数字孪生技术赋能智慧水务建设

2022-08-16 10:28浏览数:89

数字孪生是以多维模型和融合数据为驱动,通过实时连接、映射、分析、交互来刻画、仿真、预测、优化和控制物理世界,使物理系统的全要素、全过程、全价值链达到最大限度的优化。数字孪生与各产业的深化融合能够有力推动各产业数字化、网络化、智能化发展进程,成为了产业变革的强大助力。在水务行业,利用数字孪生技术对重点区域排水运行状态进行多尺度、多物理量仿真模拟,将城市排水体系下排水户、管网、泵站、污水处理厂、河湖的实时状态及时反馈至可视化系统,动态展示排水相关要素生产状态、危险隐患,为实现“控源截污、提质增效、防汛排涝、减污降碳”提供技术支撑。

-控源截污:从源头控制污染源进入水体,从管理角度要建设完善的污水管网,构建适宜的排水体制和截留技术,对城市排水系统进行科学管理;从信息化角度需借助感知设备对管网、泵站、排水户进行水质、水位、流量等指标监测,从初期雨水收集、污水入管开始,实时动态感知城市排水网络“脉搏”,在感知到监测点位异常告警时,能够通过系统快速定位“病灶点”。

运用数字孪生技术搭建的智慧水务一体化管理平台可通过对城市排水体系全覆盖扫描,获取“病情”表现体征,结合后台大数据分析算法、排水管网水力模型分析病灶根源、制定解决方案。

应用情景:非降雨时段,污水厂进水水质监测指标严重的低于预设值,终端感知点发出告警提示;系统立即锁定告警点、提取周边管网拓扑图、结合三维分析模型,对该区域管网连通性进行分析,对比周边管网监测点水位、流量实测数据,进一步缩小可疑范围;提取问题疑似区域管网养护、探测信息,识别该“病因”属于污水管网开裂,外水入侵、污水外溢导致;通过数字孪生平台快速提取该区域实景模型,结合实测数据,模拟当前管网运行状态、周边污水来源及流向,通过模型分析该段管网上游截断施工改造时,对周边排水户、路面工程、道路交通等带来的影响,辅助用户制定解决方案、规划施工方案。

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泵站水质监测异常





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管网流向分析






-提质增效:按照“污水不入河、外水不进管、进厂高浓度、减排高效能”的要求,从管理角度要补齐污水收集处理空白区、健全排水管理长效监管机制,实现污水管网全覆盖、全收集、全处理;从信息化角度需污水收集、处理设施进行全面收集,摸清家底,采用区域水量平衡理念将全市进行网格化划分,建立以污水处理厂收水片区为单位,以泵站为节点、以管网为连线的排水运行监管体系。

运用数字孪生技术搭建的智慧水务一体化管理平台可通过可视化分析模型对污水收集片区规划合理性进行分析、对污水收集率及处理率进行分析,通过虚拟场景预测规划方案实施后对周边污水收集、管网走向、水量布局的影响,辅助完善污水收集及处理设施,在实现污水管网全覆盖、全收集、全处理的同时,达到降本增效的目标。

应用情景:系统监测到某片区污水处理厂出水水质异常,通过三维地图展示该片区污水收集范围,同步提取该片区污水收集及处理设施运行工况、进水水质、水量等相关数据,经后台数据比对分析确定该异常发生频率较高,在汛期尤为严重,其原因为城镇化进程推进,该片区污水收集量超过污水厂处理能力,导致大量污水流入截污箱涵,直接影响出水水质。通过排水运行监管平台可对该片区排水流向、流量进行分析,在孪生场景中通过规划一座调蓄池与污水收集及处理设施联动,模拟在汛期强降雨、非汛期无水两种状态下片区污水收集及处理设施运转效率,并根据调蓄池规模,演练调度预案,通过数字化场景指导工程改造。

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入厂水质监测

-防汛排涝:建设“绿色源头削峰、灰色过程蓄排、蓝色末端消纳、管理提质增效”的现代化内涝治理体系,从管理角度需要实施排水系统建设与改造,保障排涝通道畅通,强化涉水空间规划和管控,增加蓄纳洪涝水空间;从信息化角度需要强化城市内涝相关数据共享和治理分析,推进城市重点区域内涝风险实时评估,提升城市内涝预报、预警及调度处置能力。

运用数字孪生技术搭建的智慧水务一体化管理平台可在接收到降雨预报信息时,自动切换至防汛排涝监管界面,对城市内涝积水、管网排放能力、外河水位状况、防汛泵车分布等进行全面监测,基于GIS格网分析模型对重点区域内涝风险进行评估,动态模拟管网水位增长趋势、低洼地积水淹没趋势、泵车应急调度路线、泵闸联合调度等场景,支持雨前“智能发现+告警”、雨中“动态预测+处置”、雨后“场景复盘+评估”,实现城市内涝治理“可看、可知、可处、可控”。

应用情景:受台风影响,未来时间段将出现强降雨天气,通过防汛排涝可视化展示当前城区重要雨水管段预降水位、集水池水位,测算预留调蓄空间,对尚未进行水位预降得管段、泵站进行告警;降雨过程中,系统可根据预留调蓄空间、雨水泵站排水能力、当前降雨量、管网水位等数据,通过三维水利实景模型下对不同区域积水淹没风险进行预测,根据风险预警等级调动移动泵车前往积水点待命,确保积水发生第一时间开展应急处置;降雨过后,利用排水管网排水能力分析模型开展区域排水能力自测,对积水成因进行分析,对泵、车联合调度预案可行性进行评估和优化,动态演示积水淹没与排水调度场景,快速比对多个不同方案效果。

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管网积水超负荷预警

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积水淹没趋势分析


-减污降碳:形成减污减碳、协同增效的工作格局,从管理上需要强化源头防控,形成“雨水入河、污水进厂”的排水机制,推进污水资源化利用,开展城市减污降碳协同创新;从信息化角度需要将河湖生态健康与排水业务体系关联,实现“排污单位排污通道排污口受纳水体”全过程监督管理,提升污水排放达标率及污水资源化利用率。

运用数字孪生技术搭建的智慧水务一体化管理平台以“源头-管网-泵闸-污水厂-河湖”一体化管理为框架,对水务全要素智能监控、全数据智能融合、全业务智能决策。通过三维实景模型展示雨水、污水流经及水情、水质状况,结合实测数据对排水设施进行远程控制,在保障正常排水作业的同时降低设备能耗;对河网、管网联通性分析,追溯外河水质不达标问题根源,预测河湖水质演变趋势,模拟演练水调度过程,优化调度预案;对污水资源化利用成效进行模拟分析,通过平台分类选择水资源再利用模式和污水治理标准,倒逼污水处理要求,在降低污水处理厂运行能耗的同时,提升水资源利用率。

应用情景:某污水收集片区污水主要来源畜禽养殖和居民生活污水,通过三维地图展示该片区污水收集范围、污水来源,监测排口水质及日均排水量,分析该污水处理厂每日能耗状况、来水水质水量变化态势。系统监测到排水口入河水质异常时,系统可根据当前河道水质状况、污水厂排水量、排水时间、河道水流速等相关信息、泵闸调度信息,模拟河道异常水质扩散及消融过程,辅助定制最优水调度预案,降低碳损耗、保障水安全。

6.jpg河湖水质演变分析







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