管理(lǐ)涉及數據“廣度”非凡，管網地域分(fēn)布面積廣、集群規模大、管網類型數量衆多(duō)，涉及供水、排水、燃氣、熱力、供電(diàn)、通信等多(duō)領域跨地域綜合性業務(wù)，跨地域大規模管網常态化監測，是智慧管網平台的主要應用(yòng)場景之一。

基于數字孿生的智慧管網平台，作(zuò)為(wèi)行業智能(néng)化建設的最終應用(yòng)，能(néng)夠最大限度地整合現有(yǒu)數字基礎設施的建設成果，如各部門、各業務(wù)系統、數據平台、視頻監控、物(wù)聯感知設備、AI智能(néng)應用(yòng)、分(fēn)析模型等，建立統一的管網數據綜合管理(lǐ)中(zhōng)心，實現技(jì )術融合、業務(wù)融合、數據融合，使其發揮更大效能(néng)。

同時，基于數字孿生技(jì )術，能(néng)夠以三維地理(lǐ)信息系統為(wèi)底座，實現大規模管網整體(tǐ)分(fēn)布到局部管廊的三維展示；并能(néng)夠集成管網運行多(duō)源數據，對各類管網的地上地下分(fēn)布态勢、坐(zuò)标、走向、管網實時運行情況、管廊管線(xiàn)健康狀态、部件工(gōng)況等信息進行實時監測分(fēn)析，管網“點、線(xiàn)、面”運營管理(lǐ)全域、全程可(kě)視，輔助用(yòng)戶高效掌握大規模管網運行态勢，由被動化管理(lǐ)向主動化、智能(néng)化管理(lǐ)轉變，有(yǒu)效提升管網安(ān)全管理(lǐ)水平。

圖2 數字孿生管廊運行監測

2.事前預警，異常事件智能(néng)感知

及時獲取管網運行數據，并對管網異常狀況進行科(kē)學(xué)預判、及時預警，是智慧管網建設過程中(zhōng)關鍵的一環，也是用(yòng)戶最關心的應用(yòng)場景之一。

基于數字孿生的智慧管網平台，通過融合人工(gōng)智能(néng)、物(wù)聯感知等底層技(jì )術平台和分(fēn)析模型算法，基于管網實時、曆史運行數據，能(néng)夠建立風險安(ān)全評估模型和分(fēn)級預警機制，對管網運行負荷、溢流、溫度突變、堵塞以及惡劣天氣等方面數據指标進行智能(néng)化地分(fēn)析預判，并對異常态勢進行分(fēn)級預警告警，精(jīng)準定位異常點位，輔助用(yòng)戶及時發現安(ān)全隐患，有(yǒu)效提升異常事件的處置效能(néng)，同時也為(wèi)用(yòng)戶開展應急演練模拟提供支撐。推動管網監管從“被動服務(wù)”“事後處置”“全靠人力”轉變為(wèi)“主動發現”“事前預警”“智能(néng)管理(lǐ)”。

3.事件處置，精(jīng)準高效協同指揮

在全域數據融合和數據智能(néng)研判的基礎上，基于數字孿生的智慧管網平台，通過集成智能(néng)巡檢、視頻監控、通訊系統、視頻會議、圖像傳輸等應用(yòng)功能(néng)，對原有(yǒu)事件接報、事件指派、應急處置等工(gōng)作(zuò)流程進行優化。

圖3 數字孿生管網智能(néng)感知

基于數字孿生場景，能(néng)夠直觀展示管網運行環境、應急資源、現場視頻等要素态勢，自動定位管網故障/異常點位，并實時展現上報事件的來源、類型、所屬區(qū)域、負責人、事件當前所處狀态等信息；同時智能(néng)化指派責任主體(tǐ)進行處置，并可(kě)對事件處置的工(gōng)單流轉情況進行實時查看，查詢處理(lǐ)人員、業務(wù)承載量、工(gōng)單進度、預計完成時間等詳細信息；自動生成事件報告供複盤分(fēn)析，減少了“事件接報”到“事件處置”的中(zhōng)間環節，實現多(duō)源事件智能(néng)感知、工(gōng)單指令精(jīng)準下發、處置進度實時跟蹤、事件辦(bàn)結智能(néng)評估的全流程可(kě)視、可(kě)追溯，有(yǒu)效提升事件處置效能(néng)。

