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淺析智慧水務(wù)平臺(tái)在城市發(fā)展中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間: 2023-05-12  點(diǎn)擊次數(shù): 565次

安科瑞 陳聰

摘要:當(dāng)下,以數(shù)字孿生為主的數(shù)字技術(shù)愈發(fā)成熟,為使得長江水環(huán)境治理能夠“長治久安”,上海院在長江大保護(hù)先行先試城市九江城中水環(huán)境治理中啟用了智慧水務(wù)理念,搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧水務(wù)平臺(tái)。通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建九江城市“一張圖”的數(shù)據(jù)基座,結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù),應(yīng)用智慧水務(wù)平臺(tái),加上水務(wù)治理的河道水情、水質(zhì)、區(qū)域雨情、泵站運(yùn)行、管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測等數(shù)據(jù),虛擬九江市城中水環(huán)境的實(shí)時(shí)時(shí)空模型,提高了“廠網(wǎng)河湖岸”的聯(lián)動(dòng)治理和一體化運(yùn)營,達(dá)到水務(wù)治理的實(shí)時(shí)監(jiān)管和科學(xué)輔助決策,為未來智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

   關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生技術(shù);數(shù)據(jù)基座;智慧水務(wù);長江大保護(hù);九江

 

   數(shù)字孿生開始由密歇根大學(xué)的Michad Grieves教授提出的“信息鏡像模型”演變而來,美國國防部最早將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障,通過數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型,并將傳感器與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)與數(shù)字空間同步映射,通過數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)未來狀態(tài)的預(yù)測。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)也可用于新建或改建物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá),通過構(gòu)建實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化模型,結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和模型算法實(shí)現(xiàn)實(shí)體對(duì)象數(shù)字孿生體的虛擬構(gòu)建,可用于對(duì)物理實(shí)體的模擬、仿真、優(yōu)化及預(yù)測。

   數(shù)字孿生技術(shù)誕生之初由于計(jì)算機(jī)、通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)瓶頸導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用主要集中在規(guī)模較小的實(shí)體模型,如飛行器、汽車制造、及數(shù)字工廠等小尺度范圍內(nèi)。隨著技術(shù)進(jìn)步,特別是云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸速度得到了很大的提高,數(shù)字孿生技術(shù)逐步應(yīng)用于城市級(jí)別甚至流域級(jí)別的尺度,如智慧村落、智慧城市,甚至智慧流域的概念逐步提出。

   智慧水務(wù)屬于智慧城市的范疇,開始在2014— 2015年提出,并主要應(yīng)用于自來水廠的數(shù)字化改造以及城市給水管網(wǎng)的滲漏預(yù)測。隨著中國新基建概念的提出,數(shù)字化與智能化要求越來越高,智慧水務(wù)概念的外延逐步擴(kuò)大到廠網(wǎng)河湖(岸)等系統(tǒng),如何實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)映射、模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)管理成為科技人員急需解決的問題。

   本文以九江智慧水務(wù)應(yīng)用實(shí)踐為例,通過構(gòu)建九江智慧水務(wù)平臺(tái),以數(shù)字孿生技術(shù)為核心,打造九江市中心城區(qū)數(shù)據(jù)基座,結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù),建立九市江中心城區(qū)水環(huán)境的時(shí)空模型,實(shí)現(xiàn)智慧工程、智慧資產(chǎn)、智慧監(jiān)測、智慧決策和智慧評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用,為未來智慧水務(wù)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

 

 

1總體設(shè)計(jì)

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(hào)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(gè)沿江對(duì)外開放城市之一,是長江經(jīng)濟(jì)帶重要節(jié)點(diǎn)城市,是推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室確定的長江大保護(hù)先行先試的試點(diǎn)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(nèi)澇、水質(zhì)型缺水等諸多問題。

1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容

   作為長江大保護(hù)實(shí)施的先行先試項(xiàng)目,九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項(xiàng)目一期投資額高達(dá)約77億元,項(xiàng)目覆蓋面積達(dá)220 km2,包括九江中心城區(qū)水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)等。九江市智慧水務(wù)項(xiàng)目期望通過針對(duì)“廠網(wǎng)河湖(岸)一體的排水模式、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動(dòng)及河湖聯(lián)動(dòng)的綜合治理模式、五湖聯(lián)動(dòng)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(jìn)行詳細(xì)研究,從而對(duì)整個(gè)長江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展工作推進(jìn)起到較強(qiáng)示范作用。

