摘要：當(dāng)下，以數(shù)字孿生為主的數(shù)字技術(shù)愈發(fā)成熟，為使得長(zhǎng)江水環(huán)境治理能夠“長(zhǎng)治久安”，上海院在長(zhǎng)江大保護(hù)先行先試城市九江城中水環(huán)境治理中啟用了智慧水務(wù)先進(jìn)理念，搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水務(wù)平臺(tái)。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建九江城市“一張圖”的數(shù)據(jù)基座，結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)，應(yīng)用智慧水務(wù)平臺(tái)，加上水務(wù)治理的河道水情、水質(zhì)、區(qū)域雨情、泵站運(yùn)行、管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，虛擬九江市城中水環(huán)境的實(shí)時(shí)時(shí)空模型,提高了“廠網(wǎng)河湖岸”的聯(lián)動(dòng)治理和一體化運(yùn)營(yíng)，達(dá)到水務(wù)治理的實(shí)時(shí)監(jiān)管和科學(xué)輔助決策，為未來(lái)智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

   關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生技術(shù);數(shù)據(jù)基座;智慧水務(wù);長(zhǎng)江大保護(hù)；九江

   數(shù)字孿生開始由密歇根大學(xué)的Michad Grieves教授提出的“信息鏡像模型”演變而來(lái)，美國(guó)國(guó)防部最早將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，通過(guò)數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型,并將傳感器與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)與數(shù)字空間同步映射，通過(guò)數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)也可用于新建或改建物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá),通過(guò)構(gòu)建實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化模型，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和模型算法實(shí)現(xiàn)實(shí)體對(duì)象數(shù)字孿生體的虛擬構(gòu)建，可用于對(duì)物理實(shí)體的模擬、仿真、優(yōu)化及預(yù)測(cè)。

   數(shù)字孿生技術(shù)誕生之初由于計(jì)算機(jī)、通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)瓶頸導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用主要集中在規(guī)模較小的實(shí)體模型,如飛行器、汽車制造、及數(shù)字工廠等小尺度范圍內(nèi)。隨著技術(shù)進(jìn)步,特別是云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸速度得到了很大的提高，數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于城市級(jí)別甚至流域級(jí)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(wù)屬于智慧城市的范疇,開始在2014— 2015年提出，并主要應(yīng)用于自來(lái)水廠的數(shù)字化改造以及城市給水管網(wǎng)的滲漏預(yù)測(cè)。隨著中國(guó)新基建概念的提出，數(shù)字化與智能化要求越來(lái)越高，智慧水務(wù)概念的外延逐步擴(kuò)大到廠網(wǎng)河湖（岸）等系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)映射、模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)管理成為科技人員急需解決的問(wèn)題。

   本文以九江智慧水務(wù)應(yīng)用實(shí)踐為例，通過(guò)構(gòu)建九江智慧水務(wù)平臺(tái),以數(shù)字孿生技術(shù)為核心,打造九江市中心城區(qū)數(shù)據(jù)基座，結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)，建立九市江中心城區(qū)水環(huán)境的時(shí)空模型,實(shí)現(xiàn)智慧工程、智慧資產(chǎn)、智慧監(jiān)測(cè)、智慧決策和智慧評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用，為未來(lái)智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

1總體設(shè)計(jì)

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(hào)稱“三江之口、七省通衢”,是江西省獨(dú)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(gè)沿江對(duì)外開放城市之一,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重要節(jié)點(diǎn)城市,是推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室確定的長(zhǎng)江大保護(hù)先行先試的試點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)化、 城市內(nèi)澇、水質(zhì)型缺水等諸多問(wèn)題。

1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容

   作為長(zhǎng)江大保護(hù)首批實(shí)施的先行先試項(xiàng)目，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項(xiàng)目一期投資額高達(dá)約77億元，項(xiàng)目覆蓋面積達(dá)220 km2，包括九江中心城區(qū)水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等。九江市智慧水務(wù)項(xiàng)目期望通過(guò)針對(duì)“廠網(wǎng)河湖（岸）一體的先進(jìn)排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動(dòng)及河湖聯(lián)動(dòng)的綜合治理模式、五湖聯(lián)動(dòng)的清源活水模式、市政管網(wǎng)的提升模式”及智慧管控模式進(jìn)行詳細(xì)研究，從而對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展工作推進(jìn)起到較強(qiáng)引領(lǐng)和示范作用。

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(yīng)用,綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，采集、匯總和利用營(yíng)銷、呼叫中心、管網(wǎng)運(yùn)維等眾多數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)為框架, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調(diào)蓄池、管網(wǎng)、氣象等水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施和水文、水質(zhì)、水壓等水情的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)化調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)化辦事、系統(tǒng)化管理、科學(xué)化決策和規(guī)范化服務(wù)。

