一、建設(shè)背景
數(shù)字孿生流域建設(shè)是落實(shí)中央部署，適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展和強(qiáng)化流域治理的迫切要求。徐州市銅山區(qū)因山丘眾多、排水管網(wǎng)老化易受澇，根據(jù)水利部相關(guān)通知，區(qū)水務(wù)局與江蘇禹治流域管理技術(shù)研究院合作，實(shí)施銅山區(qū)數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)建設(shè)先行先試任務(wù)。雙方致力于打破傳統(tǒng)粗放式、依賴人工經(jīng)驗(yàn)的工程調(diào)度方式，通過構(gòu)建銅山數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)，提升水利水務(wù)管理的智慧化水平，強(qiáng)化城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策調(diào)度能力，確保城區(qū)排水順暢，有效應(yīng)對洪澇災(zāi)害，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，推動(dòng)區(qū)域水務(wù)管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。
二、建設(shè)內(nèi)容
數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)融合大數(shù)據(jù)、AI、數(shù)字孿生技術(shù)，與水務(wù)、防洪排澇業(yè)務(wù)結(jié)合，建立銅山區(qū)水利、排水管網(wǎng)等設(shè)施電子化臺(tái)賬。全面感知城市降雨、積水等信息，構(gòu)建管網(wǎng)-河網(wǎng)、洪水預(yù)報(bào)、內(nèi)澇積水模型，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)河道水位、流量及地面積水情況。自主報(bào)警，動(dòng)態(tài)調(diào)度水利工程、隊(duì)伍、物資和排水設(shè)施，搶險(xiǎn)處置積水路段，科學(xué)調(diào)度管控重點(diǎn)河道及水庫的水閘、泵站等，提升防洪排澇效率。
1、總體架構(gòu)
數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)架構(gòu)模型采用組件化的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，使應(yīng)用組件具有預(yù)制性、封裝性、透明性、互操作性、通用性等特征，便于快速地組裝成新的應(yīng)用。體系建立在業(yè)務(wù)應(yīng)用層之上。業(yè)務(wù)應(yīng)用層為上層提供數(shù)據(jù)資源與應(yīng)用資源，它包括傳統(tǒng)的封閉的應(yīng)用系統(tǒng)，已經(jīng)打包好應(yīng)用程序及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)倉庫、文件系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)等。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
2、系統(tǒng)和平臺(tái)
數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)以感知網(wǎng)、信息網(wǎng)、云資源等為基礎(chǔ)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等技術(shù)，以物理流域、水利工程或水網(wǎng)為單元、多維時(shí)空數(shù)據(jù)為底板、模型為核心、知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，對水利對象全要素和管理活動(dòng)全過程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬，支撐實(shí)現(xiàn)防洪排澇、水資源管理與調(diào)配。
數(shù)字孿生可視化采用DTS高渲染平臺(tái)，含Explorer、Cloud等四軟件，提供從數(shù)據(jù)到三維呈現(xiàn)的無插件、跨平臺(tái)解決方案。平臺(tái)性能卓越，效果優(yōu)異，用戶體驗(yàn)佳，涵蓋數(shù)據(jù)處理、場景整合、云服務(wù)發(fā)布等，滿足各行業(yè)應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)極致易用性。
系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，將應(yīng)用程序劃分為協(xié)調(diào)配合的小服務(wù)，各服務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，通過RESTful API輕量級通信。服務(wù)圍繞具體業(yè)務(wù)構(gòu)建，可獨(dú)立部署至不同環(huán)境。針對特定服務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)選擇合適的語言和工具進(jìn)行構(gòu)建。
綜合業(yè)務(wù)平臺(tái)采用前后端分離與跨平臺(tái)體驗(yàn)技術(shù)，基于WebService的SOA設(shè)計(jì)，融合空間分析、信息智能關(guān)聯(lián)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估、智能感知、應(yīng)急輔助決策及異構(gòu)數(shù)據(jù)整合共享等關(guān)鍵技術(shù)。利用現(xiàn)有信息化成果，服務(wù)識(shí)別與封裝實(shí)現(xiàn)資源重用，通過SOA平臺(tái)集成。新建系統(tǒng)遵循自頂向下原則，以服務(wù)為核心開發(fā)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)組合與編排。
3、典型應(yīng)用場景
3.1排水設(shè)施一張圖
管網(wǎng)、檢查井、水閘、泵站、污水處理廠、排污口、河道及附屬設(shè)施等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依照通用性、先進(jìn)性、唯一性和安全性等原則進(jìn)行融合建庫，形成排水基礎(chǔ)設(shè)施要素全覆蓋的數(shù)據(jù)庫。
