摘要：當下，以數(shù)字孿生為主的數(shù)字技術愈發(fā)成熟，為使得長江水環(huán)境治理能夠“長治久安”，上海院在長江大保護先行先試城市九江城中水環(huán)境治理中啟用了智慧水務先進理念，搭建了基于數(shù)字孿生技術的智慧水務平臺。通過數(shù)字孿生技術構建九江城市“一張圖”的數(shù)據(jù)基座，結合5G物聯(lián)網、水力模型和云計算等技術，應用智慧水務平臺，加上水務治理的河道水情、水質、區(qū)域雨情、泵站運行、管網實時監(jiān)測等數(shù)據(jù)，虛擬九江市城中水環(huán)境的實時時空模型,提高了“廠網河湖岸”的聯(lián)動治理和一體化運營，達到水務治理的實時監(jiān)管和科學輔助決策，為未來智慧水務建設提供了經驗參考。

   關鍵詞:數(shù)字孿生技術;數(shù)據(jù)基座;智慧水務;長江大保護；九江

   數(shù)字孿生開始由密歇根大學的Michad Grieves教授提出的“信息鏡像模型”演變而來，美國國防部最早將數(shù)字孿生技術用于航空航天飛行器的健康維護與保障，通過數(shù)字空間建立真實飛機的模型,并將傳感器與飛機真實狀態(tài)與數(shù)字空間同步映射，通過數(shù)據(jù)模型驅動實現(xiàn)對飛機未來狀態(tài)的預測。同時數(shù)字孿生技術也可用于新建或改建物理實體的數(shù)字化表達,通過構建實體對象的數(shù)字化模型，結合傳感器數(shù)據(jù)和模型算法實現(xiàn)實體對象數(shù)字孿生體的虛擬構建，可用于對物理實體的模擬、仿真、優(yōu)化及預測。

   數(shù)字孿生技術誕生之初由于計算機、通信、物聯(lián)網等技術瓶頸導致數(shù)字孿生技術的應用主要集中在規(guī)模較小的實體模型,如飛行器、汽車制造、及數(shù)字工廠等小尺度范圍內。隨著技術進步,特別是云技術、物聯(lián)網和5G技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲與傳輸速度得到了很大的提高，數(shù)字孿生技術逐步應用于城市級別甚至流域級別的尺度,如智慧村落、智慧城市，甚至智慧流域的概念逐步提出。

   智慧水務屬于智慧城市的范疇,開始在2014— 2015年提出，并主要應用于自來水廠的數(shù)字化改造以及城市給水管網的滲漏預測。隨著中國新基建概念的提出，數(shù)字化與智能化要求越來越高，智慧水務概念的外延逐步擴大到廠網河湖（岸）等系統(tǒng)，如何實現(xiàn)不同子系統(tǒng)模型的構建、數(shù)據(jù)映射、模型驅動與數(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應用實踐為例，通過構建九江智慧水務平臺,以數(shù)字孿生技術為核心,打造九江市中心城區(qū)數(shù)據(jù)基座，結合5G物聯(lián)網、水力模型和云計算等技術，建立九市江中心城區(qū)水環(huán)境的時空模型,實現(xiàn)智慧工程、智慧資產、智慧監(jiān)測、智慧決策和智慧評價方面的應用，為未來智慧水務建設提供了經驗參考。

1總體設計

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，號稱“三江之口、七省通衢”,是江西省獨一臨江臨港的城市,也是一座有著2200多年歷史的江南名城。九江是首批5個沿江對外開放城市之一,是長江經濟帶重要節(jié)點城市,是推動長江經濟帶發(fā)展領導小組辦公室確定的長江大保護先行先試的試點城市之一。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、水體富營養(yǎng)化、 城市內澇、水質型缺水等諸多問題。

1.2設計內容

   作為長江大保護首批實施的先行先試項目，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目一期投資額高達約77億元，項目覆蓋面積達220 km2，包括九江中心城區(qū)水務基礎設施建設、管網改造、工程數(shù)字化及平臺系統(tǒng)建設等。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網河湖（岸）一體的先進排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動及河湖聯(lián)動的綜合治理模式、五湖聯(lián)動的清源活水模式、市政管網的提升模式”及智慧管控模式進行詳細研究，從而對整個長江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展工作推進起到較強引領和示范作用。

   九江市智慧水務平臺設計圍繞城市“水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化”五位一體的戰(zhàn)略應用,綜合應用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術，采集、匯總和利用營銷、呼叫中心、管網運維等眾多數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)平臺、應用平臺為框架, 以實現(xiàn)對河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調蓄池、管網、氣象等水務基礎設施和水文、水質、水壓等水情的自動化監(jiān)測、實時化調度、網絡化辦事、系統(tǒng)化管理、科學化決策和規(guī)范化服務。

1.3總體架構

   九江智慧水務整體實施思路以“一朵云”“一張網”“一張圖”“五中心”“一本賬”的“ 11151”總體框架（圖1），在長江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎設施建設的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點。在排水管網節(jié)點處布設自動化監(jiān)測設備,組成監(jiān)測感知一張網，通過GIS + BIM技術構建數(shù)字孿生一張圖。面向各級管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務應用、決策支持及展示宣傳五大中心。創(chuàng)新管理思維模式,建設績效指標考核體系,圍繞長江大保護的核心目標在九江市開展示范應用。

