数字孪生在供水运行调度中的发展及应用.pdf

2 0 2 4年3期2 8 9 2 0 2 4年第4 6卷第3期数字孪生在供水运行调度中的发展及应用朱程伟 张 义作者简介:朱程伟(1 9 8 5-),本科,高级工程师,研究方向为给水排水信息化管理。(镇江市自来水有限责任公司 江苏 镇江2 1 2 0 0 0)摘 要 供水管网的有序运行对保障城市居民的基本生活质量至关重要。对于供水企业而言,加强对供水管理的认识,实现可持续发展,既可以为人们带来实实在在的好处,也可以为企业带来可观的收入。当前,城镇供水调度系统基于供水管道的基础信息,以供水生产数据采集为主要方式,通过监测水厂、管网的运行状况,可以实现数据采集、数据展示、数据存储、报警等功能,为供水管网的优化运行和调度管理提供了技术支持。文中论述了数字孪生在智慧供水建设中的重要作用,探讨了数字孪生在供水运行调度中的关键问题,指出了数字孪生在供水运行调度中的重要性。关键词:数字孪生;智慧水务;运行调度中图分类号 T P 3 9 9D e v e l o p m e n t a n dA p p l i c a t i o no fD i g i t a lT w i n s i nW a t e rO p e r a t i o na n dD i s p a t c h i n gZ HUC h e n g w e i a n dZ HAN GY i(Z h e n j i a n gT a pW a t e rC o.,L t d.,Z h e n j i a n g,J i a n g s u2 1 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t T h eo r d e r l yo p e r a t i o no f t h ew a t e r s u p p l yp i p en e t w o r k i s c r u c i a l t oe n s u r e t h eb a s i c q u a l i t yo f l i f eo f c i t yd w e l-l e r s.F o rw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e s,s t r e n g t h e n i n gt h eu n d e r s t a n d i n go fw a t e rs u p p l ym a n a g e m e n ta n d i m p l e m e n t i n gs u s-t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc a n n o to n l y b r i n gt a n g i b l e b e n e f i t st ot h e p u b l i c,b u ta l s o b r i n g c o n s i d e r a b l ei n c o m et oe n t e r p r i s e s.A tp r e s e n t,t h eu r b a nw a t e rs u p p l yd i s p a t c h i n gs y s t e mi sb a s e do nt h eb a s i ci n f o r m a t i o no fw a t e rs u p p l yp i p e s,w i t hw a t e rs u p p l yp r o d u c t i o nd a t a c o l l e c t i o na s t h em a i nm e t h o d,t h r o u g hm o n i t o r i n g t h eo p e r a t i o ns t a t u so fw a t e rp l a n t sa n dp i p en e t w o r k s,a n d t h e i m p l e m e n t a t i o no f d a t a c o l l e c t i o n,d a t ad i s p l a y,d a t a s t o r a g e,a l e r t a n do t h e r f u n c t i o n s,p r o v i d i n gT e c h n i c a lS u p p o r t f o r t h eo p t i m a lo p e r a t i o na n dd i s p a t c h i n gm a n a g e m e n to fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k s.T h i sp a p e rd i s c u s s e s t