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(yīng)用,綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù),采集、匯總和利用營銷、呼叫中心、管網(wǎng)運(yùn)維等眾多數(shù)據(jù),以數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)為框架以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道、湖泊、污水廠、水閘、泵站、調(diào)蓄池、管網(wǎng)、氣象等水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施和水文、水質(zhì)、水壓等水情的自動(dòng)化監(jiān)測、實(shí)時(shí)化調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)化辦事、系統(tǒng)化管理、科學(xué)化決策和規(guī)范化服務(wù)。

1.3總體架構(gòu)

   九江智慧水務(wù)整體實(shí)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的統(tǒng)一規(guī)劃下,在九江地區(qū)開展試點(diǎn)。在排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備,組成監(jiān)測感知一張網(wǎng),通過GIS + BIM技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生一張圖。面向各級(jí)管理部門需求打造工程管理、智慧感知、水務(wù)應(yīng)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(shè)績效指標(biāo)考核體系,圍繞長江大保護(hù)的核心目標(biāo)在九江市開展示范應(yīng)用。

 

1九江智慧水務(wù)總體框架

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)通過調(diào)用長江生態(tài)云中心平臺(tái)統(tǒng)一提供的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知等資源服務(wù),開展九江本地監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及對(duì)接、GIS + BIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)接,對(duì)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(lán)線管控空間等要素進(jìn)行有機(jī)整合,標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品調(diào)用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實(shí)現(xiàn)長江大保護(hù)智慧水務(wù)的集約化建設(shè)、規(guī)范化管理、共享式服務(wù)與一體化運(yùn)營。

 

 

2平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

   為實(shí)現(xiàn)九江市水務(wù)治理“長治久安”的目標(biāo),以數(shù)字孿生技術(shù)為核心,建立基于實(shí)景建模、GIS +BIM、5G物聯(lián)網(wǎng)、水力模型和云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合的智慧水務(wù)平臺(tái)?;陂L江智慧水務(wù)的整體架構(gòu),進(jìn)行技術(shù)體系架構(gòu)設(shè)計(jì),主要包括智慧感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)共享與分析層、應(yīng)用使能層、智慧應(yīng)用層,具體技術(shù)架構(gòu)見圖2。

 

2九江智慧水務(wù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

   九江市智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,以數(shù)據(jù)為核心,主要通過對(duì)資產(chǎn)、項(xiàng)目、系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá),利用物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等手段,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、資產(chǎn)的數(shù)字化表達(dá)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(gè)全生命周期中,所有參與方都使用同一個(gè)數(shù)字孿生對(duì)象,從而實(shí)現(xiàn)工程信息、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對(duì)現(xiàn)在、過去數(shù)據(jù)的分析,以提升項(xiàng)目、資產(chǎn)的可靠性,抗風(fēng)險(xiǎn)能力和生產(chǎn)力,平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖3 o

 

3九江智慧水務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.1數(shù)字環(huán)境構(gòu)建

   數(shù)字孿生技術(shù)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(guān)鍵,為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺(tái)可視化程度較低的弊端,平臺(tái)數(shù)字化底座的建設(shè)采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),開展九江市域項(xiàng)目范圍內(nèi)的影像采集工作,搭建九江整個(gè)建設(shè)區(qū)域內(nèi)地理、地貌、設(shè)施數(shù)字化實(shí)景模型(圖4),替代以往的GIS二維環(huán)境底圖,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關(guān)數(shù)據(jù),BIM設(shè)計(jì)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(wù)實(shí)施的藍(lán)圖。

 

4九江市智慧水務(wù)平臺(tái)三維實(shí)景模型

2.2數(shù)字模型構(gòu)建

   在數(shù)字環(huán)境構(gòu)建的基礎(chǔ)上,為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求,平臺(tái)設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目范圍內(nèi)已建、在建與新建水務(wù)相關(guān)工程的初步設(shè)計(jì)圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構(gòu)建。其中,測繪專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、水機(jī)專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設(shè)計(jì)軟件搭建污水處理廠的廠房結(jié)構(gòu)模型、工藝設(shè)施模型、廠區(qū)地形模型等構(gòu)建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設(shè)計(jì)異常點(diǎn),再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點(diǎn)。制定統(tǒng)一設(shè)計(jì)平臺(tái),定制標(biāo)準(zhǔn)兀件庫和Paa樣式,結(jié)合Workspace推送實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。同時(shí)在工程數(shù)字化基礎(chǔ)上,采用數(shù)字孿生技術(shù),將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務(wù)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)Web端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)訪問和共享,便于將BIM模型同GIS平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合,從而導(dǎo)入智慧水務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水務(wù)“一張圖”應(yīng)用系統(tǒng),具體成果見圖5。

 