圖1九江智慧水務總體框架

   九江市智慧水務平臺通過調用長江生態(tài)云中心平臺統(tǒng)一提供的計算、存儲、網絡、物聯(lián)感知等資源服務，開展九江本地監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及對接、GIS + BIM基礎數(shù)據(jù)對接，對水資源、城市供水、污水、雨水、河湖、再生水和防洪系統(tǒng)以及城市藍線管控空間等要素進行有機整合，標準化產品調用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實現(xiàn)長江大保護智慧水務的集約化建設、規(guī)范化管理、共享式服務與一體化運營。

2平臺建設內容

   為實現(xiàn)九江市水務治理“長治久安”的目標，以數(shù)字孿生技術為核心，建立基于實景建模、GIS +BIM、5G物聯(lián)網、水力模型和云計算等技術相結合的智慧水務平臺。基于長江智慧水務的整體架構,進行技術體系架構設計,主要包括智慧感知層、基礎設施層、數(shù)據(jù)共享與分析層、應用使能層、智慧應用層，具體技術架構見圖2。

圖2九江智慧水務平臺技術架構

   九江市智慧水務平臺數(shù)字孿生技術的應用，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過對資產、項目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達,利用物聯(lián)網、機器學習、人工智能等手段,實現(xiàn)項目、資產的數(shù)字化表達與雙向的信息同步,其顯著的特征是統(tǒng)一、可信與易取。在工程整個全生命周期中,所有參與方都使用同一個數(shù)字孿生對象,從而實現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對現(xiàn)在、過去數(shù)據(jù)的分析，以提升項目、資產的可靠性，抗風險能力和生產力，平臺數(shù)據(jù)架構見圖3 o

圖3九江智慧水務平臺數(shù)據(jù)架構

2.1數(shù)字環(huán)境構建

   數(shù)字孿生技術開始就是生成數(shù)字模型，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關鍵，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺可視化程度較低的弊端，平臺數(shù)字化底座的建設采用無人機傾斜攝影技術,開展九江市域項目范圍內的影像采集工作,搭建九江整個建設區(qū)域內地理、地貌、設施數(shù)字化實景模型（圖4），替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關數(shù)據(jù)，BIM設計的“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實施的藍圖。

圖4九江市智慧水務平臺三維實景模型

2.2數(shù)字模型構建

   在數(shù)字環(huán)境構建的基礎上，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺設計基于項目范圍內已建、在建與新建水務相關工程的初步設計圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構建。其中，測繪專業(yè)、結構專業(yè)、水機專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設計軟件搭建污水處理廠的廠房結構模型、工藝設施模型、廠區(qū)地形模型等構建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺協(xié)同設計和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項目設計和施工質量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設計異常點，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點。制定統(tǒng)一設計平臺,定制標準兀件庫和Paa樣式，結合Workspace推送實現(xiàn)標準化設計。同時在工程數(shù)字化基礎上，采用數(shù)字孿生技術，將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務云平臺，實現(xiàn)Web端和移動端數(shù)據(jù)訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺和物聯(lián)網系統(tǒng)結合，從而導入智慧水務平臺，實現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網技術的智慧水務“一張圖”應用系統(tǒng)，具體成果見圖5。

圖5基于智慧水務的建筑物模型

2.3物理數(shù)據(jù)映射

   在物理實體模型與數(shù)字模型構建的基礎上，為進一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅動，本研究通過BIM與GIS集成應用，以實現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實體模型和數(shù)字模型的映射，同時提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。通過GIS宏觀地將單個建筑的BIM應用擴展到范圍更大的智慧水務等工程領域。

   利用GIS + BIM信息技術，將多來源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成，針對管網、泵站、調蓄池、污水廠以及監(jiān)測設備等水務設施管理涉及的海量設施資料、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、詳細地顯示和分析大量水務設施數(shù)據(jù)，為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯(lián)合調度提供翔實的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數(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)精細化管理

2.4感知數(shù)據(jù)映射

   數(shù)字孿生技術與以往仿真模擬技術最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個實時的“真實”的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯(lián)網技術采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內容的實時在線智能監(jiān)測與感知（水位、流量、水質等）數(shù)據(jù), 建立起覆蓋九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目的智能感知網絡,提升九江市水務部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調度、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應對能力。

   九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項目的智能感知網絡的監(jiān)控內容，見圖7。

圖7九江智慧水務平臺智能感知網監(jiān)控內容

2.5智慧應用

   運維低效、調度乏力、缺乏評估考核機制是許多 水務管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點。從業(yè)務應用需求出發(fā),結合智慧化技術手段,九江智慧水務平臺設計了一系列智慧應用系統(tǒng)子系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細化管理、實現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破。

a）綜合展示?；?/font>GIS + BIM技術，對水環(huán)境治理規(guī)劃、水務設施建設、水務運營管理等幾個方面進行可視化管理,打造綜合展示一張圖。