h e i m p o r t a n t r o l eo fd i g i t a l t w i n s i ns m a r tw a t e rs u p p l yc o n s t r u c t i o n,d i s c u s s e s t h ek e y i s s u e so fd i g i t a lt w i n s i nw a t e rs u p p l yo p e r a t i o nd i s p a t c h i n g,a n dp o i n t so u t t h e i m p o r t a n c eo fd i g i t a l t w i n s i nw a t e r s u p p l yo p e r a t i o nd i s-p a t c h i n g.K e y w o r d s D i g i t a l t w i n,S m a r tw a t e r,O p e r a t i o ns c h e d u l i n g0 引言自然资源的有效利用是实现城市建设可持续发展的关键,保障供水系统运行的安全性、高效性,是城市高质量发展的必经之路,也是实现“碳达峰”的必然选择。随着“云数物智生”(云计算、大数据、物联网、人工智能、数字孪生)等技术的发展和广泛应用,推进城市供水业务的数字化转型已成为一种必然趋势。利用数字孪生技术构建城市供水数字孪生体,可以辅助相关部门从宏观层面掌控供水系统的运行状态,精准定位供水系统存在的问题,并通过智能模型分析获得最佳解决方案,达到科学决策的目标,提高城市供水管理效率,促进城市建设的高品质健康发展。1 数字孪生的发展历程“数字孪生”是一种革命性的概念,旨在让人们能更好地了解周围的环境。这种概念利用了一种新的技术,可以更好地模仿真实的环境。虚拟世界不仅具有实时性,还具有准确性,它可以将物质世界的全部过程反演出来,从而帮助人们进行模拟、监控、预测、优化等操作。一个完善的数字孪生系统通常会经历4个发展阶段1-3。(1)数化仿真阶段随着数字孪生技术的发展,物联网技术成为一种有效的工具,它可以将物理空间转换为数字空间,从而使物理世界和数字世界之间的交互更加便捷。此外,数据的传输也不再受实时性的限制,可以在较短的时间内实现局部汇聚和周期性传播,且这种变革主要取决于物联网硬件设备。(2)分析诊断阶段为更好地满足当前的应急处置需求,应结合数据驱动模型与模拟的物理环境,以便实现实时的信息交流。此外,还应定期检测环境变化,以便更好地满足用户需求,从而形2 9 0 2 0 2 4年3期成一套完善的业务知识体系,更好地掌握当前的情况;更有效地处理突发事件;更全面地完成对物理环境的追溯、分析及问题诊断工作4。(3)学习预测阶段利用先进的技术,数字孪生系统不仅可以具备良好的学习和预测性,还能具备自主学习的能力,它能从感官获取的信息和动态的行业词汇中提取有用的信息,以便利用这些信息来预测、模仿和优化未来可能会遇到的事件。随着信息数据的不断演变,数字孪生技术能更好地洞察未来,并用一种更加易懂、直观的形式来表达这些信息。(4)决策自治阶段随着技术的进步,数字孪生已经实现了跨越式的发展,具备了多样化的功能,能按照一致的标准和要求组合起来,满足各行业的需求,形成一个完整、高效的数据处理网络。作为“中枢神经”的处理模块可以汇总、组织和分析多种智能推论的结论,从而准确地识别出客观的物质环境的变化,同时可以自动地给予相应的决定性建议,有效适应当前的环境。2 当下供水运行调度存在的问题水资源的有效调度可以满足人类生产、生活等多种需求,保障供水安全则是其正常进行的重要基础。但是,当前供水调度体系还存在许多挑战,如基础设施薄弱、数据共享不足、管理方式落后、技术更新延缓,严重制约了水资源的有效配置与利用,影响了社会的稳定性。(1)供水运行调度涉及管网管理、运行监测、设备运维、应急抢险等多项业务。但由于信息化技术在供水调度中的应用缺乏整合性,因此难以提升供水调度的效率。(2)大多数供水企业的S C A D A系统仍然使用较为单一的C/S模型,并通过电话进行供水管网的信息传递。这种方法限制了企业的整体运行效率,不利于企业的集中管理、优化调度及信息共享5。(3)城市供水系统的实时运行状态涉及水厂监测、管网监测、泵站监测、二供泵房监测等多个环节,且往往分散在不同监控系统中,缺乏统一监测及调度的能力,调度人员难以及时发现和处理问题。(4)调度人员大多依靠个人经验进行调度,缺乏智慧化的分析手段,不仅需要投入大量的人力物力,且无法实现科学调度。3 如何构建水务数字孪生模型建模是数字孪生技术中不可或缺的一部分,它旨在帮助人们更好地理解物理世界,并将其转换成可操作的模型。建立城市供水体系物理实体的数字孪生模型,是实现“数化”的核心,其中包括构建城市数字孪生底板、构建供水要素模型,以便更好地满足用户需求。3.1 城市数字孪生底板的构建构建城市底板,即构建城市三维场景的底图。