1.3總體架構(gòu)

   九江智慧水務(wù)整體實(shí)施思路以“一朵云”“一張網(wǎng)”“一張圖”“五中心”“一本賬”的“ 11151”總體框架（圖1），在長(zhǎng)江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點(diǎn)。在排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備,組成監(jiān)測(cè)感知一張網(wǎng)，通過(guò)GIS + BIM技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生一張圖。面向各級(jí)管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務(wù)應(yīng)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(shè)績(jī)效指標(biāo)考核體系,圍繞長(zhǎng)江大保護(hù)的核心目標(biāo)在九江市開展示范應(yīng)用。

圖1九江智慧水務(wù)總體框架

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)通過(guò)調(diào)用長(zhǎng)江生態(tài)云中心平臺(tái)統(tǒng)一提供的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知等資源服務(wù)，開展九江本地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及對(duì)接、GIS + BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)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(lán)線管控空間等要素進(jìn)行有機(jī)整合，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品調(diào)用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江大保護(hù)智慧水務(wù)的集約化建設(shè)、規(guī)范化管理、共享式服務(wù)與一體化運(yùn)營(yíng)。

2平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

   為實(shí)現(xiàn)九江市水務(wù)治理“長(zhǎng)治久安”的目標(biāo)，以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，建立基于實(shí)景建模、GIS +BIM、5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合的智慧水務(wù)平臺(tái)。基于長(zhǎng)江智慧水務(wù)的整體架構(gòu),進(jìn)行技術(shù)體系架構(gòu)設(shè)計(jì),主要包括智慧感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)共享與分析層、應(yīng)用使能層、智慧應(yīng)用層，具體技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2九江智慧水務(wù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過(guò)對(duì)資產(chǎn)、項(xiàng)目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá),利用物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等手段,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、資產(chǎn)的數(shù)字化表達(dá)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(gè)全生命周期中,所有參與方都使用同一個(gè)數(shù)字孿生對(duì)象,從而實(shí)現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過(guò)對(duì)現(xiàn)在、過(guò)去數(shù)據(jù)的分析，以提升項(xiàng)目、資產(chǎn)的可靠性，抗風(fēng)險(xiǎn)能力和生產(chǎn)力，平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)見(jiàn)圖3 o

圖3九江智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.1數(shù)字環(huán)境構(gòu)建

   數(shù)字孿生技術(shù)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(guān)鍵，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺(tái)可視化程度較低的弊端，平臺(tái)數(shù)字化底座的建設(shè)采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),開展九江市域項(xiàng)目范圍內(nèi)的影像采集工作,搭建九江整個(gè)建設(shè)區(qū)域內(nèi)地理、地貌、設(shè)施數(shù)字化實(shí)景模型（圖4），替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關(guān)數(shù)據(jù)，BIM設(shè)計(jì)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(wù)實(shí)施的藍(lán)圖。

圖4九江市智慧水務(wù)平臺(tái)三維實(shí)景模型

2.2數(shù)字模型構(gòu)建

   在數(shù)字環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺(tái)設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目范圍內(nèi)已建、在建與新建水務(wù)相關(guān)工程的初步設(shè)計(jì)圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構(gòu)建。其中，測(cè)繪專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、水機(jī)專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設(shè)計(jì)軟件搭建污水處理廠的廠房結(jié)構(gòu)模型、工藝設(shè)施模型、廠區(qū)地形模型等構(gòu)建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。通過(guò)漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設(shè)計(jì)異常點(diǎn)，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點(diǎn)。制定統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái),定制標(biāo)準(zhǔn)兀件庫(kù)和Paa樣式，結(jié)合Workspace推送實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。同時(shí)在工程數(shù)字化基礎(chǔ)上，采用數(shù)字孿生技術(shù)，將BIM模型通過(guò)iModC發(fā)布并上傳到智慧水務(wù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Web端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)訪問(wèn)和共享，便于將BIM模型同GIS平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，從而導(dǎo)入智慧水務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水務(wù)“一張圖”應(yīng)用系統(tǒng)，具體成果見(jiàn)圖5。

圖5基于智慧水務(wù)的建筑物模型

2.3物理數(shù)據(jù)映射

   在物理實(shí)體模型與數(shù)字模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅(qū)動(dòng)，本研究通過(guò)BIM與GIS集成應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實(shí)體模型和數(shù)字模型的映射，同時(shí)提高長(zhǎng)線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。通過(guò)GIS宏觀地將單個(gè)建筑的BIM應(yīng)用擴(kuò)展到范圍更大的智慧水務(wù)等工程領(lǐng)域。

