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【论文分享】基于数字孪生的地下管网生态管理探索实践 ——以杭州市临平区东湖街道为例

admin 2023-8-24 07:54:30 31799

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【摘要】地下管网是城市的生命线,对城市的安全序运行具有重要意义。本文结合杭州市临平区东湖街道城市地下管网管理难点,依据目前国内城市最新的管理理念和模式,开展数字化管理实践。实践中充分利用数字孪生技术,打造数字孪生底座平,在此基础上,通过全方位汇聚数据、全流程综合治理、多领域优化服务,提升城市地下管网智慧治理现代化水平。


【关键词】地下管网 ;数字孪生技术 ;数字化 ;全生命周期管理




1. 前言

近年来,国内部分城市发生了燃气泄漏爆炸、积水内涝、道路塌陷等突发事件,严重影响了人民群众的生命财产安全和城市生命线的安全运行。为进一步加强城市地下管网的规划、建设、管理,《住房和城乡建设部关于加强城市地下市政基础设施建设的指导意见》(建城〔2020〕111 号)、《浙江省数字化改革总体方案》(浙委改发〔2021〕2 号)等文件,要求“运用第五代移动通信技术、物联网、人工智能、大数据、云计算等技术,提升城市地下市政基础设施数字化、智能化水平”,从摸清底数、科学布局、提标改造、系统提升、规范管理等方面推进城市地下管网建设,建立地下管网数字化生态管理系统。


2. 地下管网管理难点

随着城市化快速推进,杭州市临平区地下管网体量每年上升超过 11%,地下“毛细血管”日益错综复杂。为推进地下管网数字化管理,该区以工业重镇东湖街道作为试点,划定 75 平方公里试点范围,探索建立地下管网数字化管理体系。管网管理难题如下 :

(1)地域面积大,管线数据庞杂。试点范围内拥有河道 118 条、总长 198 公里,雨污管网长达 497 公里,雨污井 12 万余个。地下管网包含燃气、雨水、污水、电力、给水、泵站等多种类型,数据庞大复杂,且分散在各个部门,在纳入东湖统一管理过程中,存在底账不清、数据缺失、查阅困难、管段与周边管网关系不明确等问题[1]。


(2)权属单位多,标准不统一。管网管理工作涉及的部门众多,包含管线权属单位、建设单位、管理部门等,各部门在实际工作中“各管各线”,数据采集、入库标准不同,数据资料较为混乱。


(3)更新维护工作量大。城市不断建设发展,地下管线亦在持续更新,在城市建设、运营、管理过程中会新增大量管线数据,加工处理量大,维护成本较高。


3. 数字孪生与地下管网

数字孪生是赋能智慧城市建设的创新引领性技术,其运用到城市中,即在城市建筑信息模型(CIM)的基础上,利用物联网技术把物理城市的人、物、事件及各类要素数字化,在网络空间里再造一个与之完全对应的“虚拟城市”,形成物理维实体城市和虚拟数字城市的同生共存、虚实交融[2]。数字孪生若运用到地下管网管理中,则具备如下特征 :


管网实体的精准映射。数字孪生是现实世界的数字克隆体,因此地下管网的数字孪生需精准映射现实管线信息,在虚拟空间中搭建管网模型,并确管网及其附属设施信息与现实世界的一一对应。


管网运行的实时感知。物联网是支撑数字孪生的重要技术之一,它可以汇聚物理世界的实时运行信息,帮助洞察城市运行态势。通过安装在城市地下管网中的传感器,实时监测管网运行情况,实现感知异常、提前预警,促进对各类突发事件的及时有效处置。


管网管理的智能决策。数字孪生的核心能力包含模拟仿真、分析挖掘。在地下管网管理的全生命周期中,可以运用数字孪生的模拟仿真与分析能力,通过全面、精准的分析计算,预演管线各阶段情况,促进尽早发现可能出现的问题与危险,以未来视角对地下管网的建设发展进行智能干预,辅助相关单位的科学决策[3]。


4. 地下管网生态管理的实践

东湖街道利用数字孪生技术推进地下管网闭环管理,通过构建城市地下数据资源库、推进业务重构与流程再造、完善信息化平台,实现了地下空间数据全要素归集、全方面运用、全流程治理、多触角监测,助力提升地下空间治理能力和治理现代化水平。


4.1 基于数字孪生底座平台

以数字孪生技术为依托,以“数字孪生”镜像为实现方式,在城市数字孪生管道燃气安全平台的基础上,迭代更新城市管理数字化平台,将城市运维信息纳入系统管理,采用以“1+N+4+1”的模式打通部门交互环节,形成综合型系统。“1”即1 个数字孪生系统,“N”为多个行业部门的数据接入,“4”是根据应用对象与场景,分为应用场景页面控制中心、PC 端应用场景页面、现场工作人员应用场景页面、数字政府场景页面,“1”是建立一个样板工程,推进城市管网管理智慧化、治理精细化、服务人性化,为杭州乃至全国建设数字孪生城市积累可复制推广的先进经验。


4.2 全方位汇聚数据,构建地下管网数字化综合场景

(1)数据归集,形成数字档案。构建城市地下管网“一件事”, 以多维、多源、多态数据为基础,以统一标准规范为依据,以海量智能算法为支撑,通过“基础数据 +实时运行 + 智能监控”模式,形成集雨水、污水、弱电、泵站等管网于一体的综合性电子档案,助力精准发现问题、对接需求、研判形势、预防风险。转变“信息孤岛”理念,按照跨部门多业务协同思路,全面梳理区水务集团、供电公司、港华燃气以及住建局、综合行政执法局、镇街等部门提供的管网及设计规范数据,结合统一地名、地址库,将新建管网、传感器以及应用系统,全部纳入“地下管网数字化生态系统”应用场景。目前已归集 11 个部门近 2.3 亿条数据,有效支撑核心业务。