圖2 排水設(shè)施一張圖
3.2智能調(diào)度和控制
通過智慧排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和決策支持功能，對城市排水管網(wǎng)進(jìn)行智能調(diào)度和控制。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)測模型，調(diào)整排水泵站的工作狀態(tài)和排水管網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，以最大限度地減少內(nèi)澇積水情況。
圖3 內(nèi)澇積水預(yù)報(bào)
圖4 基于數(shù)字孿生的閘站遠(yuǎn)程控制
圖5 排水管網(wǎng)排水仿真模擬
3.3智能調(diào)度和優(yōu)化
通過大數(shù)據(jù)分析和模型優(yōu)化，對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)度和優(yōu)化。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測情況，優(yōu)化排水泵站的運(yùn)行策略和排水管網(wǎng)的布局，提高排水系統(tǒng)的效率和抗洪能力，降低內(nèi)澇積水的發(fā)生頻率和影響范圍。
圖6 城市暴雨洪澇物理過程
3.4城區(qū)防洪指揮
結(jié)合業(yè)務(wù)需求，建立調(diào)度態(tài)勢大屏信息服務(wù)。基于數(shù)字孿生平臺(tái)，構(gòu)建預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的調(diào)度態(tài)勢大屏，利用三維可視化技術(shù)搭建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)板上看，業(yè)務(wù)隨時(shí)處理。
圖7 城區(qū)防洪指揮平臺(tái)
圖8 閘站運(yùn)行監(jiān)控與孿生效果
三、創(chuàng)新亮點(diǎn)
數(shù)字孿生城區(qū)智慧排水系統(tǒng)對標(biāo)國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，全面摸清排水系統(tǒng)底賬，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，結(jié)合已建數(shù)據(jù)中臺(tái)、應(yīng)用中臺(tái)，實(shí)現(xiàn)排水全過程信息化、數(shù)字化管理。重點(diǎn)開展“五個(gè)一”建設(shè)：一套標(biāo)準(zhǔn)體系、一張物聯(lián)感知網(wǎng)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫、一張綜合信息圖、一個(gè)智慧管理平臺(tái)。該系統(tǒng)具備“五化”特征：感知物聯(lián)化、設(shè)施數(shù)字化、數(shù)據(jù)可視化、運(yùn)維信息化、決策智慧化。通過整合多源數(shù)據(jù)，模擬和優(yōu)化城市排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測和管理。建設(shè)排水管理業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同與業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，為銅山區(qū)排水管理部門提供“排水設(shè)施全覆蓋管理”工具和“排水一張圖”服務(wù)，助力水務(wù)管理決策科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平的提升。
采用了數(shù)字孿生技術(shù)、高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)建立城市的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了城市地形和排水系統(tǒng)的準(zhǔn)確描述。
接入了實(shí)時(shí)管道液位流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、河道水位、降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，引入氣象數(shù)據(jù)，通過與城市內(nèi)澇模型的耦合，實(shí)現(xiàn)了對防汛排澇實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)報(bào)。
管理模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)源-管-站-廠-口-河排水運(yùn)營全流程一體化管理，多部門多層級閉環(huán)管理、排水監(jiān)督考核透明化。
注重用戶參與和互動(dòng)服務(wù)，通過手機(jī)應(yīng)用程序、網(wǎng)站等渠道，向居民提供實(shí)時(shí)的排水信息、問題報(bào)告和反饋通道。這種互動(dòng)服務(wù)可以提高居民對排水系統(tǒng)的參與度和滿意度，促進(jìn)公眾與政府部門之間的互動(dòng)和合作。
防洪排澇四預(yù)：充分利用防汛、治澇的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的“四預(yù)”能力，為銅山區(qū)防汛、內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)指揮調(diào)度及提供全面的信息化支撐，減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并保障排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
基于水務(wù)數(shù)據(jù)倉庫和支撐平臺(tái)，構(gòu)建多業(yè)務(wù)主題系統(tǒng)，深度融合云、大數(shù)據(jù)、AI、GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同，按需擴(kuò)展主題，提升水務(wù)管理、決策與服務(wù)的科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平。
四、推廣價(jià)值
1、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益
