中國信通院&數(shù)字冰雹 共話《數(shù)字孿生打造城市地下智慧管網(wǎng)》
重點推文
中國信通院&數(shù)字冰雹
匯聚專家智慧，共話《數(shù)字孿生打造城市地下智慧管網(wǎng)》
▲《中國電信業(yè)》 2022年第10期
城市管網(wǎng)被形象的比喻為城市的“動脈”，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，加強管網(wǎng)的智能化管理對城市發(fā)展意義重大。針對當(dāng)前城市管網(wǎng)運維管理面臨的問題和挑戰(zhàn)，中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所 聯(lián)合 數(shù)字冰雹，圍繞 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧管網(wǎng)建設(shè)，提出了建設(shè)思路、平臺框架、應(yīng)用場景和發(fā)展建議，共同發(fā)表了《數(shù)字孿生打造城市地下智慧管網(wǎng)》期刊論文，刊登于《中國電信業(yè)》2022年第10期。
以下為原文內(nèi)容
引言
2022年5月10日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《城市燃?xì)夤艿赖壤匣赂脑鞂嵤┓桨福?022—2025年）》，明確提出要“積極運用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝，系統(tǒng)開展城市燃?xì)夤艿赖壤匣赂脑臁保瑫r強調(diào)要“同步推進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)”，計劃于2022年啟動實施一批老化更新改造項目，在2025年底前基本完成城市燃?xì)夤艿赖壤匣赂脑烊蝿?wù)。
當(dāng)前，我國上世紀(jì)建設(shè)的老舊管網(wǎng)年久失修，集中進(jìn)入更新改造期。一方面，城市地下管網(wǎng)具有隱蔽性、復(fù)雜性，為市政建設(shè)管理帶來諸多挑戰(zhàn)。另一方面，基于數(shù)字孿生技術(shù)，推動城市地下管網(wǎng)全生命周期可視、可測、可管，是智慧管網(wǎng)建設(shè)的重要方向。為規(guī)避城市地下管網(wǎng)爆發(fā)系統(tǒng)性安全風(fēng)險，守護(hù)好“城市生命線”，基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧管網(wǎng)建設(shè)勢在必行。
城市地下管網(wǎng)面臨的主要問題
近年來，我國城市人口密度逐年上升，城市用水用氣需求日益增長。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截止2020年末，我國供水管道長度、城市排水管道長度、天然氣管道長度增速分別為9.43%、7.93%和10.75%。由于多種歷史原因，我國城市地下管網(wǎng)的管理水平相對滯后于城市發(fā)展需求，因管網(wǎng)引起的安全事故頻發(fā)，給城市和市民安全帶來較大隱患。
一是管網(wǎng)底數(shù)不完整
城市地下管網(wǎng)種類龐雜，包含供水、排水、燃?xì)狻⒐帷⒐╇姟⑼ㄐ拧⑾馈V播電視、工業(yè)管線及其附屬設(shè)施，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。早期城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)缺乏對地下管網(wǎng)信息的系統(tǒng)化管理，地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)未嚴(yán)格備案保存，管網(wǎng)材質(zhì)、腐蝕程度、使用年限、運行狀況等數(shù)據(jù)殘缺不全。此外，由于缺乏綜合規(guī)劃與統(tǒng)籌管理，地下管網(wǎng)由各條線部門分散建設(shè)，管網(wǎng)資料分散在各建設(shè)單位，不能共享，極難形成城市級的地下管網(wǎng)信息全貌。鑒于地下管網(wǎng)家底不清、分布不明，城市更新改造中造成的舊有地下管線破損事故屢見不鮮。據(jù)統(tǒng)計，2021年全國地下管線事故中，管線破壞事故數(shù)量占比達(dá)78.64%。
二是運行狀態(tài)難感知
當(dāng)前，我國不少城市地下管網(wǎng)建于上世紀(jì)末，很多管網(wǎng)鋪設(shè)了30余年，大量存在超期服務(wù)現(xiàn)象。受當(dāng)時技術(shù)條件所限，城市地下管網(wǎng)信息化建設(shè)滯后，缺少必要的技防、物防手段。特別是一些老舊街區(qū)，部分管道年久失修，日常檢測維護(hù)不到位，缺少管網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)控，難以排查出潛在安全隱患，隨著管線腐蝕老化，管網(wǎng)爆裂、路面沉陷等事故時有發(fā)生，給百姓生活帶來諸多不便。同時，各類專業(yè)經(jīng)營單位由于精準(zhǔn)調(diào)度控制不足，也面臨著管網(wǎng)質(zhì)量管理和精細(xì)化運營的巨大挑戰(zhàn)。