5基于智慧水務(wù)的建筑物模型

 

2.3物理數(shù)據(jù)映射

   在物理實(shí)體模型與數(shù)字模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息,便于后期模型驅(qū)動(dòng),本研究通過BIMGIS集成應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實(shí)體模型和數(shù)字模型的映射,同時(shí)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(gè)建筑的BIM應(yīng)用擴(kuò)展到范圍更大的智慧水務(wù)等工程領(lǐng)域。

   利用GIS + BIM信息技術(shù),將多來源、不同格式、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集成,針對(duì)管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池、污水廠以及監(jiān)測設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理涉及的海量設(shè)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(xì)地顯示和分析大量水務(wù)設(shè)施數(shù)據(jù),為城市水務(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,具體成果見圖 6。

    

6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理

2.4感知數(shù)據(jù)映射

   數(shù)字孿生技術(shù)與以往仿真模擬技術(shù)最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)的“真實(shí)”的虛擬環(huán)境。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四方面內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線智能監(jiān)測與感知(水位、流量、水質(zhì)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(xiàng)目的智能感知網(wǎng)絡(luò),提升九江市水務(wù)部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調(diào)度、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應(yīng)對(duì)能力。

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

 

7九江智慧水務(wù)平臺(tái)智能感知網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容

 

2.5智慧應(yīng)用

   運(yùn)維低效、調(diào)度乏力、缺乏評(píng)估考核機(jī)制是許多 水務(wù)管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點(diǎn)。從業(yè)務(wù)應(yīng)用需求出發(fā),結(jié)合智慧化技術(shù)手段,九江智慧水務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列智慧應(yīng)用系統(tǒng)子系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細(xì)化管理、實(shí)現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破。

a)綜合展示?;?/span>GIS + BIM技術(shù),對(duì)水環(huán)境治理規(guī)劃、水務(wù)設(shè)施建設(shè)、水務(wù)運(yùn)營管理等幾個(gè)方面進(jìn)行可視化管理,打造綜合展示一張圖。

B) 智慧資產(chǎn)。在工程數(shù)字化的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)施資產(chǎn)進(jìn)行智慧化應(yīng)用。利用GIS + BIM等信息技 術(shù),提供污水處理廠、地下管網(wǎng)、防洪排澇設(shè)施、監(jiān)測設(shè)備等水務(wù)設(shè)施管理以及涉及的海量設(shè)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(wù)設(shè)施的運(yùn)行管理、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實(shí)的、不同尺度、不同顯示模式的基礎(chǔ)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(duì)廠網(wǎng)河湖岸進(jìn)行一體化監(jiān)測,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)行中的突發(fā)狀況,有助于事故快速預(yù)警、溯源與追蹤,管理部門對(duì)排水事故的預(yù)警和處理能力得到提升。

d) 智慧決策?;谠诰€監(jiān)測數(shù)據(jù),通過水環(huán)境仿真建模,對(duì)污染源擴(kuò)散、內(nèi)澇、基礎(chǔ)設(shè)施水容量等進(jìn)行高效分析,形成智慧決策大腦,為管理者預(yù)測災(zāi)情、事故、突發(fā)事件所帶來的后果,幫助管理者能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行決策與指揮。同時(shí)結(jié)合移動(dòng)端應(yīng)用,使處理工作快速靈敏并協(xié)調(diào)有序。

e) 智慧評(píng)價(jià)。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(jìn)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(shí)施成果進(jìn)行綜合評(píng)估,為工程運(yùn)行的正常運(yùn)行提供評(píng)價(jià)分析保障。

 

 

3創(chuàng)新示范應(yīng)用

   采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的九江智慧水務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)方面的新技術(shù)實(shí)踐。

a)城市水務(wù)設(shè)施數(shù)字化。在九江試點(diǎn)期間,市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術(shù),完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計(jì)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(shù),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(gòu)建精度達(dá)3 cm的傾斜攝影模型,完成了城市基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化?;?/span>BIM技術(shù),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(gòu)建筑物,將BIM成果貫穿工程設(shè)計(jì)、施工以及竣工,在工程設(shè)計(jì)過程中,通過BIM設(shè)計(jì)模型的審核、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)問題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本。同時(shí),采用OpenRoads導(dǎo)入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù),自動(dòng)形成三維管網(wǎng)模型,通過GIS + BIM技術(shù)結(jié)合,將管網(wǎng)及水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施三維BIM模型導(dǎo)入到實(shí)景數(shù)字環(huán)境中,在九江地區(qū)實(shí)現(xiàn)了基于GIS + BIM的水務(wù)設(shè)施數(shù)字化示范應(yīng)用(圖8),為工程基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)用及服務(wù)。