   利用GIS + BIM信息技術(shù)，將多來(lái)源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集成，針對(duì)管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池、污水廠以及監(jiān)測(cè)設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理涉及的海量設(shè)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(xì)地顯示和分析大量水務(wù)設(shè)施數(shù)據(jù)，為城市水務(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，具體成果見(jiàn)圖 6。

圖6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理

2.4感知數(shù)據(jù)映射

   數(shù)字孿生技術(shù)與以往仿真模擬技術(shù)最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)的“真實(shí)”的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線智能監(jiān)測(cè)與感知（水位、流量、水質(zhì)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(xiàng)目的智能感知網(wǎng)絡(luò),提升九江市水務(wù)部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調(diào)度、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應(yīng)對(duì)能力。

   九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項(xiàng)目的智能感知網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控內(nèi)容，見(jiàn)圖7。

圖7九江智慧水務(wù)平臺(tái)智能感知網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容

2.5智慧應(yīng)用

   運(yùn)維低效、調(diào)度乏力、缺乏評(píng)估考核機(jī)制是許多 水務(wù)管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點(diǎn)。從業(yè)務(wù)應(yīng)用需求出發(fā),結(jié)合智慧化技術(shù)手段,九江智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列智慧應(yīng)用系統(tǒng)子系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理、實(shí)現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破。

a）綜合展示。基于GIS + BIM技術(shù)，對(duì)水環(huán)境治理規(guī)劃、水務(wù)設(shè)施建設(shè)、水務(wù)運(yùn)營(yíng)管理等幾個(gè)方面進(jìn)行可視化管理,打造綜合展示一張圖。

B) 智慧資產(chǎn)。在工程數(shù)字化的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)施資產(chǎn)進(jìn)行智慧化應(yīng)用。利用GIS + BIM等信息技 術(shù),提供污水處理廠、地下管網(wǎng)、防洪排澇設(shè)施、監(jiān)測(cè)設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理以及涉及的海量設(shè)施資料、空間等數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、查詢和空間分析功能。為城市水務(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

C）智慧監(jiān)測(cè)。通過(guò)接入在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)廠網(wǎng)河湖岸進(jìn)行一體化監(jiān)測(cè),可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)行中的突發(fā)狀況,有助于事故快速預(yù)警、溯源與追蹤，管理部門對(duì)排水事故的預(yù)警和處理能力得到提升。

d） 智慧決策。基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)水環(huán)境仿真建模,對(duì)污染源擴(kuò)散、內(nèi)澇、基礎(chǔ)設(shè)施水容量等進(jìn)行高效分析,形成智慧決策大腦,為管理者預(yù)測(cè)災(zāi)情、事故、突發(fā)事件所帶來(lái)的后果，幫助管理者能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行決策與指揮。同時(shí)結(jié)合移動(dòng)端應(yīng)用,使處理工作快速靈敏并協(xié)調(diào)有序。

e） 智慧評(píng)價(jià)。通過(guò)污水廠、管網(wǎng)、流域、排口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、以及流域的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和流域生態(tài)分析，為城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)治理工程實(shí)施成果進(jìn)行綜合評(píng)估，為工程運(yùn)行的正常運(yùn)行提供評(píng)價(jià)分析保障。

3創(chuàng)新示范應(yīng)用

   采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的九江智慧水務(wù)平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)方面的新技術(shù)實(shí)踐。

a）城市水務(wù)設(shè)施數(shù)字化。在九江試點(diǎn)期間，市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術(shù)，完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計(jì)453. 258 km的管網(wǎng)GIS建模，完成了城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化。采用傾斜攝影技術(shù),覆蓋十里河、兩河流域及彭澤區(qū)域,飛行272架次,采集7萬(wàn)多張照片，航拍影像覆蓋九江中心城區(qū)80km2，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構(gòu)建精度達(dá)3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化?；?/font>BIM技術(shù)，圍繞芳蘭污水處理廠、蓄水池、污水提升泵站等地下排水管網(wǎng)構(gòu)建筑物，將BIM成果貫穿工程設(shè)計(jì)、施工以及竣工，在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)BIM設(shè)計(jì)模型的審核、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本。同時(shí)，采用OpenRoads導(dǎo)入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)形成三維管網(wǎng)模型，通過(guò)GIS + BIM技術(shù)結(jié)合，將管網(wǎng)及水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施三維BIM模型導(dǎo)入到實(shí)景數(shù)字環(huán)境中，在九江地區(qū)實(shí)現(xiàn)了基于GIS + BIM的水務(wù)設(shè)施數(shù)字化示范應(yīng)用（圖8），為工程基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)用及服務(wù)。