智慧排水應(yīng)用管理系統(tǒng)通過提升預(yù)警效果、優(yōu)化決策支持、調(diào)控水利工程、排水系統(tǒng)和減輕水災(zāi)害等方面的綜合效果體現(xiàn)。它為城市防洪排澇防控提供了科學(xué)和有效的手段，提高了城市的防災(zāi)減災(zāi)能力，保障了人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。
1.1預(yù)警效果提升
防洪排澇四預(yù)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析降雨情況、水位變化和排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)，能夠提前發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。這使得相關(guān)部門和居民能夠提前做好應(yīng)對措施，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
1.2決策支持優(yōu)化
防洪排澇四預(yù)系統(tǒng)通過模擬和預(yù)測內(nèi)澇發(fā)生的可能性和程度，為相關(guān)部門和決策者提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。基于系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)結(jié)果，決策者能夠及時(shí)制定和調(diào)整內(nèi)澇防控策略，提高應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理的效果。
1.3水利工程、排水系統(tǒng)調(diào)控
防洪排澇四預(yù)系統(tǒng)通過模擬和優(yōu)化水利工程、排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控排水設(shè)施的開啟和關(guān)閉，以適應(yīng)降雨變化和內(nèi)澇需求。這使得排水系統(tǒng)能夠更加高效地排除積水，減輕內(nèi)澇災(zāi)害的影響。
1.4數(shù)據(jù)中臺(tái)
按照“大系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分應(yīng)用建設(shè)、模塊化配置”的建設(shè)思路，實(shí)現(xiàn)讓數(shù)據(jù)說話、憑數(shù)據(jù)決策。對數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、分析能力進(jìn)行系統(tǒng)化整理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、組件、能力的復(fù)用，消除技術(shù)壁壘，提高服務(wù)效率。
1.5業(yè)務(wù)可視
利用數(shù)字孿生技術(shù)打破數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)隔離困局，讓使用者能夠?qū)χ腔叟潘畱?yīng)用管理看得見、看得懂、看得透、看得遠(yuǎn)。所有基礎(chǔ)設(shè)施、在線監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警結(jié)果、預(yù)演仿真效果、預(yù)案執(zhí)行結(jié)果都基于數(shù)字孿生平臺(tái)以虛映實(shí)、以虛預(yù)實(shí)、以虛優(yōu)實(shí)，在不斷地優(yōu)化過程中逐步達(dá)到虛實(shí)共生的目標(biāo)。
2、標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施路徑
遵循水利、排水等多領(lǐng)域國家及地方標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，通過項(xiàng)目的實(shí)踐，從技術(shù)、管理、場景多維度構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)圖譜。
與氣象、交通等部門建立協(xié)同機(jī)制，建立統(tǒng)一的具有大數(shù)據(jù)組件庫的數(shù)據(jù)資源池；以資源池為基礎(chǔ)應(yīng)用，建設(shè)具備數(shù)據(jù)匯聚、治理、分析、挖掘、應(yīng)用、維護(hù)與可擴(kuò)展能力的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)。
數(shù)據(jù)資源池總量超億條，周更新百萬條。專題庫覆蓋水情、雨情、防汛、水資源、河長制、灌區(qū)、城市供水、水利及排水設(shè)施管理等多個(gè)主題。設(shè)置形成包含所涉及河流、部門機(jī)構(gòu)、排水管網(wǎng)、泵閘站、水量監(jiān)測斷面等綜合信息的代碼表，以賬冊化形式開展數(shù)據(jù)管理。
數(shù)據(jù)中心平臺(tái)對資源池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集約化抽取、采集、治理、匯集、分類、管控等處理，為業(yè)務(wù)應(yīng)用體系提供治理后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與主題數(shù)據(jù)。
3、智慧排水應(yīng)用管理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與發(fā)展建議
智慧排水應(yīng)用管理需全面規(guī)劃整合現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，確保各環(huán)節(jié)互聯(lián)互通?？绮块T合作共享資源，建立協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提高管理效率。運(yùn)營中應(yīng)持續(xù)監(jiān)測改進(jìn)，確保項(xiàng)目卓越運(yùn)行。同時(shí)，智慧排水應(yīng)用管理應(yīng)與智慧城市融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。系統(tǒng)建設(shè)需注重大系統(tǒng)小應(yīng)用，使底層、工具層管理使用更可視化、友好便捷。針對具體業(yè)務(wù)構(gòu)建針對性強(qiáng)、操作簡便、直觀可視的“小應(yīng)用”，快速支撐調(diào)用，提升業(yè)務(wù)效率。
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