数字孪生城区智慧排水应用管理
数字孪生城区智慧排水应用管理
徐州市铜山区数字孪生城区智慧排水系统是落实中央部署，适应信息技术发展和强化流域治理的迫切要求。该系统融合大数据、AI、数字孪生技术，与水务、防洪排涝业务结合，建立铜山区水利、排水管网等设施电子化台账。全面感知城市降雨、积水等信息，构建管网-河网、洪水预报、内涝积水模型，实时预报河道水位、流量及地面积水情况。自主报警，动态调度水利工程、队伍、物资和排水设施，抢险处置积水路段，科学调度管控重点河道及水库的水闸、泵站等，提升防洪排涝效率。
建设背景
数字孪生流域建设是落实中央部署，适应信息技术发展和强化流域治理的迫切要求。徐州市铜山区因山丘众多、排水管网老化易受涝，根据水利部相关通知，区水务局与江苏禹治流域管理技术研究院合作，实施铜山区数字孪生城区智慧排水系统建设先行先试任务。双方致力于打破传统粗放式、依赖人工经验的工程调度方式，通过构建铜山数字孪生城区智慧排水系统，提升水利水务管理的智慧化水平，强化城市洪涝风险预警与决策调度能力，确保城区排水顺畅，有效应对洪涝灾害，保障人民生命财产安全，推动区域水务管理的现代化进程。
建设内容
数字孪生城区智慧排水系统融合大数据、AI、数字孪生技术，与水务、防洪排涝业务结合，建立铜山区水利、排水管网等设施电子化台账。全面感知城市降雨、积水等信息，构建管网-河网、洪水预报、内涝积水模型，实时预报河道水位、流量及地面积水情况。自主报警，动态调度水利工程、队伍、物资和排水设施，抢险处置积水路段，科学调度管控重点河道及水库的水闸、泵站等，提升防洪排涝效率。
总体架构
数字孪生城区智慧排水系统架构模型采用组件化的分层结构设计思想，使应用组件具有预制性、封装性、透明性、互操作性、通用性等特征，便于快速地组装成新的应用。体系建立在业务应用层之上。业务应用层为上层提供数据资源与应用资源，它包括传统的封闭的应用系统，已经打包好应用程序及业务数据库、数据中心、数据仓库、文件系统、邮件系统等。
图1 系统总体架构图
系统和平台
数字孪生城区智慧排水系统以感知网、信息网、云资源等为基础，运用大数据、人工智能、虚拟仿真等技术，以物理流域、水利工程或水网为单元、多维时空数据为底板、模型为核心、知识为驱动，对水利对象全要素和管理活动全过程进行数字化映射、智能化模拟，支撑实现防洪排涝、水资源管理与调配。
数字孪生可视化采用DTS高渲染平台，含Explorer、Cloud等四软件，提供从数据到三维呈现的无插件、跨平台解决方案。平台性能卓越，效果优异，用户体验佳，涵盖数据处理、场景整合、云服务发布等，满足各行业应用需求，实现极致易用性。
系统采用微服务架构，将应用程序划分为协调配合的小服务，各服务独立运行，通过RESTful API轻量级通信。服务围绕具体业务构建，可独立部署至不同环境。针对特定服务，根据业务选择合适的语言和工具进行构建。
综合业务平台采用前后端分离与跨平台体验技术，基于WebService的SOA设计，融合空间分析、信息智能关联、灾害风险评估、智能感知、应急辅助决策及异构数据整合共享等关键技术。利用现有信息化成果，服务识别与封装实现资源重用，通过SOA平台集成。新建系统遵循自顶向下原则，以服务为核心开发，实现服务组合与编排。
典型应用场景
3.1排水设施一张图
管网、检查井、水闸、泵站、污水处理厂、排污口、河道及附属设施等基础数据，依照通用性、先进性、唯一性和安全性等原则进行融合建库，形成排水基础设施要素全覆盖的数据库。
图2 排水设施一张图
3.2智能调度和控制
通过智慧排水系统的数据分析和决策支持功能，对城市排水管网进行智能调度和控制。根据实时监测数据和预测模型，调整排水泵站的工作状态和排水管网的运行参数，以最大限度地减少内涝积水情况。
图3 内涝积水预报
图4 基于数字孪生的闸站远程控制
图5 排水管网排水仿真模拟
3.3智能调度和优化
通过大数据分析和模型优化，对城市排水系统进行智能调度和优化。根据历史数据和实时监测情况，优化排水泵站的运行策略和排水管网的布局，提高排水系统的效率和抗洪能力，降低内涝积水的发生频率和影响范围。
3.4城区防洪指挥
结合业务需求，建立调度态势大屏信息服务。基于数字孪生平台，构建预报、预警、预演、预案的调度态势大屏，利用三维可视化技术搭建，实现数据板上看，业务随时处理。
图7 城区防洪指挥平台
创新亮点
