中国信通院&数字冰雹 共话《数字孪生打造城市地下智慧管网》

重点推文

中国信通院&数字冰雹

汇聚专家智慧，共话《数字孪生打造城市地下智慧管网》

▲《中国电信业》  2022年第10期

城市管网被形象的比喻为城市的“动脉”，是城市基础设施的重要组成部分，加强管网的智能化管理对城市发展意义重大。针对当前城市管网运维管理面临的问题和挑战，中国信息通信研究院产业与规划研究所 联合 数字冰雹，围绕 基于数字孪生技术的智慧管网建设，提出了建设思路、平台框架、应用场景和发展建议，共同发表了《数字孪生打造城市地下智慧管网》期刊论文，刊登于《中国电信业》2022年第10期。

以下为原文内容

引言

2022年5月10日，国务院办公厅印发《城市燃气管道等老化更新改造实施方案（2022—2025年）》，明确提出要“积极运用新设备、新技术、新工艺，系统开展城市燃气管道等老化更新改造”，同时强调要“同步推进数字化、网络化、智能化建设”，计划于2022年启动实施一批老化更新改造项目，在2025年底前基本完成城市燃气管道等老化更新改造任务。

当前，我国上世纪建设的老旧管网年久失修，集中进入更新改造期。一方面，城市地下管网具有隐蔽性、复杂性，为市政建设管理带来诸多挑战。另一方面，基于数字孪生技术，推动城市地下管网全生命周期可视、可测、可管，是智慧管网建设的重要方向。为规避城市地下管网爆发系统性安全风险，守护好“城市生命线”，基于数字孪生技术的智慧管网建设势在必行。

城市地下管网面临的主要问题

近年来，我国城市人口密度逐年上升，城市用水用气需求日益增长。国家统计局数据显示，截止2020年末，我国供水管道长度、城市排水管道长度、天然气管道长度增速分别为9.43%、7.93%和10.75%。由于多种历史原因，我国城市地下管网的管理水平相对滞后于城市发展需求，因管网引起的安全事故频发，给城市和市民安全带来较大隐患。

一是管网底数不完整

城市地下管网种类庞杂，包含供水、排水、燃气、供热、供电、通信、消防、广播电视、工业管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。早期城市基础设施建设缺乏对地下管网信息的系统化管理，地下管网数据未严格备案保存，管网材质、腐蚀程度、使用年限、运行状况等数据残缺不全。此外，由于缺乏综合规划与统筹管理，地下管网由各条线部门分散建设，管网资料分散在各建设单位，不能共享，极难形成城市级的地下管网信息全貌。鉴于地下管网家底不清、分布不明，城市更新改造中造成的旧有地下管线破损事故屡见不鲜。据统计，2021年全国地下管线事故中，管线破坏事故数量占比达78.64%。

二是运行状态难感知

当前，我国不少城市地下管网建于上世纪末，很多管网铺设了30余年，大量存在超期服务现象。受当时技术条件所限，城市地下管网信息化建设滞后，缺少必要的技防、物防手段。特别是一些老旧街区，部分管道年久失修，日常检测维护不到位，缺少管网运行状态监控，难以排查出潜在安全隐患，随着管线腐蚀老化，管网爆裂、路面沉陷等事故时有发生，给百姓生活带来诸多不便。同时，各类专业经营单位由于精准调度控制不足，也面临着管网质量管理和精细化运营的巨大挑战。

三是事故处置不及时

当前，我国城市地下管道规模巨大，仅排水管道总长度就超过70万公里，年久失修问题普遍存在，管道渗漏、腐蚀、开裂、沉降等问题得不到及时处理，致使漏失大量水资源、降低污水处理效率、影响城市排涝防洪等。2020年，全国城市和县城公共供水总量为693.19亿立方米，综合漏损率为13.26%。