 

8九江基于GII + BIM的水務(wù)設(shè)施數(shù)字化

B)基于數(shù)字孿生技術(shù)的資產(chǎn)管理。從工程采集與設(shè)計(jì)初期,制定規(guī)范的數(shù)據(jù)采集模板、設(shè)計(jì)規(guī)范,通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,將設(shè)施設(shè)備基礎(chǔ)信息與數(shù)字化模型通過編碼進(jìn)行掛接,形成數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)不同類型和不同階段的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理,并在web端完成模型輕量化轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)水務(wù)設(shè)施設(shè)備資產(chǎn)的可視化管理,見圖9。

 

9基于數(shù)字孿生技術(shù)的web端設(shè)備資產(chǎn)管理

C)水力模型與三維實(shí)景結(jié)合打造數(shù)字孿生業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)模擬。在九江,針對(duì)城市水務(wù)及水環(huán)境數(shù)據(jù)海量性、多類性、模糊性、時(shí)空過程性、動(dòng)態(tài)更新頻繁等特點(diǎn),利用SewerGEMSOpentows Flood構(gòu)建不同尺度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水動(dòng)力模型,通過高性能計(jì)算集群完成模型多任務(wù)、多用戶并發(fā)分布式實(shí)時(shí)計(jì)算,快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力、地表漫流、河網(wǎng)河道、水質(zhì)傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分析與調(diào)用。同時(shí),水動(dòng)力模型根據(jù)監(jiān)測或預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算,實(shí)現(xiàn)城市廠站網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度、泵閘管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、城市內(nèi)澇預(yù)測、管網(wǎng)江河水質(zhì)傳遞計(jì)算等業(yè)務(wù)功能,并將水力模型與三維實(shí)景模型相結(jié)合,面向城市內(nèi)澇業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)三維可視化的實(shí)景動(dòng)態(tài)模擬,見圖10。

 

10基城市內(nèi)澇實(shí)景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬

 

 

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

4.1平臺(tái)概述

   安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系,AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、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(qiáng)度,監(jiān)測主要用能設(shè)備能效,保護(hù)污水廠運(yùn)行可靠,提高污水廠能效,為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

4.2平臺(tái)組成

           AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成,涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等,貫穿水務(wù)能源流的始終,幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況,并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺(tái)拓?fù)鋱D

 

4.4平臺(tái)子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

   對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù),實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能,對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。

   監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。

 

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

   水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)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(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量,并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

 

4.4.3電動(dòng)機(jī)管理

   馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能,電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息,對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制,監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

 

4.4.4能耗管理

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

   將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中,從多個(gè)維度對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比,幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗,能源成本,標(biāo)煤排放等的情況。

   能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量,同環(huán)比對(duì)比分析,能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算,標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢。

   能效分析按三級(jí)計(jì)量架構(gòu),分別進(jìn)行能效分析,契合能源管理體系要求,可對(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析,同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)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(jìn)行同比和環(huán)比分析,同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標(biāo)對(duì)標(biāo),以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)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(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式,模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能,盡量利用自然光照,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能的目的。

 

4.4.6電氣安全

①電氣火災(zāi)監(jiān)測:監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度,實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

②消防應(yīng)急照明和疏散指示:根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)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(shè)備電源監(jiān)測:監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常,保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)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(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài),顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號(hào)。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(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí),防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào),能指示報(bào)警部位并保存報(bào)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?xì)怏w濃度展示和預(yù)警,保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)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(shí)時(shí)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(guān)狀態(tài),逆變器運(yùn)行監(jiān)視,對(duì)逆變器直流側(cè)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(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測,以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

   平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況,通過3D2.5D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(diǎn)位置,各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

 

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

   平臺(tái)通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù),進(jìn)行短路、過流、過載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī),與PLC、軟啟、變頻器等配合,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制,監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

 

相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

 

 

6結(jié)語

   綠水青山就是金山銀山,隨著中國對(duì)生態(tài)環(huán)境的逐步重視,基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)將越來越多,如何利用海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水務(wù)數(shù)字化和智慧型管理轉(zhuǎn)型將是中國未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨的巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文通過數(shù)字孿生技術(shù)開展九江智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)的探索,已實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化、模型與數(shù)據(jù)一體化、數(shù)據(jù)輔助決策等相關(guān)功能,期望能為中國未來智慧城市建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

參考文獻(xiàn)

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2】孔祥文•長江大保護(hù)試點(diǎn)城市智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建探索[J].水利信息化,2020 

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