(2)技术赋能,实现一网统管。紧盯新建市政地下管线项目及未来规划,始终坚持数字化改革理念,分筛采用 IOT、CIM、数据库等贴合性较强的技术应用,依托北斗、5G、IC( 集成电路 ) 数字芯片技术建立地下管网大数据云平台,配对智能硬件,实行“一网统管”。


(3)流程重塑,构建工作闭环。应用地下管网数字孪生系统驾驶舱,推进全生命周期管理,统筹地下管网“数据监测 - 研判分析 - 任务分解 - 数据反哺”子功能,形成“实时监管 - 自动预警 - 自动派单 - 及时反馈 - 监管考核”全流程闭环管理机制,实现城市风险自动发现、城市运行规律主动洞察、运维养护过程追踪回溯、决策分析仿真推演、要素资源高效配置。


4.3 全流程综合治理,强化地下管网运行安全

(1)改变巡查方式,实现“点线巡查”向“长效管理”转化。管网运维中人机协同,依托地下管网数字化孪生系统,通过系统数据可主动发现、准确定位地下管网堵塞、溢流、高负荷运行等问题,诊断问题成因,就近调动移动技术设备车辆,高质量实现定位识别、精准修复,大幅缩减时间与施工成本,做到“修必准、准必快”。2021 年 3 月,新天路大开挖工程在该系统的助力下,整体成本和施工时间由 100 多万元 20 多天缩减至65万元3天,推动经济效益、社会效益双丰收。


(2)改变预警方式,实现“事后响应”向“事前预警”提升。利用地下管网内设置的传感设备,对排水、供水、燃气管网等生命线进行实时监测,敏捷掌控各类突发事件,并根据不同的问题类型、等级、所需费用等快速确定处置方案。在污水治理期间,监测各污水泵站的实时液位、流量、机组运行状态,自动感应、自动推送、协调处理各站点运行及作业人员工作情况,通过远程调控实现水量平衡,防止污水满溢。


目前,累计发现并处置相关问题 1246个。2021 年汛期及台风“烟花”期间,该区以地下管网高程信息为依据,通过水文水动力模型推算降雨量,结合管网及井盖端的液位器,实时报警水位水量,为防汛作战部提供决策参考。


(3)改变统筹方式,实现“末端治理”向“综合管理”深化。发挥数字档案优势,实时记录、监测、更新地下管网管线规格、建设施工、数字芯片植入、竣工验收全过程,形成大数据库。通过端口即时传输至规划、住建、城管、水务、管线运维等部门,实现资源共享、行动升级。目前,东湖街道地下管网数字孪生系统已建立横向联动各职能部门,纵向贯通街道、村 ( 社区 ) 的管理体系,整合相关系统 5 个,涉及 14 个部门和 150 余家企业,实现数据录入、施工审批、项目建设、运维管理、档案查询等基层治理“一步到位”。


4.4 多领域优化服务,提升地下管网应用效能

(1)实现用户办事“最多跑一次”。地下管网数字化变革之前,纳管施工单位在处理污水满溢、道路积水、管道修复等工作时,需要查阅道路管网档案,再由工作人员现场放样比对,整个审批流程历时 5个工作日才能全部完成。目前,地下管网数字化管理系统已上架至“浙里办”服务端,施工审批、项目建设、档案查询等日常业务“网上可办”,纳管施工单位 5 分钟内便能获取管道位置、标高、管径、流向等信息。


(2)实现技术修复“最多修一次”。通过应用场景及数据模型,建设前开展模拟建造,做好风险预测,规避实际风险 ;建设中可以做好对工程项目从质量、安全、绿色施工、进度等方面的数字化动态监管,避免重复施工。如地铁九号线荷禹路段管线迁改项目施工过程中,提前发现原有图纸的管线位置偏差及管道流向错误,港华燃气、水务集团、供电公司、四大运营商依托平台,及时做好燃气、给水、弱电、雨水、污水等管线的衔接,提升了开挖建设安全性,减少了工程变更。


5. 结语

数字孪生的实现需要构建精准模型、融合全要素数据、全面感知物理实体、实时信息交互和按需智能服务。东湖街道在实践中积极运用数字孪生技术,实现了地下管网数据的深度融合与数字化治理,借助物联传感设备,精准把握地下管网运行脉搏,通过信息化平台,实现管线运维精准高效、决策分析有据可依。打造了贯穿地下管网规划设计、综合审批、施工建设、运维养护全流程的生态治理体系,让隐蔽的地下管网管理暴露在阳光下,汇聚至系统平台里。在推进城市治理数字化转型方面是一次重要的探索创新,可为地下管网管理提供有益借鉴,为其他领域的智慧化应用积累经验,为构建城市治理现代化体系增添助力。



【参考文献】

[1] 东湖街道 :全面探索城市治理数字化转型之路 [EB/OL]. [2020-9-5].http://www.rmlt.com.cn/2020/0905/592378.shtml

[2] 李德仁.数字孪生城市 智慧城市建设的新高度[J].中国勘察设计,2020(10):13-14.

[3] 李沛欣,王一超.数字孪生赋能市政管线搬迁,[J],上海信息化,2021(3):16 - 18.




文|

杭州市临平区东湖街道城市管理办公室 范愈迅 ;杭州市临平区住房和城乡建设局 胡茂伟 ;浙江越歌科技有限公司 庞璐渲



文章来源:《中国建设信息化》杂志



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84 回复

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筑境
2023-8-23 19:53:46
帮助顶上去!
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gdpppw1
2023-8-24 02:34:40
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