基于数字孪生的城市地下智慧管网

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。

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。

一、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%。

二、基于数字孪生的智慧管网建设方案

（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

图1 基于数字孪生的智慧管网平台框架

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。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

[1]

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

三、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。