三是事故處置不及時
當(dāng)前，我國城市地下管道規(guī)模巨大，僅排水管道總長度就超過70萬公里，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，致使漏失大量水資源、降低污水處理效率、影響城市排澇防洪等。2020年，全國城市和縣城公共供水總量為693.19億立方米，綜合漏損率為13.26%。
基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)建設(shè)
（一）建設(shè)思路
城市管網(wǎng)被形象的比喻為城市的“動脈”，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，加強管網(wǎng)的智能化管理對城市發(fā)展意義重大。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AI等新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展，以及國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的實施和發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，城市管網(wǎng)的發(fā)展與管理模式正在由“數(shù)字化”進(jìn)入“智慧化”時代，數(shù)字孿生技術(shù)為管網(wǎng)運營管理提供了新的技術(shù)路徑，成為一種實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界交互融合的有效手段，為管網(wǎng)的全生命周期管理提供了技術(shù)保障。
基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧管網(wǎng)建設(shè)，應(yīng)在充分利用現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，幫助用戶建立從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、技術(shù)應(yīng)用到業(yè)務(wù)決策的完整賦能，滿足數(shù)據(jù)與技術(shù)的全面融合、管網(wǎng)態(tài)勢實時感知可視、異常情況智能預(yù)警預(yù)判、應(yīng)急處置自動分派、運行數(shù)據(jù)科學(xué)研判優(yōu)化等業(yè)務(wù)閉環(huán)精細(xì)化管理的需要，實現(xiàn)“智能感知-智能預(yù)測-智能處置-智能考評-智能優(yōu)化”。
（二）平臺框架
基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧管網(wǎng)解決方案平臺框架，分為：基礎(chǔ)平臺層、原始數(shù)據(jù)層、數(shù)字孿生平臺層、應(yīng)用賦能層和業(yè)務(wù)場景層。
圖1 基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)平臺框架
· 基礎(chǔ)平臺層：
為數(shù)字孿生智慧管網(wǎng)提供底層基礎(chǔ)設(shè)施支撐，連通不同權(quán)屬單位、不同應(yīng)用平臺系統(tǒng)資源。
· 原始數(shù)據(jù)層：
為數(shù)字孿生智慧管網(wǎng)提供海量原始數(shù)據(jù)資源，將處在不同部門、不同行業(yè)、不同系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)格式之間的海量數(shù)據(jù)融合和互用，深度挖掘數(shù)據(jù)資源。
· 數(shù)字孿生平臺層：
提供數(shù)字孿生場景構(gòu)建、API調(diào)用、數(shù)字孿生應(yīng)用開發(fā)全流程工具鏈，為數(shù)字孿生智慧管網(wǎng)應(yīng)用構(gòu)建提供平臺與技術(shù)支撐。
· 應(yīng)用賦能層：
將數(shù)字孿生技術(shù)與業(yè)務(wù)流程緊密管理，建立“智能感知-智能預(yù)測-智能處置-智能考評-智能優(yōu)化”的全流程一體化業(yè)務(wù)閉環(huán)。
· 應(yīng)用場景層：
細(xì)分業(yè)務(wù)場景，緊密結(jié)合城市管網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，讓數(shù)字孿生融入業(yè)務(wù)，讓數(shù)字孿生真正為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供科學(xué)決策支持。
