基于数字孪生技术的农村供水管理系统框架设计

赵翠 孙付增 刘少博 苏胜晗 宋家骏 高奇奇

摘要：为解决农村供水信息化中存在的信息系统设计与建设标准不规范、不统一，数据资产管理和挖掘不深入，系统性应急响应速度较慢等问题，实现农村供水信息化到智慧农饮的转变，构建了数字孪生技术支撑下的一张网、二体系、三层级、四应用、六媒体的智慧农饮体系。提出的具体实现方式为：构建全域感知智慧农饮专题数据库，打造数字孪生智能水厂、数字孪生管网、数字化监管与应急平台。该系统建成后可以充分发挥数字孪生在数据感知、数据集成、人机交互等方面的优势，有效提高农村供水工程安全运行能力和农村供水工作智能监管水平。

关 键 词：农村供水管理; 数字孪生; 智慧农饮; 数字孪生智能水厂; 数字孪生管网

中图法分类号： TU991.6

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.036

0 引 言

随着多项国家网络安全与信息化战略和《水利信息化发展“十三五”规划》的贯彻落实，全国水利信息化工作取得丰硕成果，信息技术与水利业务的融合程度进一步加深，信息化发挥效益更加显著。根据水利部智慧水利专项规划体系编制的要求，智慧水利工作将是接下来水利工作的一项重点内容。在国家数字化转型战略层面和智慧水利发展的趋动下，农村供水自动化监控和信息化监管技术随着农村饮水安全工程的建设也逐步发展深化。全国有超过10个省份建立了省级农村供水管理信息系统，有一半以上的千吨万人供水工程建立了水厂级自动化监控系统，在供水行业监管和工程运营管理方面起到了积极推动作用。然而目前中国农村供水信息化仍处于发展阶段，与数字农饮、智慧农饮的发展目标仍存在一定距离，需认真分析存在问题，通过顶层设计、分步实施构建完善的智慧农饮体系。

1 农村供水信息化中存在的问题

伴随信息化技术的进步，中国农村供水信息化监管技术也得到了长足发展，但从目前农村供水信息化技术的发展现状来看仍存在以下问题。

1.1 设计与建设标准需规范和统一

从现有的农村供水信息化系统来看，各级水行政主管部門和各级水厂的业务需求不同、侧重点不同，建设的信息化系统功能要求也有较大差异，导致各单位设计与建设的系统功能、数据采集种类和数量、建设参照标准等皆不相同。同时，缺少区域级信息化监管系统的顶层设计和统一规划，造成了不同水厂之间和水厂与上位系统的信息利用率和共享度低，形成一个个“信息孤岛”“业务孤岛”，如图1所示。

1.2 数据资产管理与挖掘急需加强

农村供水信息管理系统的建设使用过程中，数据的采集、传输、存储、分享管理是重中之重。随着信息管理系统的使用，现已拥有大量的农村供水数据，并且还在源源不断地产生新的数据。但是，现阶段数据采集还存在大量人工参与的情况，造成数据不准确的现象;数据传送过程存在丢失、泄露的问题;数据存储方面存在原有设计存储空间不足无法存储和数据丢失的情况;大量高价值的数据未充分发挥其应有价值，无法满足数字中国对农村供水行业的要求。这些都制约着农村供水信息化的发展，数据资产的管理与后续数据挖掘工作急需加强。

1.3 系统性应急反应速度需加快

农村供水信息化管理与自动化监控技术专业性较强，现有农村水厂管理人员自控技术知识薄弱，造成后期维护保养跟不上，信息化系统难以发挥预期效益，甚至闲置搁置。部分水厂虽有自控设备，但系统落后，功能单一，部分视频影像存在无法传输、设备损坏等问题，存在安防隐患。特别是缺乏长效机制和预警机制，无法满足快速响应、统一指挥的需求。

应加强建设标准和系统规划、数据资产管理、数据挖掘和系统性应急反应等方面的工作，使农村供水信息化进化到智慧农饮，以达到提升农村供水安全保障水平的要求。

2 数字孪生与智慧农饮的融合

数字孪生（Digital Twin，DT）是充分利用物理模型、更新传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被广泛应用于智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等行业。其中，智慧城市的空间规划模拟分析、空间现状可视化、社区网格化治理，以及智能制造的产品研发、运行模拟、设备维护及故障预测等都可以和智慧农饮相融合，解决农村供水信息化阶段存在的问题。

农村供水领域数字孪生的应用目前尚在探索阶段，但是智慧农饮建设和数字化转型已经成为各农村供水主管部门重点关注的工作。农村饮水安全是国民经济建设与社会发展的重要组成部分和基础保障，是广大农村居民高质量生活的主要评价标准，也是建设美丽中国和实施乡村振兴战略的重要支柱。“十四五”期间，对农村饮水安全提出了进一步要求，农村供水保障对改善农村居民健康状况、提高农村生产生活水平、补齐农村基础设施短板具有重要意义。在此形势下，要切实提升农村供水保障的数字化管控水平。通过打造基于数字孪生技术的智慧农饮体系，实现“数字化、智能化、智慧化”3个阶段的现代化建设目标。

