探索数字孪生，为水务智慧化赋能

2021年5月27日，国家统计局公布了《数字经济及其核心产业统计分类(2021)》(简称“统计分类”)。数字孪生首次列入其中，正式成为国家统计指标。实际上，我国数字孪生城市整体仍处于初期探索阶段，存在数据采集门槛高、信息基础设施建设不足、平台模型标准化不高、应用层次和深度不够、关键技术领域“卡脖子”等问题。在整个数字孪生城市建设的背景下，有条件的水务企业在普及信息化、数字化的基础上，可启动并逐步实现智能化转型，构建多维度、多目标复杂智慧水务模型，包括厂网调度模型、水资源与供水量预测模型、供水量与调度模型、排水防涝模型、应急情景与预案等城市信息模型系统（CIM），实现科学预判与规划、调度及应急管理，助力企业、行业、政府的决策智能化。

在整个数字孪生城市建设的背景下，有条件的水务企业在普及信息化、数字化的基础上，可启动并逐步实现智能化转型，构建多维度、多目标复杂智慧水务模型，包括厂网调度模型、水资源与供水量预测模型、供水量与调度模型、排水防涝模型、应急情景与预案等城市信息模型系统（CIM），实现科学预判与规划、调度及应急管理，助力企业、行业、政府的决策智能化。

中地数码基于MapGIS强大的空间数据管理和空间分析能力，积极推进水务数字孪生建设进程，提供符合水务信息化发展现状的数字孪生解决方案，为水务智慧化赋能。

一、水务数字孪生总体架构

MapGIS 水务数字孪生平台以数字孪生城市总体规划为蓝图，搭建业务与数据、技术、应用有机耦合的开放可扩展架构；以数据融合为主线，实现基础地理信息、三维模型数据、运管业务数据、实时感知数据等水务全量信息的匹配关联与组织管理；立足全空间GIS，聚合“GIS+BIM+IOT”服务，构建全域全时全空间、动态立体、信息丰富的智慧水务数字底座；深挖数据潜能，打造切实可行的水务数字孪生应用体系。总体架构如下图所示：

图 MapGIS水务数字孪生总体架构

二、数字孪生三维场景构建

基于真实世界信息，内核级支持全要素场景对象加载，将BIM融入GIS平台，在数据管理、可视化表达、空间分析等层面对BIM进行深度融合，构建涵盖地表景观、道路、建筑物、自来水厂/污水厂、二供泵房、污水处理设施、地下管线、其他设备的精细化模型的多源信息融合、联动分析的水务全要素体系，完整、详尽的对水务关键设备设施进行全方位复现。实现水务全空间数据一体化融合，打造符合水务实际应用需求的三维数字空间CIM场景模型作为水务数字孪生基底。

图城市白模

图立管展示

图管网建模展示

三、数字孪生应用构建

通过在“水务数字孪生平台”上规划设计、模拟仿真和实时分析等，将水务运行中可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的实时反馈和对策建议，以科学视角智能干预水务原有发展轨迹和运行，进而指引和优化实体维度的规划、管理，改善水务服务供给，赋予水务运行管理和生活服务更多的“智慧”。

1.多元数据集成可视化

基于水务数字孪生CIM模型，实现二维地图数据和三维场景模型数据的位置联动，资产管理。实现对三维场景放大缩小、移动旋转、三维模型图层控制，支持关联设备信息查询。

图多元数据查询

图 CIM模型总览

2.运行态势感知

在水务空间“时空演变”方面，利用物联网，通过对接SCADA系统，实现生产、运行（流量/压力/水质）监控等各类设备运行态势的感知与可视化展示。应用全空间大数据技术，构建智慧水务三维立体时空数据库和时空演变模型，实现水务空间时空演变追溯，全面感知水务运行变化规律。打造水资源监测、城市用水监测、供水管网监测、排水运行监测。为各类焦点事件建立阈值告警触发规则，结合预警模型进行风险研判，确定告警信息的风险级别，提前进行可视化预警告警，为供水调度优化、管网规划等业务领域提供科学决策支持。

图物联感知

图阈值告警

3.综合分析研判

基于MapGIS云平台分析计算能力展开场景应用分析，如可视域分析、动态剖切、开挖分析、路径分析、缺陷分析等，辅助工程施工管理、应急处置、管理决策。针对各部门现有多源、异构、海量数据，可提供丰富的可视化分析手段，结合专业分析算法和数据模型，按照业务需求进行多维度并行分析；支持数据实时显示、态势历史回溯辅助用户深度挖掘数据价值，为管理决策提供科学、全面的依据。

图排水CCTV缺陷研判

4.应急联动处置

平台通过各类感知设备实现运行态势感知和监测预警，当出现管网爆管、污水管泄露等突发事故时，可快速开展应急处置。支持整合信息、事件、工作流以及联动资源，融合视频会议、视频监控、无人机巡航、集群通信等通讯指挥平台，实现跨部门、跨业务的协同指挥调度；同时可智能化筛选查看告警事件详情、发生地监控视频、处置环节、处置状态等信息，方便指挥调度人员及时跟踪、推进事件处置，辅助应急处置和应急资源调度。

图应急处置

图信息资源联动

5.工艺流程模拟

通过分析生产工艺流程，结合阀门状态、仪表监测数据，利用三维效果生动展现水厂生产、污水厂污水净化运行、二供泵房运行等全工艺流程，逼真地模拟真实环境下工艺操作、控制操作和各种事故处理过程。

6.漫游虚拟仿真

提供三维场景漫游，可根据选定管线或自定义路径在地下管线模拟仿真场景中进行路径漫游浏览。可利用设备内部结构的仿真模型开展培训，支持设备的详细三维模型资料导入，从而清晰的展现设备的内部结构，辅助进行拆装和检维修操作培训；可通过创建一系列知识视图，在三维模型中记录、增强拆装规程，为设备的拆装和检维修方案提供技术支持。

图路径漫游仿真

四、结语

数字孪生与物理实体相比，它的试错成本会大幅度降低。人们在现实场景中完成调试和改善的成本是巨大的，而通过数字孪生技术则可以利用模型驱动，提前虚拟试错，减少昂贵的物理实体的移动和消耗。

综上，通过基于地理信息的智慧水务建设，以数字孪生体的数据描述与可视化形式，全面、准确、立体、实时展示水务全产业链的运行情况，推进城市水生态循环系统化、可视化、数字化管理，实现水务全信息管理、全过程管控，对接智慧城市，强化对城镇人居环境与社会经济发展的服务保障、运行安全与绿色发展，协同治理城市。