（三）典型場景
1. 常態(tài)運營，管網(wǎng)全域態(tài)勢監(jiān)測
城市管網(wǎng)的運營管理涉及數(shù)據(jù)“廣度”非凡，管網(wǎng)地域分布面積廣、集群規(guī)模大、管網(wǎng)類型數(shù)量眾多，涉及供水、排水、燃?xì)狻崃Α⒐╇姟⑼ㄐ诺榷囝I(lǐng)域跨地域綜合性業(yè)務(wù)，跨地域大規(guī)模管網(wǎng)常態(tài)化監(jiān)測，是智慧管網(wǎng)平臺的主要應(yīng)用場景之一。
基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)平臺，作為行業(yè)智能化建設(shè)的最終應(yīng)用，能夠最大限度地整合現(xiàn)有數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成果，如各部門、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺、視頻監(jiān)控、物聯(lián)感知設(shè)備、AI智能應(yīng)用、分析模型等，建立統(tǒng)一的管網(wǎng)數(shù)據(jù)綜合管理中心，實現(xiàn)技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合，使其發(fā)揮更大效能。
同時，基于數(shù)字孿生技術(shù)，能夠以三維地理信息系統(tǒng)為底座，實現(xiàn)大規(guī)模管網(wǎng)整體分布到局部管廊的三維展示；并能夠集成管網(wǎng)運行多源數(shù)據(jù)，對各類管網(wǎng)的地上地下分布態(tài)勢、坐標(biāo)、走向、管網(wǎng)實時運行情況、管廊管線健康狀態(tài)、部件工況等信息進(jìn)行實時監(jiān)測分析，管網(wǎng)“點、線、面”運營管理全域、全程可視，輔助用戶高效掌握大規(guī)模管網(wǎng)運行態(tài)勢，由被動化管理向主動化、智能化管理轉(zhuǎn)變，有效提升管網(wǎng)安全管理水平。
圖2 數(shù)字孿生管廊運行監(jiān)測
2.事前預(yù)警，異常事件智能感知
及時獲取管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，并對管網(wǎng)異常狀況進(jìn)行科學(xué)預(yù)判、及時預(yù)警，是智慧管網(wǎng)建設(shè)過程中關(guān)鍵的一環(huán)，也是用戶最關(guān)心的應(yīng)用場景之一。
基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)平臺，通過融合人工智能、物聯(lián)感知等底層技術(shù)平臺和分析模型算法，基于管網(wǎng)實時、歷史運行數(shù)據(jù)，能夠建立風(fēng)險安全評估模型和分級預(yù)警機制，對管網(wǎng)運行負(fù)荷、溢流、溫度突變、堵塞以及惡劣天氣等方面數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行智能化地分析預(yù)判，并對異常態(tài)勢進(jìn)行分級預(yù)警告警，精準(zhǔn)定位異常點位，輔助用戶及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，有效提升異常事件的處置效能，同時也為用戶開展應(yīng)急演練模擬提供支撐。推動管網(wǎng)監(jiān)管從“被動服務(wù)”“事后處置”“全靠人力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃影l(fā)現(xiàn)”“事前預(yù)警”“智能管理”。
3.事件處置，精準(zhǔn)高效協(xié)同指揮
在全域數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)智能研判的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)平臺，通過集成智能巡檢、視頻監(jiān)控、通訊系統(tǒng)、視頻會議、圖像傳輸?shù)葢?yīng)用功能，對原有事件接報、事件指派、應(yīng)急處置等工作流程進(jìn)行優(yōu)化。
圖3 數(shù)字孿生管網(wǎng)智能感知