3 基于数字孪生的智慧农饮体系构建

3.1 系统架构

基于数字孪生技术，实现一张网、二体系、三层级、四应用、六媒体的12346架构体系。一张网实现统一规划、统一调度、数据共享、资源协同;二体系涵盖了标准规范体系和安全运维体系;三层级指数据汇集层、数据资产管理层、业务场景应用层;四应用包括从国家、省级、市县、水厂为一体的全方位布局和规划;六媒体则包括数据大屏、驾驶舱、GIS系统、数字孪生、电脑电视、移动端在内的6种展示方式及信息化渠道，如图2所示。202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632

3.2 實现方式及步骤

3.2.1 智慧农饮数据基础，实现全域标识感知

数据的采集和管理是整个智慧农饮建设的基础，也是数字孪生技术得以体现的根本，主要考虑从全域数据采集、数据资产标准化管理、主题数据库建设3个方面进行阐述。

（1） 全域数据采集。

在全域数据采集方面，水厂运行管理设备采集的监测数据至关重要，包括水源监控、水厂监控、管网监控、视频监视信息4种类型数据的采集。水源监控包括水厂对水源地取水信息的监测及对泵站机组的启停控制，其中，监测信息主要包括水位、流量、水量、浊度、水泵机组的工作电流、电压、电量、功率、水泵机组的启停、故障状态及水泵机组的运行状态等。水厂监控包括水厂的制水、配水等流程的监控，其中，信息采集主要包括流量设备、压力设备、供水设备、水质监测设备等;数据采集及控制单元实现对水位、流量、机组工作情况、机组运行状态等信息的采集等。管网监控包括水厂的供配水管网的重要节点、

末端流量、压力、水质的监测等。视频监视信息包括通过前端监视点设备和通信网络，将所采集的图像信息传送到视频信息服务器，再通过相应软件处理后存入数据库。

全域数据的感知，除应包含设备采集的监测数据外，还应包含日常的业务数据。业务管理数据主要包括漏损管理、统计分析、工程管理、客服营收、巡检管理、值班管理、考核管理、超限报警、成本库存、远程控制、化验管理等。多维业务数据的汇集，有助于上级单位对各处水厂的综合运营情况进行实时跟踪了解，亦可对各处水厂运行状况进行横向比较分析，为节省水厂运营开支，提高运行质量提供数据支撑。

对于有条件的地区，可以对区域管网地理数据信息以及水厂基建设施进行高精度数字化还原，生成物理镜像数据，实现“物联网+互联网”的先进管理模式。从根本上解决以往人工管理所导致的数据丢失、档案不全、版本不一、精度不高、检索不便、种类繁多、结构复杂等多种问题，为合理化布局管网、精准定位抢修、辅助运行调度提供强大的数据支撑。

（2） 数据资产标准化管理。

数据资产标准化应该按照国家和水利部门对信息化系统数据的要求，把现有数据和以后产生的数据统一按照标准进行管理。包括但不限于通过数据清洗、数据识别、数据抽取、数据命名、数据加工等处理方式，对数据资源进行进一步整理、筛选，为后续应用提供优质数据。

（3） 专题数据库建设。

基于大数据手段，将处理过的数据进一步筛选、清洗、识别、口径对接等，形成具有一定聚类性、有意义、有价值、可供分析的智慧农饮专题数据库。

3.2.2 构建数字孪生系统，实现数据价值

基于已建立的智慧农饮专题数据库，采用数字孪生技术打造数字孪生智能水厂、数字孪生管网、数字化监管与应急平台，充分挖掘数据价值，提升农村供水工程安全运行能力和农村供水工作智能监管水平。

（1） 打造数字孪生智能水厂。

利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、工艺单元数学建模、虚拟现实、三维模拟等技术构建饮用水处理工艺单元的虚拟仿真模型，结合由水质、水量、水压等多类型传感器组成的在线监测网络，围绕混凝剂智能化投加、沉淀、（膜）过滤、消毒工艺参数的优化及工艺过程的智能调控等核心应用，打造数字孪生智能水厂（见图3）。

建设完整的自动化监控系统（见图4），实现远程在线自动监测水厂的运行状况及临界值报警，水泵、消毒设备的自动运行监控及故障报警，水厂的水源地水质及周边环境监测及报警，视频安防监控，数据上报与信息管理，水厂运营管理，提高农村供水工程自动化与信息化管理水平。

利用农村居民用水大数据分析指导水厂运营管理工作。基于居民用水大数据，可分析确定不同区域的用水需求变化，不同时间段的用水需求变化以及不同用水性质的用水需求变化。当大数据显示某一地区用水量接近水厂供水量时，可采取一定方式将供水能力有剩余的水厂作为备用水厂，还可以联动水厂控制系统提前加大水泵功率，保证居民供水稳定，从而实现智慧化调度的效果。

