淺析智慧水務平臺在城市發(fā)展中的應用

1.1城市現(xiàn)狀

   九江市位于江西省北部,地處贛、鄂、皖、湘四 省交界處，號稱“三江之口、七省通衢",是江西省臨江臨港的城市,也是一座有著2200多年歷史的江南名城。九江是5個沿江對外開放城市之一,是長江經濟帶重要節(jié)點城市,是推動長江經濟帶發(fā)展領導小組辦公室確定的長江大保護先行先試的試點城市之一。目前,九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)存在生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、水體黑臭、水體富營養(yǎng)化、 城市內澇、水質型缺水等諸多問題。

1.2設計內容

   作為長江大保護實施的先行先試項目，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目一期投資額高達約77億元，項目覆蓋面積達220 km2，包括九江中心城區(qū)水務基礎設施建設、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺系統(tǒng)建設等。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網(wǎng)河湖（岸）一體的先進排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動及河湖聯(lián)動的綜合治理模式、五湖聯(lián)動的清源活水模式、市政管網(wǎng)的提升模式"及智慧管控模式進行詳細研究，從而對整個長江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展工作推進起到較強和示范作用。

   九江市智慧水務平臺設計圍繞城市“水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化"五位一體的戰(zhàn)略應用,綜合應用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興技術，采集、匯總和利用營銷、呼叫中心、管網(wǎng)運維等眾多數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)平臺、應用平臺為框架, 以實現(xiàn)對河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調蓄池、管網(wǎng)、氣象等水務基礎設施和水文、水質、水壓等水情的自動化監(jiān)測、實時化調度、網(wǎng)絡化辦事、系統(tǒng)化管理、科學化決策和規(guī)范化服務。

1.3總體架構

   九江智慧水務整體實施思路以“一朵云"“一張網(wǎng)"“一張圖"“五中心"“一本賬"的“ 11151"總體框架（圖1），在長江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎設施建設的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點。在排水管網(wǎng)節(jié)點處布設自動化監(jiān)測設備,組成監(jiān)測感知一張網(wǎng)，通過GIS + BIM技術構建數(shù)字孿生一張圖。面向各級管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務應用、決策支持及展示宣傳五大中心。創(chuàng)新管理思維模式，建設績效指標考核體系，圍繞長江大保護的核心目標在九江市開展示范應用。

圖1九江智慧水務總體框架

   九江市智慧水務平臺通過調用長江生態(tài)云中心平臺統(tǒng)一提供的計算、存儲、網(wǎng)絡、物聯(lián)感知等資源服務，開展九江本地監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及對接、GIS + BIM基礎數(shù)據(jù)對接，對水資源、城市供水、污水、雨水、河湖、再生水和防洪系統(tǒng)以及城市藍線管控空間等要素進行有機整合，標準化產品調用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實現(xiàn)長江大保護智慧水務的集約化建設、規(guī)范化管理、共享式服務與一體化運營。

圖2九江智慧水務平臺技術架構

   九江市智慧水務平臺數(shù)字孿生技術的應用，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過對資產、項目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達,利用物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、人工智能等手段,實現(xiàn)項目、資產的數(shù)字化表達與雙向的信息同步,其顯著的特征是統(tǒng)一、可信與易取。在工程整個全生命周期中,所有參與方都使用同一個數(shù)字孿生對象,從而實現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對現(xiàn)在、過去數(shù)據(jù)的分析，以提升項目、資產的可靠性，抗風險能力和生產力，平臺數(shù)據(jù)架構見圖3。

 圖3九江智慧水務平臺數(shù)據(jù)架構

2.1數(shù)字環(huán)境構建

   數(shù)字孿生技術開始就是生成數(shù)字模型，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關鍵，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺可視化程度較低的弊端，平臺數(shù)字化底座的建設采用無人機傾斜攝影技術,開展九江市域項目范圍內的影像采集工作,搭建九江整個建設區(qū)域內地理、地貌、設施數(shù)字化實景模型（圖4），替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關數(shù)據(jù)，BIM設計的“底圖"，打造基于“一張圖"的九江市中心城區(qū)水環(huán)境綜合整治智慧水務實施的藍圖。

圖4九江市智慧水務平臺三維實景模型

2.2數(shù)字模型構建

   在數(shù)字環(huán)境構建的基礎上，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺設計基于項目范圍內已建、在建與新建水務相關工程的初步設計圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構建。其中，測繪專業(yè)、結構專業(yè)、水機專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設計軟件搭建污水處理廠的廠房結構模型、工藝設施模型、廠區(qū)地形模型等構建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺協(xié)同設計和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項目設計和施工質量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設計異常點，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點。制定統(tǒng)一設計平臺,定制標準兀件庫和Paa樣式，結合Workspace推送實現(xiàn)標準化設計。同時在工程數(shù)字化基礎上，采用數(shù)字孿生技術，將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務云平臺，實現(xiàn)Web端和移動端數(shù)據(jù)訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結合，從而導入智慧水務平臺，實現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧水務“一張圖"應用系統(tǒng)，具體成果見圖5。

圖5基于智慧水務的建筑物模型

2.3物理數(shù)據(jù)映射

   在物理實體模型與數(shù)字模型構建的基礎上，為進一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅動，本研究通過BIM與GIS集成應用，以實現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實體模型和數(shù)字模型的映射，同時提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。通過GIS宏觀地將單個建筑的BIM應用擴展到范圍更大的智慧水務等工程領域。

   利用GIS + BIM信息技術，將多來源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成，針對管網(wǎng)、泵站、調蓄池、污水廠以及監(jiān)測設備等水務設施管理涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)建立管理、瀏覽、查詢和空間分析功能，更加高效、綜合、豐富、詳細地顯示和分析大量水務設施數(shù)據(jù)，為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯(lián)合調度提供翔實的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持，具體成果見圖 6。

