基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计与应用探索.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2022-09-28作者简介：胡斯曼（1995），女，湖北鄂州人，工程师，硕士，研究方向为水利信息化通信作者：陈小平（1979），男，湖北武汉人，高级工程师，博士，研究方向为水利信息化E-mail：基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计与应用探索胡斯曼1，陈小平1，2，李永蓉1，张振萍1，龚长凌1（1.武汉长江科创科技发展有限公司，湖北 武汉 430010；2.长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430010）摘要：城市水环境管理能力对构建人水和谐的美丽城市有直接影响。针对目前水环境管理系统中存在的数据共享能力不足、预测预警机制不完善、管理过程不完善等问题，设计基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架，围绕城市水环境管理常见业务范围，开发城市水环境管理业务应用，实现城市水环境监测、诊断、分析、预测和决策全过程闭合管理，以期为城市水环境管理提供更加科学化、精细化的有力支撑。关键词：城市水环境管理;数字孪生;系统框架;业务应用中图分类号：X321文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.1001引言近年来，随着城市化进程的不断推进，工业迅猛发展，污水排放量不断增加，人口城市迁移频率加快，使城市水资源负荷加大、水资源供需矛盾突出。同时，城市水体大多为静止或流动性差的封闭型浅型水体，具有水环境容量小、水体自净能力弱、易污染等特点1，对城市水环境治理带来了巨大挑战。随着数字技术、信息技术的不断发展，水环境信息化系统的建设为城市水环境管理提供了高效的技术支持，一定程度上提高了城市水环境管理效率，但现阶段水环境信息化系统功能存在数据处理能力不足、预见性不足、应急响应不及时等问题，不能快速遏制城市水污染事件的发生，城市水环境管理工作大多依赖于人工经验，与“智慧化”城市建设的目标存在一定差距。2022年3月，“十四五”国家信息化规划 明确提出要“探索建设数字孪生城市”，从信息技术开发、水利建设、环境保护等多方面探索新型高质量城市发展方案。运用数字孪生技术构建数字孪生体，可以实现现实空间与数字空间相互映射，通过场景推演对未来进行预测。本文以现有信息技术为基础，融合新型数字孪生技术，构建城市水环境管理系统框架，有效打破数据壁垒，实现数据共享，构建与现实场景智能互馈的智慧模型，实现管理过程实时的监测、诊断、分析、预测和决策，以期打造高质量智慧水环境管理体系，为构建人水和谐的美丽城市提供科学支撑。2水环境管理的不足（1）水环境管理系统数据共享能力不足。城市水环境受污染源、河道（湖库）地形、降雨、流量等众多因素的影响，涉及管理部门多，相关数据范围广，但现有水环境管理系统接入数据相对单一，以实时监测的地表水水质、水量数据为主，且各部门间的数据共享程度低，“数据孤岛”现象严重，难以为数据深度挖掘和智能分析提供有力支持。（2）制定的水环境管理方案智能化程度低。现阶段制定水环境管理方案时对于人工经验依赖程度高，多数水环境分析模型处于简单的标准阈值与历史数据均值分析阶段，水污染扩散动力模型缺乏完整的地形以及城市管道尺寸等基础数据，加之闸门、排污口等相关设施随着城市快速建设不断更新，现有模型很难根据环境变化做出适应性调整，导致模型精度低，且各类模型间缺乏联结互馈机制，难以对城市水环境管理工作进行综合分析，智能化程度低。（3）预测预警机制不完善。在当前城市水环境管理过程中，主要采用“发现问题解决问题分析问题”的被动策略，往往是污染事件发生后再采取紧急处理措施，缺乏对事件发生的前瞻性，预防能力不足，难以保障城市水环境稳定。（4）管理过程不完善。水环境管理阶段包含源头治理、过程治理、事后处理，但现有水环境管理系统大多只包含源头治理与事后处理，缺乏工程设施调度、水资源调度等过程治理阶段，应急能力不足，处理机制不完善。3数字孪生技术介绍数字孪生技术以物联网、云计算等技术为核心，结合大数据、人工智能等新型信息化技术，搭载数学、物理模型，对现实场景中的空间要素、物理过程进行数字化展现，在网络空间中搭建出与现实世界平行的动态虚拟世界，实现物理空间与数字空间的全生命周期映射2。在城市水环境管理系统中，数字孪生技术通过融合城市地形地貌、城市管道、植被、河流、湖泊等多元要素，对不同情景下的要素进行空间关联分析计算，可准确对水体污染产生的影响进行模拟仿真和预警，并在此基础上快速形成预案，指导解决水环境问题。4基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计以提升城市水环境质量、保持水质长久稳定为目标，基于数字孪生技术构建“描述诊断预测决策”的全链条反馈机制的城市水环境管理系统，系统框架见图1。