（2） 构建数字孪生管网运行及管理系统。

利用三维GIS（Geographic Information System，地理信息系统）、管网在线水力水质模拟、机器学习算法等手段构建供水管网的实时在线模型系统，围绕智能优化调度、漏损爆管侦测与定位、管网水质保障与突发污染防控等核心应用，构建数字孪生供水管网。通过供水系统数字孪生体的构建，为农村供水系统的智能化与智慧化运行提供技术与平台支撑。对每次漏水区域维护后的漏水情况进行在线诊断和评估，将漏水管理从漏水监测、漏水分析、漏水维修、维修绩效评估、基础设施改造计划和投资管理等方面形成闭环状态。

（3） 数字化监管与应急平台。

以GIS系统为基础，整合SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）、收费管理系统、养护管理信息系统等信息系统形成统一的农村供水数字化监管平台，实时、准确、动态地满足决策管理部门和运营管理单位的需要，实现农村供水工程和供水管网资料科学、实时、高效、规范地管理;实现智能化监测、统计分析、用水计量、工程管理、考核管理、水质管理等功能，并提供在线辅助、营收、移动应用等功能。

依托各级政府政务大数据和云中心，充分利用手机等移动设备，建立智能化农饮在线工作服务系统，为各级管理人员提供良好的技术平台支撑，及时准确地记录走访情况、生产经营情况和存在的主要问题、困难，及时有效地推动各级农村供水工作的直接传达、实施进度确认、效果反馈等。

建设实时数字化农村供水应急响应指挥平台，对供水水量、水质、管网等方面进行全方位监管，及时采取应急措施应对突发状况等。当水厂的水质超标、厂内设备故障、供水管网流量和压力异常时，可基于电子地图以形象的图标进行报警;同时，可以多种方式通知管理人员，并发送预警的位置、水体情况和解决的办法，并生成预警信息的统计报表和预警原因，方便管理者从根本上分析解决问题。202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632

4 面臨的挑战

数字孪生技术已在多个行业得到广泛应用，给我们提供了很多参考和启示，但是，在智慧农饮建设中仍然面临诸多困难和挑战。

（1） 农村供水工程自动控制与数据采集等环节较薄弱，部分规模化水厂仍无法完全实现自动化制水和在线水质监测，在取输净配全流程中，众多小规模水厂存在手动控制的情况，仍需进行深度智能化改造。

（2） 农村通信网络建设欠缺及传输稳定性较差等问题可能导致数据丢失，影响数字孪生在虚拟空间中的可靠性，使得数字孪生的整个系统处于不稳定状态。

（3） 交互与协同是数字孪生的关键环节，如何在虚拟空间通过仿真计算验证水厂、管网、环境等水利设施的运行状态，排除干扰因素，并最终实现对物理实体的操作，为虚拟实体、物理实体和人的深度信息交互与协同提供支持还存在很多难题和挑战。

5 结 语

基于数字孪生技术的智慧农饮体系，可充分发挥数字孪生在数据感知、数据集成、人机交互等方面的优势，有效提高农村供水系统中数据的挖掘与利用水平。对于打造数字孪生水厂、提高水厂安全运行能力和农村供水工作智能监管水平具有积极作用。数字孪生技术的不断发展和专用模型的深入研究，可以进一步实现区域内农村供水系统的合理规划和高效管理，从而满足水利现代化建设的要求。

参考文献：

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[10] 王跃国，赵翠，孙付增.新发展阶段数字农饮总体布局及技术路线研究[J].水利发展研究，2021，21（6）：18-23.

（编辑：黄文晋）

Framework design of rural water supply management system based on digital twin technology

ZHAO Cui1，SUN Fuzeng1，LIU Shaobo2，SU Shenghan2，SONG Jiajun1，GAO Qiqi1

（1.National Center for Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China; 2.Huarong Technology （Dalian） Co.，Ltd.，Dalian 116000，China）

Abstract：

There are some problems in the informatization management of rural water supply，including：① the design and construction standards of information systems are not standardized and unified，② the data asset management and mining are not deep enough，③ the systemic emergency response speed is slow.The goal of this article is to solve these problems and realize the transformation from rural water supply informatization to intelligence，so as to meet the requirements of improving the level of rural water supply management.This paper built a smart rural water supply system with one network，two systems，three levels，four applications，and six media supported by digital twin technology，and proposed specific implementation methods and steps：① building universe perception thematic database for smart rural water supply，② making the digital twin intelligent water plant，digital twin pipe network，and digital supervision and emergency platform.The smart rural water supply system can give full play to the advantages of digital twin technology in data perception，data integration，and human-computer interaction.It has a positive effect on improving the safe operation of water plants and the level of intelligent supervision of rural water supply works.

Key words：

rural water supply management;digital twin;smart rural water supply;digital twin intelligent water plant;digital twin pipe network202721CF-2710-420B-86C7-1BA5BC2CE632