数字孪生城区智慧排水系统对标国际先进标准，全面摸清排水系统底账，运用物联网、5G、大数据、云计算等新一代信息技术，结合已建数据中台、应用中台，实现排水全过程信息化、数字化管理。重点开展“五个一”建设：一套标准体系、一张物联感知网、一个数据库、一张综合信息图、一个智慧管理平台。该系统具备“五化”特征：感知物联化、设施数字化、数据可视化、运维信息化、决策智慧化。通过整合多源数据，模拟和优化城市排水系统，实现对城市内涝风险的预测和管理。建设排水管理业务应用体系，实现信息协同与业务联动，为铜山区排水管理部门提供“排水设施全覆盖管理”工具和“排水一张图”服务，助力水务管理决策科学化、精细化和智能化水平的提升。
采用了数字孪生技术、高精度倾斜摄影数据、管网数据、地形数据建立城市的数字孪生模型，实现了城市地形和排水系统的准确描述。
接入了实时管道液位流量监测数据、河道水位、降雨监测数据，引入气象数据，通过与城市内涝模型的耦合，实现了对防汛排涝实时监测和预报。
管理模式创新，实现源-管-站-厂-口-河排水运营全流程一体化管理，多部门多层级闭环管理、排水监督考核透明化。
注重用户参与和互动服务，通过手机应用程序、网站等渠道，向居民提供实时的排水信息、问题报告和反馈通道。这种互动服务可以提高居民对排水系统的参与度和满意度，促进公众与政府部门之间的互动和合作。
防洪排涝四预：充分利用防汛、治涝的预报、预警、预演、预案的“四预”能力，为铜山区防汛、内涝预警预报指挥调度及提供全面的信息化支撑，减轻灾害风险，并保障排水系统的正常运行。
基于水务数据仓库和支撑平台，构建多业务主题系统，深度融合云、大数据、AI、GIS技术，实现数据共享、业务协同，按需扩展主题，提升水务管理、决策与服务的科学化、精细化和智能化水平。
社会、经济效益
智慧排水应用管理系统通过提升预警效果、优化决策支持、调控水利工程、排水系统和减轻水灾害等方面的综合效果体现。它为城市防洪排涝防控提供了科学和有效的手段，提高了城市的防灾减灾能力，保障了人民的生命安全和财产安全。
1.1预警效果提升
防洪排涝四预系统通过实时监测和分析降雨情况、水位变化和排水系统运行状况等数据，能够提前发现内涝风险，并及时发出预警信息。这使得相关部门和居民能够提前做好应对措施，减少人员伤亡和财产损失。
1.2决策支持优化
防洪排涝四预系统通过模拟和预测内涝发生的可能性和程度，为相关部门和决策者提供科学依据和决策支持。基于系统提供的数据和预报结果，决策者能够及时制定和调整内涝防控策略，提高应急响应和灾害管理的效果。
1.3水利工程、排水系统调控
防洪排涝四预系统通过模拟和优化水利工程、排水系统的运行状况，能够实时调控排水设施的开启和关闭，以适应降雨变化和内涝需求。这使得排水系统能够更加高效地排除积水，减轻内涝灾害的影响。
1.4数据中台
按照“大系统设计、分应用建设、模块化配置”的建设思路，实现让数据说话、凭数据决策。对数据资源、应用支撑、分析能力进行系统化整理的基础上，实现数据、组件、能力的复用，消除技术壁垒，提高服务效率。
1.5业务可视
利用数字孪生技术打破数据和业务隔离困局，让使用者能够对智慧排水应用管理看得见、看得懂、看得透、看得远。所有基础设施、在线监测、预报预警结果、预演仿真效果、预案执行结果都基于数字孪生平台以虚映实、以虚预实、以虚优实，在不断地优化过程中逐步达到虚实共生的目标。
标准化实施路径
遵循水利、排水等多领域国家及地方标准机制，通过项目的实践，从技术、管理、场景多维度构建统一标准规范建设图谱。
与气象、交通等部门建立协同机制，建立统一的具有大数据组件库的数据资源池；以资源池为基础应用，建设具备数据汇聚、治理、分析、挖掘、应用、维护与可扩展能力的数据中心平台。
数据资源池总量超亿条，周更新百万条。专题库覆盖水情、雨情、防汛、水资源、河长制、灌区、城市供水、水利及排水设施管理等多个主题。设置形成包含所涉及河流、部门机构、排水管网、泵闸站、水量监测断面等综合信息的代码表，以账册化形式开展数据管理。
数据中心平台对资源池数据进行集约化抽取、采集、治理、汇集、分类、管控等处理，为业务应用体系提供治理后的标准化数据与主题数据。
智慧排水应用管理经验总结与发展建议
智慧排水应用管理需全面规划整合现有业务系统，确保各环节互联互通。跨部门合作共享资源，建立协同联动机制，提高管理效率。运营中应持续监测改进，确保项目卓越运行。同时，智慧排水应用管理应与智慧城市融合发展，实现资源优化配置。系统建设需注重大系统小应用，使底层、工具层管理使用更可视化、友好便捷。针对具体业务构建针对性强、操作简便、直观可视的“小应用”，快速支撑调用，提升业务效率。