數字孿生技術在智慧供水建設中的實踐探索

張亞麗

本文從供水系統發展現狀分析，結合當前新技術發展的趨勢，詳細闡述數字孿生技術在城市供水源水管理、供水管理和污水處理環節的具體應用，數字孿生是數字化轉型的重要技術手段，是保障供水安全、促進提質增效、消除事故隱患、實現智能決策的新型城市供水創新管理模式，助力城市供水系統高質量發展，推動城市向碳達峰碳中和目標邁進。

一、前言

水是城市得以生存和發展的根本要素，保障供水系統安全、高效，是城市高質量發展的必經之路，也是完成碳達峰碳中和任務的必然選擇。隨著 “云數物智生”（全稱：云計算、大數據、物聯網、人工智能、數字孿生）技術的發展和廣泛應用，在智慧城市和智慧水務系統建設的大背景下，推進城市供水向數智化轉型，充分利用數字孿生技術構建數字孿生體，透視供水管網、精準定位問題點位、并通過智能分析、獲得最佳解決方案；在虛擬空間中模擬完成多種工藝流程實驗，并優選出最佳工藝；充分利用數據價值的挖掘，實現服務效能整合與提升、加強資源整合與共享，實現能耗雙控，科學決策的目標，提高城市供水管理效率，推動城市的高質量發展。

二、發展現狀

伴隨城市化進程不斷加速，供水形勢愈發嚴峻。一方面，城市規模不斷擴張，供水管網越來越龐大密集；供水管網年久老化，漏損率逐年升高；建設周期長資料不完整，增加巡查改造難度；樹枝狀管網存在，頻繁發生爆管和斷水事故。諸如此類問題的存在，無法保障城市供水安全穩定和“十四五”供水保障任務的完成。另一方面，伴隨供水信息化的不斷推進，產生了海量數據，采用傳統數據管理和處理方式顯然不能滿足城市發展的需要，存在數據價值利用低效的問題。解決當前水務工作困境，構建基于數字孿生技術的智慧供水系統的將成為技術創新的風向標。

2 0 2 2年1月，國家發改委、水利部聯合印發《“十四五”水安全保障規劃》中提出“加強智慧水利建設，提升數字化網絡化智能化水平”；2021年12月，工信部等八部門聯合發布了《“十四五”智能制造發展規劃》，數字孿生被提及7次；隨著數字孿生技術的日益成熟，國家和地方政府紛紛將其納入智慧城市頂層設計框架。借助數字孿生技術，構建供水系統數字孿生體，直觀展示供水設施、管網分布、供水設備運行的實時數據，實現設備整體監控、集中管理，形成以數據收集、處理、分析、共享與利用全生命周期管理的新模式，為供水系統運行管理中各個業務條線的未來態勢響應和決策過程的敏捷化和智能化提供技術支持。

三、應用探索

基于數字孿生技術的智慧供水系統是智慧水務建設的新高度，實現城市的源水、供水、污水處理等水務全流程、可視化管理，挖掘數據價值和邏輯關系，實現供水數據資源化、管理精準化、決策智慧化，保障供水系統安全高效。

數字孿生是實現數字世界與物理世界交互融合的最佳途徑，通過數字孿生技術，實現供水系統物理實體與數字孿生體平行發展、相互作用，通過實時通信和完全映射實現兩者緊密結合，形成虛擬服務現實的新模式，確保城市供水更安全、更便捷、更高效。從供水環節的三個階段入手，將數字孿生技術在智慧供水中的應用，分為源水管理、供水管理和污水管理三個方面。

（一）數字孿生在源水管理中的應用

數字孿生技術應用在源水管理環節，可以直觀全景展現水源地分布情況、實時監測水質指標以及通過數字模擬試驗提高制水工藝改進。

1.清晰展現水源全景，推動水源保護和利用

供水安全的首要任務是水源地安全保障，通過虛擬空間的數字呈現，可全面了解水源地水體及周邊保護區內水生態安全和風險源情況，實現對水源保護區的實時監測，水源地分布整體展示，便于水資源開發利用的整體統籌，提高水資源供給能力。

2.實時監測制水設備，保障供水安全和達標

數字孿生體，可以實時顯示水的濁度、PH值等技術指標值，讓工作人員可以隨時掌握水質變化情況，如果指標值出現異常，系統自動報警并自動調整制水工藝，提升制水過程監測和調控能力，確保水質達標。