基于数字孪生的智慧管网建设

（一）建设思路

城市管网被形象的比喻为城市的“动脉”，是城市基础设施的重要组成部分，加强管网的智能化管理对城市发展意义重大。随着物联网、云计算、工业互联网、AI等新一代信息技术不断发展，以及国家大数据战略的实施和发展数字经济进程的稳步推进，城市管网的发展与管理模式正在由“数字化”进入“智慧化”时代，数字孪生技术为管网运营管理提供了新的技术路径，成为一种实现数字世界与物理世界交互融合的有效手段，为管网的全生命周期管理提供了技术保障。

基于数字孪生技术的智慧管网建设，应在充分利用现有数字基础设施的基础上，帮助用户建立从基础数据、技术应用到业务决策的完整赋能，满足数据与技术的全面融合、管网态势实时感知可视、异常情况智能预警预判、应急处置自动分派、运行数据科学研判优化等业务闭环精细化管理的需要，实现“智能感知-智能预测-智能处置-智能考评-智能优化”。

（二）平台框架

基于数字孪生技术的智慧管网解决方案平台框架，分为：基础平台层、原始数据层、数字孪生平台层、应用赋能层和业务场景层。

图1 基于数字孪生的智慧管网平台框架

· 基础平台层：

为数字孪生智慧管网提供底层基础设施支撑，连通不同权属单位、不同应用平台系统资源。

· 原始数据层：

为数字孪生智慧管网提供海量原始数据资源，将处在不同部门、不同行业、不同系统、不同数据格式之间的海量数据融合和互用，深度挖掘数据资源。

· 数字孪生平台层：

提供数字孪生场景构建、API调用、数字孪生应用开发全流程工具链，为数字孪生智慧管网应用构建提供平台与技术支撑。

· 应用赋能层：

将数字孪生技术与业务流程紧密管理，建立“智能感知-智能预测-智能处置-智能考评-智能优化”的全流程一体化业务闭环。

· 应用场景层：

细分业务场景，紧密结合城市管网业务应用，让数字孪生融入业务，让数字孪生真正为业务应用提供科学决策支持。

（三）典型场景

1. 常态运营，管网全域态势监测

城市管网的运营管理涉及数据“广度”非凡，管网地域分布面积广、集群规模大、管网类型数量众多，涉及供水、排水、燃气、热力、供电、通信等多领域跨地域综合性业务，跨地域大规模管网常态化监测，是智慧管网平台的主要应用场景之一。

基于数字孪生的智慧管网平台，作为行业智能化建设的最终应用，能够最大限度地整合现有数字基础设施的建设成果，如各部门、各业务系统、数据平台、视频监控、物联感知设备、AI智能应用、分析模型等，建立统一的管网数据综合管理中心，实现技术融合、业务融合、数据融合，使其发挥更大效能。

同时，基于数字孪生技术，能够以三维地理信息系统为底座，实现大规模管网整体分布到局部管廊的三维展示；并能够集成管网运行多源数据，对各类管网的地上地下分布态势、坐标、走向、管网实时运行情况、管廊管线健康状态、部件工况等信息进行实时监测分析，管网“点、线、面”运营管理全域、全程可视，辅助用户高效掌握大规模管网运行态势，由被动化管理向主动化、智能化管理转变，有效提升管网安全管理水平。

图2 数字孪生管廊运行监测

2.事前预警，异常事件智能感知

及时获取管网运行数据，并对管网异常状况进行科学预判、及时预警，是智慧管网建设过程中关键的一环，也是用户最关心的应用场景之一。

基于数字孪生的智慧管网平台，通过融合人工智能、物联感知等底层技术平台和分析模型算法，基于管网实时、历史运行数据，能够建立风险安全评估模型和分级预警机制，对管网运行负荷、溢流、温度突变、堵塞以及恶劣天气等方面数据指标进行智能化地分析预判，并对异常态势进行分级预警告警，精准定位异常点位，辅助用户及时发现安全隐患，有效提升异常事件的处置效能，同时也为用户开展应急演练模拟提供支撑。推动管网监管从“被动服务”“事后处置”“全靠人力”转变为“主动发现”“事前预警”“智能管理”。