圖4 工(gōng)單流轉智能(néng)查看

4.管網規劃，科(kē)學(xué)分(fēn)析智能(néng)優化

管網的規劃建設，是一項龐大複雜的系統工(gōng)程，基于數字孿生的智慧管網平台，以三維城市底座為(wèi)基礎，能(néng)夠對城市地形、工(gōng)業、商(shāng)業、居住區(qū)分(fēn)布以及大規模管網分(fēn)布等情況進行真實直觀複現；并結合一系列專業的業務(wù)決策分(fēn)析模型、算法，對城市管網建設情況、供需情況等運行指标進行全生命周期的監測和分(fēn)析，對當前狀态進行評估、對過去發生問題進行診斷、對未來趨勢進行預測，深度挖掘城市發展内在規律。既可(kě)對管網建設方案進行可(kě)視化模拟分(fēn)析，有(yǒu)效降低試錯成本，還可(kě)為(wèi)解決跨地域、跨部門協同管理(lǐ)決策的難題提供有(yǒu)效途徑。

圖5 數字孿生管網 建設規劃模拟

發展建議

一是探索管長(cháng)制度，加強統籌管理(lǐ)

以市（縣）政府為(wèi)主體(tǐ)，充分(fēn)借鑒“河湖(hú)長(cháng)制”經驗，探索建立“城市管長(cháng)制”，全面推動城市地下管網現狀調查、統籌規劃、施工(gōng)改造、隐患排查、資金投入、監督管理(lǐ)等工(gōng)作(zuò)。研究制定地下管網管理(lǐ)相關條例與法規政策，理(lǐ)清各層級、各部門、各主體(tǐ)權責關系，逐步将“城市管長(cháng)制”納入各級政府部門及相關單位績效考核體(tǐ)系。本着“聚焦重點、安(ān)全第一”的原則，優先對燃氣、排水等安(ān)全隐患突出的管道及設施進行改造，明确項目清單和分(fēn)年度改造計劃。

二是盡快摸清家底，建好數字檔案

加快開展城市地下管網普查工(gōng)作(zuò)，全面掌握管線(xiàn)類型、數量、分(fēn)布、結構、材質(zhì)、服務(wù)年限等信息。鼓勵有(yǒu)條件的地區(qū)，運用(yòng)數字孿生技(jì )術，建設城市地下管網可(kě)視化管理(lǐ)平台，與市政基礎設施綜合管理(lǐ)信息平台、城市信息模型（CIM）平台等深度融合，将管網口徑、材質(zhì)、埋設深度、線(xiàn)路走向、施工(gōng)維修等信息統一錄入，實現地下管網數據資源動态更新(xīn)、規範管理(lǐ)和資源共享。

三是推動孿生改造，開展精(jīng)細運營

結合城市更新(xīn)、老舊小(xiǎo)區(qū)改造等，科(kē)學(xué)部署城市地下管網感知設備，有(yǒu)針對性地對溫度、液位、壓力、流量等“生命體(tǐ)征”進行實時監測，精(jīng)準識别安(ān)全隐患，提升風險預測、事故預警與應急處置能(néng)力。因地制宜推進基于智能(néng)化、綠色化城市綜合管廊建設，運用(yòng)數字孿生和城市信息模型技(jì )術，建設地下管廊綜合管控平台，開展管網孿生模型模拟仿真應用(yòng)，提高城市管網規劃設計、建造施工(gōng)、運行監測、管理(lǐ)決策等生命周期智慧化管理(lǐ)能(néng)力。

作(zuò)者簡介

張佳甯

中(zhōng)國(guó)信息通信研究院産(chǎn)業與規劃研究所信息化應用(yòng)研究部信息化咨詢工(gōng)程師。主要從事數字政府、智慧城市、數字孿生等領域的政策、行業研究和咨詢工(gōng)作(zuò)。

丁冬

北京數字冰雹信息技(jì )術有(yǒu)限公(gōng)司 聯合創始人、副總經理(lǐ)，中(zhōng)國(guó)圖形圖像學(xué)會可(kě)視化與可(kě)視分(fēn)析專委會委員。2006年起從事可(kě)視化、數字孿生解決方案、行業應用(yòng)的研究實施。