基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计与应用探索.pdf
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1、人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45,Sup.1Jun.,2023收稿日期:2022-09-28作者简介:胡斯曼(1995),女,湖北鄂州人,工程师,硕士,研究方向为水利信息化通信作者:陈小平(1979),男,湖北武汉人,高级工程师,博士,研究方向为水利信息化E-mail:基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计与应用探索胡斯曼1,陈小平1,2,李永蓉1,张振萍1,龚长凌1(1.武汉长江科创科技发展有限公司,湖北 武汉 430010;2.长江水利委员会 长江科学院,湖北 武汉 430010)摘要:城市水环境管理能力对构建人水和谐的美丽城市有直接影响。针对目前
2、水环境管理系统中存在的数据共享能力不足、预测预警机制不完善、管理过程不完善等问题,设计基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架,围绕城市水环境管理常见业务范围,开发城市水环境管理业务应用,实现城市水环境监测、诊断、分析、预测和决策全过程闭合管理,以期为城市水环境管理提供更加科学化、精细化的有力支撑。关键词:城市水环境管理;数字孪生;系统框架;业务应用中图分类号:X321文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.1001引言近年来,随着城市化进程的不断推进,工业迅猛发展,污水排放量不断增加,人口城市迁移频率加快,使城市水资源负荷加大、水资源供需矛盾突
3、出。同时,城市水体大多为静止或流动性差的封闭型浅型水体,具有水环境容量小、水体自净能力弱、易污染等特点1,对城市水环境治理带来了巨大挑战。随着数字技术、信息技术的不断发展,水环境信息化系统的建设为城市水环境管理提供了高效的技术支持,一定程度上提高了城市水环境管理效率,但现阶段水环境信息化系统功能存在数据处理能力不足、预见性不足、应急响应不及时等问题,不能快速遏制城市水污染事件的发生,城市水环境管理工作大多依赖于人工经验,与“智慧化”城市建设的目标存在一定差距。2022年3月,“十四五”国家信息化规划 明确提出要“探索建设数字孪生城市”,从信息技术开发、水利建设、环境保护等多方面探索新型高质量城
4、市发展方案。运用数字孪生技术构建数字孪生体,可以实现现实空间与数字空间相互映射,通过场景推演对未来进行预测。本文以现有信息技术为基础,融合新型数字孪生技术,构建城市水环境管理系统框架,有效打破数据壁垒,实现数据共享,构建与现实场景智能互馈的智慧模型,实现管理过程实时的监测、诊断、分析、预测和决策,以期打造高质量智慧水环境管理体系,为构建人水和谐的美丽城市提供科学支撑。2水环境管理的不足(1)水环境管理系统数据共享能力不足。城市水环境受污染源、河道(湖库)地形、降雨、流量等众多因素的影响,涉及管理部门多,相关数据范围广,但现有水环境管理系统接入数据相对单一,以实时监测的地表水水质、水量数据为主,
5、且各部门间的数据共享程度低,“数据孤岛”现象严重,难以为数据深度挖掘和智能分析提供有力支持。(2)制定的水环境管理方案智能化程度低。现阶段制定水环境管理方案时对于人工经验依赖程度高,多数水环境分析模型处于简单的标准阈值与历史数据均值分析阶段,水污染扩散动力模型缺乏完整的地形以及城市管道尺寸等基础数据,加之闸门、排污口等相关设施随着城市快速建设不断更新,现有模型很难根据环境变化做出适应性调整,导致模型精度低,且各类模型间缺乏联结互馈机制,难以对城市水环境管理工作进行综合分析,智能化程度低。(3)预测预警机制不完善。在当前城市水环境管理过程中,主要采用“发现问题解决问题分析问题”的被动策略,往往是
6、污染事件发生后再采取紧急处理措施,缺乏对事件发生的前瞻性,预防能力不足,难以保障城市水环境稳定。(4)管理过程不完善。水环境管理阶段包含源头治理、过程治理、事后处理,但现有水环境管理系统大多只包含源头治理与事后处理,缺乏工程设施调度、水资源调度等过程治理阶段,应急能力不足,处理机制不完善。3数字孪生技术介绍数字孪生技术以物联网、云计算等技术为核心,结合大数据、人工智能等新型信息化技术,搭载数学、物理模型,对现实场景中的空间要素、物理过程进行数字化展现,在网络空间中搭建出与现实世界平行的动态虚拟世界,实现物理空间与数字空间的全生命周期映射2。在城市水环境管理系统中,数字孪生技术通过融合城市地形地
7、貌、城市管道、植被、河流、湖泊等多元要素,对不同情景下的要素进行空间关联分析计算,可准确对水体污染产生的影响进行模拟仿真和预警,并在此基础上快速形成预案,指导解决水环境问题。4基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架设计以提升城市水环境质量、保持水质长久稳定为目标,基于数字孪生技术构建“描述诊断预测决策”的全链条反馈机制的城市水环境管理系统,系统框架见图1。图1基于数字孪生技术的城市水环境管理系统框架 190人 民 黄 河2023年S1(1)水环境信息基础设施。水环境信息基础设施是搭建系统的“地基”,主要包含水质、水文等信息监测基础设施,专有云、公有云等基础运行环境。立足于城市水环境管理现状,
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