在实际项目中,依据项目要求,通常需要在场景底图上加入不同元素。城市底板一般包括基础电子地图、建筑白膜、重点建筑物、河流水系、主干管网或主干道路、行政区等各类要素,如图1所示。图1 城市数字孪生底板(电子版为彩图)3.2 供水要素模型的构建供水要素模型主要包括管线模型、泵站模型(见图2)、管线附属设施设备模型、水厂模型及其他模型。针对供水管线及其附属设施设备,可采用参数化建模的方式,根据管网G I S矢量数据,自动、高效地生成三维模型。对于自来水厂、泵站等需要精细化表达的局域场景,一般可利用传统三维建模工具进行建模6。图2 管网参数化建模与泵站模型构建(电子版为彩图)4 数字孪生在供水运行调度中的应用利用数字双胞胎的概念,能有效整合数字世界与物质空间,从而创造出一种更加真实的虚拟环境。这种技术能让供水系统的物理实体与双胞胎之间进行有效的协同工作,且能在不影响其他任何一方的情况下,使整个水务的运移动信息2 0 2 4年3期2 9 1 行更加高效、便捷,同时更好地利用大量的数据,提升整个水利工程的效率、质量、效益,更好地满足客户的需求7。(1)全面分析管网,优化和改造管网通过显示整体供水管网的布局、规模、状况等虚拟空间数值,真实了解各个环节的设备状况、水资源状况,真实记载运营数据信息,对管网实行综合评估监控。整合企业现有的数据信息资源,根据实际状况开展多维智能数据分析,形成网络转型指导实施方案。(2)实时监控和增强自动巡检,提高供水设备的运行效率使用数字孪生技术,能把供水系统的所有实际部分的信息都同步地传送给一个虚拟机器人。这样就可以直观地看出设备的工作情况,从而对整个供水管道进行有效的监控。如果出现故障,其能立即向用户提出警告,通过智能故障分析算法来找出最优的解决方案。(3)通过实时数据分析,预测管网爆裂和泄漏的情况通过不断的动态监控,可以更好地了解整个城区的供水与使用情况。利用这些实时信息,可以通过供水分析模型来估算用水量和用水压力,从而更好地掌握城区供水的运营趋势,防止管道破裂或水流渗透。(4)使用智能分析技术,降低处理成本通过数字孪生体的智能实时分析功能,可以及时发现供水体系中可能存在的各种不良影响和矛盾冲突,并及时发出预警,为调度提供有效的解决方案,从而减少损失,缩短处理周期。(5)通过综合分析和评估,加强对水资源的循环利用通过数字孪生体技术,可以全面展示水的生产、处理及其他相关业务,从而有效整合各类核心指标数据。此外,可以通过多维度指标智能分析,实现多指标数据的同步监测,为企业管理者提供准确、可靠的决策依据8-9。图3图5分别为管网专题展示、管网运行压力分析、网格化抢维修人员调度示意图。图3 管网专题展示(电子版为彩图)图4 管网运行压力分析(电子版为彩图)图5 网格化抢维修人员调度(电子版为彩图)5 数字孪生在未来供水运行调度中的发展趋势尽管数字孪生技术已得到了普遍应用,但对其的深层次应用仍有待改善,如业务的拓展、模型的搭建以及其他相关挑战。因此,针对这一领域,有必要采取多种措施,以实现多种不同的功能,实现对城市供水的全面改造,并通过对动态的业务环境的分析及实时的监测,实现碳达峰、碳中和的目标。5.1 技术发展趋势通过利用最前沿的技术,如数字孪生,不仅能解决许多挑战,还能大大提升工作效率。这些前沿的技术不仅涉及信息的收集、处理和传输,还涉及人工神经网络、机器学习、自然语言处理、计算机网络以及其他各种复杂的应用领域。这些前沿技术和应用领域的结合,使工程建设和研究都更加高效和精确,可以带来更好的社会效益。随着时间的推移,这些因素也会不断改进,并在不断的实验、完善中持续进步。5.2 标准化趋势近年来,随着I S O,I E C,I S O/I E CJ T C 1,I E E E,全国信息技术标准化技术委员会,国家智能制造标准化总体组等国内外标准化组织和机构对数字孪生标准化的关注与推动,数字孪生概念与术语(I S O/I E CJ T C 1AW I5 6 1 8)、数字孪生应用案例(I S O/I E CJ T C 1AW I5 7 1 9)等多项数字孪生标准相继被提出并获得立项。未来,随着技术的发展,数字孪生的基本共识与关键技术标准也会迅速出台。以此为支撑,可以利用已有的数字孪生概念框架,结合核心的标准要求,构筑一套完整的数字孪生标准体系,并以此为指导,推进供水业务的健康发展。5.3 应用趋势近年来,利用虚拟技术来改善运营、生产、销售等方面的理念已经越来越普遍,且由于I o T技术、数据分析、人机交互等技术的发展以及各种行业的可视化技术的普遍应用,让企业得以构建更加精确、灵活的数字化仿真模型。随着“产品+服务”模式的推出,许多企业开始将商务活动与该模式紧密结合,且开始普遍使用数字孪生技术。尽管这种新兴方式尚未完全扩散,但其已经可以帮助企业更好地收集和分析各种重要的信息,且可以更好地洞察和解决潜移动信息2 9 2 2 0 2 4年3期在的挑战。鉴于目前大量存在的数据处理不当的现象,如果没有进行充分的数据关联、挖掘等深入的综合利用,就很难充分利用数据中隐含的价值。