基于數(shù)字孿生場景，能夠直觀展示管網(wǎng)運行環(huán)境、應(yīng)急資源、現(xiàn)場視頻等要素態(tài)勢，自動定位管網(wǎng)故障/異常點位，并實時展現(xiàn)上報事件的來源、類型、所屬區(qū)域、負(fù)責(zé)人、事件當(dāng)前所處狀態(tài)等信息；同時智能化指派責(zé)任主體進(jìn)行處置，并可對事件處置的工單流轉(zhuǎn)情況進(jìn)行實時查看，查詢處理人員、業(yè)務(wù)承載量、工單進(jìn)度、預(yù)計完成時間等詳細(xì)信息；自動生成事件報告供復(fù)盤分析，減少了“事件接報”到“事件處置”的中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)多源事件智能感知、工單指令精準(zhǔn)下發(fā)、處置進(jìn)度實時跟蹤、事件辦結(jié)智能評估的全流程可視、可追溯，有效提升事件處置效能。
圖4 工單流轉(zhuǎn)智能查看
4.管網(wǎng)規(guī)劃，科學(xué)分析智能優(yōu)化
管網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，是一項龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)平臺，以三維城市底座為基礎(chǔ)，能夠?qū)Τ鞘械匦巍⒐I(yè)、商業(yè)、居住區(qū)分布以及大規(guī)模管網(wǎng)分布等情況進(jìn)行真實直觀復(fù)現(xiàn)；并結(jié)合一系列專業(yè)的業(yè)務(wù)決策分析模型、算法，對城市管網(wǎng)建設(shè)情況、供需情況等運行指標(biāo)進(jìn)行全生命周期的監(jiān)測和分析，對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估、對過去發(fā)生問題進(jìn)行診斷、對未來趨勢進(jìn)行預(yù)測，深度挖掘城市發(fā)展內(nèi)在規(guī)律。既可對管網(wǎng)建設(shè)方案進(jìn)行可視化模擬分析，有效降低試錯成本，還可為解決跨地域、跨部門協(xié)同管理決策的難題提供有效途徑。
圖5 數(shù)字孿生管網(wǎng) 建設(shè)規(guī)劃模擬
發(fā)展建議
一是探索管長制度，加強統(tǒng)籌管理
以市（縣）政府為主體，充分借鑒“河湖長制”經(jīng)驗，探索建立“城市管長制”，全面推動城市地下管網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查、統(tǒng)籌規(guī)劃、施工改造、隱患排查、資金投入、監(jiān)督管理等工作。研究制定地下管網(wǎng)管理相關(guān)條例與法規(guī)政策，理清各層級、各部門、各主體權(quán)責(zé)關(guān)系，逐步將“城市管長制”納入各級政府部門及相關(guān)單位績效考核體系。本著“聚焦重點、安全第一”的原則，優(yōu)先對燃?xì)狻⑴潘劝踩[患突出的管道及設(shè)施進(jìn)行改造，明確項目清單和分年度改造計劃。
二是盡快摸清家底，建好數(shù)字檔案
加快開展城市地下管網(wǎng)普查工作，全面掌握管線類型、數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、服務(wù)年限等信息。鼓勵有條件的地區(qū)，運用數(shù)字孿生技術(shù)，建設(shè)城市地下管網(wǎng)可視化管理平臺，與市政基礎(chǔ)設(shè)施綜合管理信息平臺、城市信息模型（CIM）平臺等深度融合，將管網(wǎng)口徑、材質(zhì)、埋設(shè)深度、線路走向、施工維修等信息統(tǒng)一錄入，實現(xiàn)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)資源動態(tài)更新、規(guī)范管理和資源共享。
三是推動孿生改造，開展精細(xì)運營
結(jié)合城市更新、老舊小區(qū)改造等，科學(xué)部署城市地下管網(wǎng)感知設(shè)備，有針對性地對溫度、液位、壓力、流量等“生命體征”進(jìn)行實時監(jiān)測，精準(zhǔn)識別安全隱患，提升風(fēng)險預(yù)測、事故預(yù)警與應(yīng)急處置能力。因地制宜推進(jìn)基于智能化、綠色化城市綜合管廊建設(shè)，運用數(shù)字孿生和城市信息模型技術(shù)，建設(shè)地下管廊綜合管控平臺，開展管網(wǎng)孿生模型模擬仿真應(yīng)用，提高城市管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、建造施工、運行監(jiān)測、管理決策等生命周期智慧化管理能力。
作者簡介
張佳寧
中國信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所信息化應(yīng)用研究部信息化咨詢工程師。主要從事數(shù)字政府、智慧城市、數(shù)字孿生等領(lǐng)域的政策、行業(yè)研究和咨詢工作。
丁冬
北京數(shù)字冰雹信息技術(shù)有限公司 聯(lián)合創(chuàng)始人、副總經(jīng)理，中國圖形圖像學(xué)會可視化與可視分析專委會委員。2006年起從事可視化、數(shù)字孿生解決方案、行業(yè)應(yīng)用的研究實施。