圖6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細化管理

2.4感知數(shù)據(jù)映射

   數(shù)字孿生技術與以往仿真模擬技術最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個實時的“真實"的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內容的實時在線智能監(jiān)測與感知（水位、流量、水質等）數(shù)據(jù), 建立起覆蓋九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目的智能感知網(wǎng)絡,提升九江市水務部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調度、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應對能力。

   九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項目的智能感知網(wǎng)絡的監(jiān)控內容，見圖7。

圖7九江智慧水務平臺智能感知網(wǎng)監(jiān)控內容

2.5智慧應用

   運維低效、調度乏力、缺乏評估考核機制是許多 水務管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點。從業(yè)務應用需求出發(fā),結合智慧化技術手段,九江智慧水務平臺設計了一系列智慧應用系統(tǒng)子系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細化管理、實現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破。

a）綜合展示?；贕IS + BIM技術，對水環(huán)境治理規(guī)劃、水務設施建設、水務運營管理等幾個方面進行可視化管理,打造綜合展示一張圖。

B) 智慧資產。在工程數(shù)字化的基礎上,對設施資產進行智慧化應用。利用GIS + BIM等信息技 術,提供污水處理廠、地下管網(wǎng)、防洪排澇設施、監(jiān)測設備等水務設施管理以及涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)的管理、瀏覽、查詢和空間分析功能。為城市水務設施的運行管理、模擬分析和聯(lián)合調度提供翔實的、不同尺度、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持。

C）智慧監(jiān)測。通過接入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對廠網(wǎng)河湖岸進行一體化監(jiān)測,可及時發(fā)現(xiàn)設施運行中的突發(fā)狀況,有助于事故快速預警、溯源與追蹤，管理部門對排水事故的預警和處理能力得到提升。

d） 智慧決策。基于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過水環(huán)境仿真建模,對污染源擴散、內澇、基礎設施水容量等進行高效分析,形成智慧決策大腦,為管理者預測災情、事故、突發(fā)事件所帶來的后果，幫助管理者能夠準確的進行決策與指揮。同時結合移動端應用,使處理工作快速靈敏并協(xié)調有序。

e） 智慧評價。通過污水廠、管網(wǎng)、流域、排口的監(jiān)測數(shù)據(jù)、以及流域的遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和流域生態(tài)分析，為城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)治理工程實施成果進行綜合評估，為工程運行的正常運行提供評價分析保障。

   采用數(shù)字孿生技術構建的九江智慧水務平臺, 實現(xiàn)了以下3個方面的新技術實踐。

a）城市水務設施數(shù)字化。在九江試點期間，市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術，完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計453. 258 km的管網(wǎng)GIS建模，完成了城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化。采用傾斜攝影技術,覆蓋十里河、兩河流域及彭澤區(qū)域,飛行272架次,采集7萬多張照片，航拍影像覆蓋九江中心城區(qū)80km2，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構建精度達3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化?；贐IM技術，圍繞芳蘭污水處理廠、蓄水池、污水提升泵站等地下排水管網(wǎng)構建筑物，將BIM成果貫穿工程設計、施工以及竣工，在工程設計過程中，通過BIM設計模型的審核、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設計問題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本。同時，采用OpenRoads導入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)，自動形成三維管網(wǎng)模型，通過GIS + BIM技術結合，將管網(wǎng)及水務基礎設施三維BIM模型導入到實景數(shù)字環(huán)境中，在九江地區(qū)實現(xiàn)了基于GIS + BIM的水務設施數(shù)字化示范應用（圖8），為工程基礎設施的運維管理提供基礎數(shù)據(jù)調用及服務。

圖8九江基于GII + BIM的水務設施數(shù)字化

B）基于數(shù)字孿生技術的資產管理。從工程采集與設計初期，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)采集模板、設計規(guī)范,通過標準的數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)質量檢查,將設施設備基礎信息與數(shù)字化模型通過編碼進行掛接,形成數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)不同類型和不同階段的數(shù)據(jù)存儲及管理，并在web端完成模型輕量化轉換, 實現(xiàn)水務設施設備資產的可視化管理，見圖9。

圖9基于數(shù)字孿生技術的web端設備資產管理

C）水力模型與三維實景結合打造數(shù)字孿生業(yè)務動態(tài)模擬。在九江，針對城市水務及水環(huán)境數(shù)據(jù)海量性、多類性、模糊性、時空過程性、動態(tài)更新頻繁等特點，利用SewerGEMS和Opentows Flood構建不同尺度的實時動態(tài)水動力模型，通過高性能計算集群完成模型多任務、多用戶并發(fā)分布式實時計算，快速、準確地實現(xiàn)管網(wǎng)水力、地表漫流、河網(wǎng)河道、水質傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分析與調用。同時，水動力模型根據(jù)監(jiān)測或預報數(shù)據(jù)實時在線進行動態(tài)模擬計算，實現(xiàn)城市廠站網(wǎng)河聯(lián)合調度、泵閘管網(wǎng)優(yōu)化調度、城市內澇預測、管網(wǎng)江河水質傳遞計算等業(yè)務功能，并將水力模型與三維實景模型相結合，面向城市內澇業(yè)務，實現(xiàn)三維可視化的實景動態(tài)模擬，見圖10。

圖10基城市內澇實景實時動態(tài)模擬

4.1平臺概述

   安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

4.2平臺組成

   AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

   對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

   監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質量監(jiān)測與治理

   水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.4.3電動機管理

   馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

4.4.4能耗管理

   為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

   將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

   能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

   系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

   污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

   實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

   平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

   平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。