为充分利用数字孪生技术的优势,必须实现由基础到顶尖的数据连接,同时将各种生态环境的信息融合在一起。6 结语供水生产调度通过“原水制水供水配水用水”的数据监测体系,可以实时分析和预警供水动态数据,并及时发现异常情况,为调度管理人员提供全面的信息,以提升应急处置能力,确保供水的安全性和稳定性。通过打造城市供水数字孪生体,应用数字孪生技术对重点区域的生产运行状态进行多尺度、多物理量仿真,基于智能化的传感设备实时监控供水管道的流量、压力、水质、水厂及泵站的工作效率,全面感知、分析、诊断、预测区域供水运行状态。将数字孪生技术应用于供水运行调度管理,可以大大提升供水系统的安全性、有效性及经济性,让管控更加便捷、决策更加智慧。参考文献1戚 明 杰,赖 华.城 市 智 能 化 供 水 调 度 系 统 的 研 究 与 应 用J.自动化仪表,2 0 1 4(5):3 4-3 7.2梁乃明,方志刚,李荣跃,等.数字孪生实战:基于模型的数字化企业(MB E)M.北京:机械工业出版社,2 0 1 9.3陶飞,刘蔚然,张萌,等.数字孪生五维模型及十大领域应用J.计算机集成制造系统,2 0 1 9,2 5(1):1-1 8.4中国信息通 信研 究 院.数 字孪 生 城市 研究 报告(2 0 1 9年)R.2 0 1 9.5赛迪顾问.中国智能城市发展战略与策略研究(2 0 1 9)R.2 0 1 9.6黄梦龙.基于三维G I S的城市规划辅助决策技术研究J.测绘与空间地理信息,2 0 1 5,3 8(1 2):1 6 5-1 6 7.7马爱丽,曹梦宇,唐玮璇,等.基于智能井盖的物联网+市政一体化系统J.物联网技术,2 0 1 6,6(3):1 0 5-1 0 7.8冯振华,李濛,杨洋,等.新一代三维G I S关键技术研究与实践J.测绘与空间地理信息,2 0 1 7,4 0(z 1):8 5-8 7.9吴双利.城市供水管网水力模型校正技术研究D.青岛:青岛理工大学,2 0 1 1.(上接第2 8 5页)在云存储平台的测试界面,可以使用工具测试O p e n-S t a c k云存储的性能,包括吞吐量、延迟、稳定性等。通过使用漏洞扫描工具、安全审计工具和访问控制列表,可以测试和加强 安 全 性。通 过 模 拟 故 障 和 容 错 测 试,可 以 验 证O p e n S t a c k云存储在面对硬件或软件故障时的表现。最后,使用自动化测试框架,可以持续监测和测试O p e n S t a c k云存储的功能,以确保系统的可靠性和一致性。对管理员进行技术培训和能力提升,使其能更好地应对云存储平台的实施和维护过程中的技术挑战。采取完善的安全措施保护数据的机密性、完整性和可用性,包括数据加密、访问控制、备份恢复等。3 结语实施O p e n S t a c k是一个复杂的过程,本文利用开源虚拟化技术,构建虚拟化环境、提供资源隔离和管理虚拟机,根据具体情况制定了合适的策略和解决方案,以克服云存储平台可能面临的挑战。本文提出的基于虚拟资源自动化交付的云存储平台的设计与实现,利用了开源云存储平台,结合了开源虚拟化技术来设计云存储平台架构,并通过虚拟资源自动化交付的云存储平台实现了最后的测试。在后续的研究中,需要更加深入地积累技术知识和经验。参考文献1徐 强,熊 晓 娇.云 计 算 服 务 核 算:影 响、挑 战 与 改 进 思 路J.统计与信息论坛,2 0 2 3,3 8(8):1 4-2 7.2刘迪,樊匀.基于D o c k e r技术的私有云存储平台快速部署应用J.电脑知识与技术,2 0 2 3,1 9(2 1):7-9,1 4.3朱炜龙,徐胜超.开源云平台O p e n S t a c k的手动部署过程研究J.信息与电脑(理论版),2 0 2 3,3 5(9):6 9-7 1,7 5.4张喆.基于开源O p e n S t a c软件实现云平台系统的构建J.通信与信息技术,2 0 2 2(S 1):5 2-5 6.5张文煜,徐晓川,沈宇,等.考虑可聚合资源的虚拟电厂低碳联合交易优化策略研究J/O L.现代电力:1-1 42 0 2 3-1 0-2 4.HT T P S:D O I.OR G/1 0.1 9 7 2 5/J.C NK I.1 0 0 7-2 3 2 2.2 0 2 2.0 3 2 6.6高杨,马贺男,刘晓菲.云计算虚拟资源差分进化分配方法仿真J/O L.计 算 机 仿 真:1-62 0 2 3-1 0-2 4.h t t p:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/1 1.3 7 2 4.T P.2 0 2 3 0 7 1 3.1 1 5 8.0 0 2.h t m l.7翟易.云环境中基于多路径传输的虚拟网络资源优化系统的设计与实现D.南京:东南大学,2 0 2 2.8罗晓莉.云教材体系资源虚拟化框架设计方法研究J.传播与版权,2 0 2 3(1 7):4 4-4 6.移动信息