图1基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架 190人 民 黄 河2023年S1（1）水环境信息基础设施。水环境信息基础设施是搭建系统的“地基”，主要包含水质、水文等信息监测基础设施，专有云、公有云等基础运行环境。立足于城市水环境管理现状，构建满足数字孪生城市水环境管理需求的监测感知网，采集人工监测、遥感卫星、无人机航测等多元数据，满足数字孪生工程算据时域化、映射准确化、模拟智慧化要求。（2）数字孪生平台。数字孪生平台是构建系统的核心，是实现水环境智慧管理的关键，包括数据底板、模型平台、知识平台等。数据底板是对城市水环境相关的水文、水质、地形地貌、地下管网等数据进行汇聚、处理、挖掘，并形成数据服务，为模型构建、知识平台的搭建提供数据基础。模型平台以数据底板为支撑，构建符合区域特点的水环境、水利等专业模型，遥感AI识别、视频AI识别等人工智能模型和基于BIM+GIS技术的水质场景模拟可视化模型，实现虚拟世界与现实世界的多维度时间、空间的同步链接，并提供水环境评价、生态环境调度等服务。知识平台是基于突发水污染事件应急预案等，联合城市水环境治理业务规程、专家经验库、历史场景模式库等专业知识库形成智慧知识引擎，丰富决策手段。（3）业务应用。依据城市水环境管理工作业务流程设计业务应用，为城市水环境管理工作提供业务管理、实时监控、预警分析、决策调度、应急管理与服务、事后评估等功能，实现水环境监测、诊断、分析、预测和决策的全过程管理。（4）网络安全体系。安全是发展的前提，发展是安全的保障，安全和发展要同步推进。水环境管理系统涉及数据范围广且涉密数据多，因此保障数据安全十分必要。网络安全体系是网络安全运行的“护卫”，涵盖安全管理、安全技术与安全监督。需要按照地方网络安全等级保护要求、公安部网络安全分级标准设定网络安全级别，购买或租用防火墙、堡垒机等网络安全防御设备，提供安全测评服务，以保障系统安全运行。（5）标准规范体系。标准规范体系是建设系统的约束，为系统建设与运行管理提供统一标准。按照国家标准、行业标准、管理规范、技术标准和信息标准制定符合区域的标准管理规范体系。5应用探索围绕城市水环境管理常见业务范围，基于数字孪生技术开发适应于城市水环境管理的业务应用。5.1综合信息管理采用BIM+GIS技术建立地下管网、排污口、河道等涉水工程三维场景模型，将现实世界接入虚拟世界。获取区域内路面、河道湖库地形、降雨量、管网尺寸、管网设计流量等基础数据，在“一张图”上实时展示城市重点河道、湖库水质变化情况，按照水质级别划分标准，开发水质评价与水质预警功能。此外，提供各类水环境治理设施信息展示功能、涉水运行数据统计分析功能、专题图鉴生成和导出功能。5.2水质目标管理以生态环境部、地方水行政主管部门下发的城市水质考核目标为治理导向，在河道湖库水环境在线监测的基础上，统计分析监测断面历史水质数据，根据各断面水质变化趋势、历史相似场景匹配结果对断面水质进行模拟预测。在模拟预测的基础上，针对可能发生的水质超标事件，以城市地下管网水量、水位等数据为基础，以水质达标为需求，根据污水处理厂消纳处理能力及其他污染治理工程处理能力，形成当前水质条件下可行的水量调度方案，进行方案效果评估，联合水利部门的调度权限共同保障水质稳定。5.3污染总量控制管理基于城市河道、湖库等重点水体水量对其进行动态水环境容量估算3。结合污染物构成与分布情况，对城市面源、点源污染进行统计分析，分析管网、河道、湖库污染通量变化趋势，对可能发生的水质超标情况进行预警，提高污染事件发生的预见性。结合现有污染负荷，考虑污水处理设施的消纳能力，通过构建优化算法模型给出下一时段污染物削减分配方案，为污染物总量控制提供决策支持。5.4突发水污染事件管理为降低突发水污染事件对水域水环境的影响，针对城市水体突发水污染事件，设计可快速响应的业务管理流程。建立人工上报、AI智能识别、水质在线监测数据预警预报窗口，将区域负责人员与水域负责人员进行身份绑定，当发现水污染事件时，系统快速推送预警短信至区域相应管理人员及处置人员。利用综合信息管理模块显示污染源点位、污染范围等信息，利用模型判断污染扩散影响的同时进行水污染溯源分析，为现场处置与执法提供科学依据。针对复杂紧急的水污染事件，通过会商平台，联系上级管理单位或有关专家提供技术支持，最终快速形成治理决策，提高水环境污染治理效能。6结语城市水环境的优劣对人居环境与人民的幸福感有着直接影响，现代城市的迅速扩张与工业化进程的不断推进对城市水环境管理工作带来了巨大挑战。本文借助信息科技手段，通过跨层级、跨行业数据共享实现数据汇聚与连通，在孪生场景中建立数学、物理模型，能有效地结合城市水环境管理实际解决当前水环境问题。通过水体动态监测，及时发现问题源头，并就当前事件发展趋势给出预判，通过模型预演，掌握事件发展动态，完善预测预警机制，提高水环境治理预见性，迅速提供水环境管理“智慧”方案，全面提升城市水环境管理效率。参考文献：1 胡洪营，孙迎雪，陈卓，等.城市水环境治理面临的课题与长效治理模式 J.环境工程，2019，37（10）：6-15.2 吴奇锋，高云泽.基于数字孪生技术建设智慧淮河 J .治淮，2021（6）：73-75.3 廖向阳.探讨县级区域水污染总量控制 J .环境与发展，2020，32（12）：213-214.【责任编辑栗铭】191