数字孪生技术在智慧供水建设中的实践探索

张亚丽

本文从供水系统发展现状分析，结合当前新技术发展的趋势，详细阐述数字孪生技术在城市供水源水管理、供水管理和污水处理环节的具体应用，数字孪生是数字化转型的重要技术手段，是保障供水安全、促进提质增效、消除事故隐患、实现智能决策的新型城市供水创新管理模式，助力城市供水系统高质量发展，推动城市向碳达峰碳中和目标迈进。

一、前言

水是城市得以生存和发展的根本要素，保障供水系统安全、高效，是城市高质量发展的必经之路，也是完成碳达峰碳中和任务的必然选择。随着 “云数物智生”（全称：云计算、大数据、物联网、人工智能、数字孪生）技术的发展和广泛应用，在智慧城市和智慧水务系统建设的大背景下，推进城市供水向数智化转型，充分利用数字孪生技术构建数字孪生体，透视供水管网、精准定位问题点位、并通过智能分析、获得最佳解决方案；在虚拟空间中模拟完成多种工艺流程实验，并优选出最佳工艺；充分利用数据价值的挖掘，实现服务效能整合与提升、加强资源整合与共享，实现能耗双控，科学决策的目标，提高城市供水管理效率，推动城市的高质量发展。

二、发展现状

伴随城市化进程不断加速，供水形势愈发严峻。一方面，城市规模不断扩张，供水管网越来越庞大密集；供水管网年久老化，漏损率逐年升高；建设周期长资料不完整，增加巡查改造难度；树枝状管网存在，频繁发生爆管和断水事故。诸如此类问题的存在，无法保障城市供水安全稳定和“十四五”供水保障任务的完成。另一方面，伴随供水信息化的不断推进，产生了海量数据，采用传统数据管理和处理方式显然不能满足城市发展的需要，存在数据价值利用低效的问题。解决当前水务工作困境，构建基于数字孪生技术的智慧供水系统的将成为技术创新的风向标。

2 0 2 2年1月，国家发改委、水利部联合印发《“十四五”水安全保障规划》中提出“加强智慧水利建设，提升数字化网络化智能化水平”；2021年12月，工信部等八部门联合发布了《“十四五”智能制造发展规划》，数字孪生被提及7次；随着数字孪生技术的日益成熟，国家和地方政府纷纷将其纳入智慧城市顶层设计框架。借助数字孪生技术，构建供水系统数字孪生体，直观展示供水设施、管网分布、供水设备运行的实时数据，实现设备整体监控、集中管理，形成以数据收集、处理、分析、共享与利用全生命周期管理的新模式，为供水系统运行管理中各个业务条线的未来态势响应和决策过程的敏捷化和智能化提供技术支持。

三、应用探索

基于數字孪生技术的智慧供水系统是智慧水务建设的新高度，实现城市的源水、供水、污水处理等水务全流程、可视化管理，挖掘数据价值和逻辑关系，实现供水数据资源化、管理精准化、决策智慧化，保障供水系统安全高效。

数字孪生是实现数字世界与物理世界交互融合的最佳途径，通过数字孪生技术，实现供水系统物理实体与数字孪生体平行发展、相互作用，通过实时通信和完全映射实现两者紧密结合，形成虚拟服务现实的新模式，确保城市供水更安全、更便捷、更高效。从供水环节的三个阶段入手，将数字孪生技术在智慧供水中的应用，分为源水管理、供水管理和污水管理三个方面。

（一）数字孪生在源水管理中的应用

数字孪生技术应用在源水管理环节，可以直观全景展现水源地分布情况、实时监测水质指标以及通过数字模拟试验提高制水工艺改进。

1.清晰展现水源全景，推动水源保护和利用

供水安全的首要任务是水源地安全保障，通过虚拟空间的数字呈现，可全面了解水源地水体及周边保护区内水生态安全和风险源情况，实现对水源保护区的实时监测，水源地分布整体展示，便于水资源开发利用的整体统筹，提高水资源供给能力。

2.实时监测制水设备，保障供水安全和达标

数字孪生体，可以实时显示水的浊度、PH值等技术指标值，让工作人员可以随时掌握水质变化情况，如果指标值出现异常，系统自动报警并自动调整制水工艺，提升制水过程监测和调控能力，确保水质达标。