3.事件处置，精准高效协同指挥

在全域数据融合和数据智能研判的基础上，基于数字孪生的智慧管网平台，通过集成智能巡检、视频监控、通讯系统、视频会议、图像传输等应用功能，对原有事件接报、事件指派、应急处置等工作流程进行优化。

图3 数字孪生管网智能感知

基于数字孪生场景，能够直观展示管网运行环境、应急资源、现场视频等要素态势，自动定位管网故障/异常点位，并实时展现上报事件的来源、类型、所属区域、负责人、事件当前所处状态等信息；同时智能化指派责任主体进行处置，并可对事件处置的工单流转情况进行实时查看，查询处理人员、业务承载量、工单进度、预计完成时间等详细信息；自动生成事件报告供复盘分析，减少了“事件接报”到“事件处置”的中间环节，实现多源事件智能感知、工单指令精准下发、处置进度实时跟踪、事件办结智能评估的全流程可视、可追溯，有效提升事件处置效能。

图4 工单流转智能查看

4.管网规划，科学分析智能优化

管网的规划建设，是一项庞大复杂的系统工程，基于数字孪生的智慧管网平台，以三维城市底座为基础，能够对城市地形、工业、商业、居住区分布以及大规模管网分布等情况进行真实直观复现；并结合一系列专业的业务决策分析模型、算法，对城市管网建设情况、供需情况等运行指标进行全生命周期的监测和分析，对当前状态进行评估、对过去发生问题进行诊断、对未来趋势进行预测，深度挖掘城市发展内在规律。既可对管网建设方案进行可视化模拟分析，有效降低试错成本，还可为解决跨地域、跨部门协同管理决策的难题提供有效途径。

图5 数字孪生管网 建设规划模拟

发展建议

一是探索管长制度，加强统筹管理

以市（县）政府为主体，充分借鉴“河湖长制”经验，探索建立“城市管长制”，全面推动城市地下管网现状调查、统筹规划、施工改造、隐患排查、资金投入、监督管理等工作。研究制定地下管网管理相关条例与法规政策，理清各层级、各部门、各主体权责关系，逐步将“城市管长制”纳入各级政府部门及相关单位绩效考核体系。本着“聚焦重点、安全第一”的原则，优先对燃气、排水等安全隐患突出的管道及设施进行改造，明确项目清单和分年度改造计划。

二是尽快摸清家底，建好数字档案

加快开展城市地下管网普查工作，全面掌握管线类型、数量、分布、结构、材质、服务年限等信息。鼓励有条件的地区，运用数字孪生技术，建设城市地下管网可视化管理平台，与市政基础设施综合管理信息平台、城市信息模型（CIM）平台等深度融合，将管网口径、材质、埋设深度、线路走向、施工维修等信息统一录入，实现地下管网数据资源动态更新、规范管理和资源共享。

三是推动孪生改造，开展精细运营

结合城市更新、老旧小区改造等，科学部署城市地下管网感知设备，有针对性地对温度、液位、压力、流量等“生命体征”进行实时监测，精准识别安全隐患，提升风险预测、事故预警与应急处置能力。因地制宜推进基于智能化、绿色化城市综合管廊建设，运用数字孪生和城市信息模型技术，建设地下管廊综合管控平台，开展管网孪生模型模拟仿真应用，提高城市管网规划设计、建造施工、运行监测、管理决策等生命周期智慧化管理能力。

作者简介

张佳宁

中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部信息化咨询工程师。主要从事数字政府、智慧城市、数字孪生等领域的政策、行业研究和咨询工作。

丁冬

北京数字冰雹信息技术有限公司 联合创始人、副总经理，中国图形图像学会可视化与可视分析专委会委员。2006年起从事可视化、数字孪生解决方案、行业应用的研究实施。