3.虛擬空間模擬試驗，提高改進效率和效果

數字孿生體完整立體展現水廠制水的生產工藝全過程，可視化展示不同工藝的水質情況，實現數據信息和流程融合、監測和管控融合，真實反映物理環境中工藝操作、控制操作的結果，快速選出最佳的工藝改進方案。

（二）數字孿生在供水管理中的應用

數字孿生技術應用在供水管理環節，可以將整個城市的地下管網進行空間立體呈現、供水設備動態監測、智能分析運行狀態及時報警。

1.管網分布整體呈現，助力管網優化改造

實現對整個供水管網分布、范圍、狀態等虛擬空間數字呈現，實時掌握各個環節設備運行狀態、水質情況，實時記錄運行數據，對管網進行綜合監測。融合各部門所有數據資源，結合現狀進行多維智能分析，生成管網改造參考方案。

2.供水設備動態監測，增強設備自動巡檢

數字孿生技術，將物理實體的運行數據同步傳輸到數字孿生體，清晰展現設備運行狀態，更加精準地實現供水管網的監管，當發現運行異常時及時報警，完成自動巡檢功能。系統通過智能故障分析算法，確定最佳維修方案并分派執行。

3.運行數據實時分析，預測管網爆管泄漏

動態監測全市管網運行狀態、供水和用水情況，根據監測的實時數據和歷史數據，運用供水分析模型對用水量、水壓進行預測分析，實現運行態勢感知、預測計算管網爆管、水管泄漏事故發生的概率，并快速發出警報。

（三）數字孿生在污水管理中的應用

數字孿生技術應用在污水管理環節，可以降低污水處理成本，提升污水處理效率，優化污水處理工藝，實現水資源循環利用，達到節水的目的。

1.工藝流程模擬試驗，提高工藝改進的效率

利用數字孿生體支持生產工藝流程模擬的場景化應用，實現生產工藝流程運行的透明度，便于錯誤識別防止故障發生，并通過及時調整運行參數，實現提高工藝改進效率的目標。5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C

2.智能分析態勢感知，降低處理成本和時間

利用數字孿生體的智能實時分析功能，感知污水處理中可能產生的不良影響、矛盾沖突，對潛在危險進行預警，提供切實可行的實施方案，不僅大大降低損失成本，也縮短了處理的周期。

3.輔助決策綜合研判，增強水資源循環利用

利用數字孿生體詳細展現污水處理和循環再利用的全部環節，實現多維度指標數據集中展現。通過多維度指標智能分析，實現多指標數據的并行監測，為管理者決策研判提供科學的數據支持。

四、應用效果

（一）動態監管，保障供水安全

保障供水安全，是城市供水必須實現的基本目標，基于數字孿生技術的智慧供水系統，提供從水源、供水用水以及污水處理的全過程監管，實時監測水質指標，通過建立對水源、管網、污水處理控制體系，實現水務工程及時、可靠、自動控制，確保供水安全。

（二）智能值守，促進提質增效

基于數字孿生技術的智慧供水系統，采用無人職守的智能化工作模式，實現用水準確計量，降低人員勞動強度；設備實時監測，發現問題及時報警，通過保護性維護保養降低維修成本；漏損精準定位，提高設備維修效率。

（三）模擬演練，消除事故隱患

數字實驗模擬演練，有效地規避物理實體試驗難度大、成本高、危險性大的弊端，增強實驗運行的透明度。通過模擬實驗的過程，識別風險源、系統智能分析評估、制定應對方案消除事故隱患，滿足安全生產的要求。

（四）數字技術，提高科學決策

提高科學決策的能力，以數據驅動，提供態勢感知和趨勢研判，實現“數據決策”；依靠智能算法從供水數據中萃取決策關鍵信息因子，快速生成決策備選方案。系統深入融合“云數物智生”技術，實行開放、交叉、融合的決策模式。

五、未來展望

雖然數字孿生技術在智慧供水系統中應用得到廣泛認可，但是在深度融合應用方面，還存在，業務擴展和模型構建的匹配性等問題，因此，基于數字孿生的智慧供水系統，應開展多場景、多鏈條、多層次應用探索，重視動態業務場景構建，為城市供水提供更加簡易、可視、智能的管理工具，助力城市供水系統的創新和高質量發展，推動城市向著碳達峰碳中和的任務目標邁進。

作者單位：天津卓朗科技發展有限公司5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C