3.虚拟空间模拟试验，提高改进效率和效果

数字孪生体完整立体展现水厂制水的生产工艺全过程，可视化展示不同工艺的水质情况，实现数据信息和流程融合、监测和管控融合，真实反映物理环境中工艺操作、控制操作的结果，快速选出最佳的工艺改进方案。

（二）数字孪生在供水管理中的应用

数字孪生技术应用在供水管理环节，可以将整个城市的地下管网进行空间立体呈现、供水设备动态监测、智能分析运行状态及时报警。

1.管网分布整体呈现，助力管网优化改造

实现对整个供水管网分布、范围、状态等虚拟空间数字呈现，实时掌握各个环节设备运行状态、水质情况，实时记录运行数据，对管网进行综合监测。融合各部门所有数据资源，结合现状进行多维智能分析，生成管网改造参考方案。

2.供水设备动态监测，增强设备自动巡检

数字孪生技术，将物理实体的运行数据同步传输到数字孪生体，清晰展现设备运行状态，更加精准地实现供水管网的监管，当发现运行异常时及时报警，完成自动巡检功能。系统通过智能故障分析算法，确定最佳维修方案并分派执行。

3.运行数据实时分析，预测管网爆管泄漏

动态监测全市管网运行状态、供水和用水情况，根据监测的实时数据和历史数据，运用供水分析模型对用水量、水压进行预测分析，实现运行态势感知、预测计算管网爆管、水管泄漏事故发生的概率，并快速发出警报。

（三）数字孪生在污水管理中的应用

数字孪生技术应用在污水管理环节，可以降低污水处理成本，提升污水处理效率，优化污水处理工艺，实现水资源循环利用，达到节水的目的。

1.工艺流程模拟试验，提高工艺改进的效率

利用数字孪生体支持生产工艺流程模拟的场景化应用，实现生产工艺流程运行的透明度，便于错误识别防止故障发生，并通过及时调整运行参数，实现提高工艺改进效率的目标。5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C

2.智能分析态势感知，降低处理成本和时间

利用数字孪生体的智能实时分析功能，感知污水处理中可能产生的不良影响、矛盾冲突，对潜在危险进行预警，提供切实可行的实施方案，不仅大大降低损失成本，也缩短了处理的周期。

3.辅助决策综合研判，增强水资源循环利用

利用数字孪生体详细展现污水处理和循环再利用的全部环节，实现多维度指标数据集中展现。通过多维度指标智能分析，实现多指标数据的并行监测，为管理者决策研判提供科学的数据支持。

四、应用效果

（一）动态监管，保障供水安全

保障供水安全，是城市供水必须实现的基本目标，基于数字孪生技术的智慧供水系统，提供从水源、供水用水以及污水处理的全过程监管，实时监测水质指标，通过建立对水源、管网、污水处理控制体系，实现水务工程及时、可靠、自动控制，确保供水安全。

（二）智能值守，促进提質增效

基于数字孪生技术的智慧供水系统，采用无人职守的智能化工作模式，实现用水准确计量，降低人员劳动强度；设备实时监测，发现问题及时报警，通过保护性维护保养降低维修成本；漏损精准定位，提高设备维修效率。

（三）模拟演练，消除事故隐患

数字实验模拟演练，有效地规避物理实体试验难度大、成本高、危险性大的弊端，增强实验运行的透明度。通过模拟实验的过程，识别风险源、系统智能分析评估、制定应对方案消除事故隐患，满足安全生产的要求。

（四）数字技术，提高科学决策

提高科学决策的能力，以数据驱动，提供态势感知和趋势研判，实现“数据决策”；依靠智能算法从供水数据中萃取决策关键信息因子，快速生成决策备选方案。系统深入融合“云数物智生”技术，实行开放、交叉、融合的决策模式。

五、未来展望

虽然数字孪生技术在智慧供水系统中应用得到广泛认可，但是在深度融合应用方面，还存在，业务扩展和模型构建的匹配性等问题，因此，基于数字孪生的智慧供水系统，应开展多场景、多链条、多层次应用探索，重视动态业务场景构建，为城市供水提供更加简易、可视、智能的管理工具，助力城市供水系统的创新和高质量发展，推动城市向着碳达峰碳中和的任务目标迈进。

作者单位：天津卓朗科技发展有限公司5FE5C660-BFE0-4C6F-8170-AB621C70AB2C