智慧城市篇 | 数字孪生智慧排水管网管理平台

Posted 2023-04-05 GSI-地空云

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2022年3月1日，住房和城乡建设部印发了《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》，提出关于实现城市基础设施数字化网络化智能化的重点任务，利用CIM基础平台图形引擎、城市空间仿真模拟与智能化技术、排水管网病害识别技术、管网运行健康评估技术等进行智能化市政基础设施建设和改造。推进数字孪生智慧排水管网建设不仅能发挥好城市公共服务的基础运行功能，补齐原有污水处理厂配套管网的缺口，也是实现城市排水管网建设与污水处理设施同步设计、建设和投运，同时支撑起生态文明建设的需求，实现排水管网的精细化管理，为城市的排水管网病害识别和管网运行健康评估提供强有力的保障。

地空智能以物联网、大数据、云计算、人工智能为技术支撑，融合BIM、CIM、GIS信息技术，构建数字孪生智慧排水管网管理平台，主要包括排水管网GIS平台、管网巡检养护平台和管网决策管理平台，这三大平台包括数据入库管理子系统、平台配置管理子系统、管网监测预警子系统、排水户管理子系统、排水管网智能检测评估子系统、管道修复工程管理子系统、管道养护工程管理子系统、管网巡检考评管理子系统和管网运维直播监理子系统九大子系统。各个子系统之间数据共享，业务场景互补，及时发现排水管网破损、渗漏、淤堵等问题，迅速采取修复和养护措施，预控潜在风险，实现管网建设规范化、排水监测可视化、风险预判精准化、养护监管智能化，形成全局掌控一张图、全面感知一张网、资源共享一网通和应急管控一条线。

(技术框架）

 

·基础数据层：通过使用质检入库子系统导入管网普查数据、实时监测数据和管网资料，完成普查数据的拓扑关系检查，同时结合管网属性等信息，建立基础数据统一、监测数据汇集、二三维一体化以及三级贯通的数据底板。

·数据治理层：包括数据标准、主数据、元数据、数据质量、规则模型等数据资产在治理平台中落地，形成数字孪生空间，协助用户全面掌控排水管网数据资产现状、提升数据质量、实现数据互联互通、提升数据获取效率、保障数据安全合规、持续释放和挖掘排水管网数字化价值。

·管网地图服务层：包括地理数据服务、地图服务、空间处理服务、定位服务、OGC服务、三维服务以及基础空间服务，具有地图缩放、视图平移、坐标定位、图形量算、图层管理等功能。

·数据分析层：包括空间服务平台、管网动态模拟模型、专题制图、数据维护、空间分析、2D、3D展现等，实现厂站网联动指挥调度结果在数字地图中的动态交互、实时融合和仿真模拟。

·业务应用层：包括管网资产管理、管网健康监测、管网养护工程、管网巡检工程、公共服务管理、雨污混接管理、管网改造设计评估、污水管网负荷分析、管网规划设计模拟等应用板块，同时可以利用水力模型进行管网多场景模拟。

一、排水管网GIS平台

基于“BIM+CIM+GIS+IOT”面向城市排水管网，采用二三维一体化数据管理方式，结合地面三维仿真模型，综合分析排水管网拓扑关系、排水户特征，构建完善的城市排水管网运行实时感知系统，进行排水管网的探测、监测、检测、溯源、诊断等，细化管网存在变形、破损、堵塞、塌陷等隐患位置，实施排水管网的“精准施治”，从根本上解决问题，并实时展现地上地下排水管网运行态势，形成一套城市排水管网安全运行基础设施管理库。

二、管网巡检养护平台

包括排水管网智能检测评估子系统、管道修复工程管理子系统和管道养护工程管理子系统。利用视频监控CCTV和QV技术，在实现多维可视化管理的同时，对管道进行内窥检测，拍摄并记录管道状况和缺陷，对管道缺陷进行分类、分级和实时定位。利用AI病害识别技术进行排水管道在线缺陷评估、缺陷校核以及报告输出，分类分级告警超标、过载、设施故障等各类风险。

 

平台通过对管道的修复和养护工程进行管材材质、标准、设计、预算、施工、验收等全周期管理，从项目和工单维度出发，进行审批、验收流程管理和进度把控，加强管材质量准入控制；推动优选管材及管网配套设施，从环刚度、耐腐蚀、抗渗漏、全周期管理价格等方面综合考虑，实现城市排水管网全生命周期协同、数字化建设管理和智慧化运维管控，提供项目管理、设计管理、施工管理以及管网修复和养护全过程一体化动态管理。

 

三、管网决策管理平台

包括管网监测预警子系统、排水户管理子系统、管网巡检考评管理子系统和管网运维直播监理子系统。当水质、排水、降雨和设备状态出现异常情况时，可利用SCADA系统对泵站进行联动处置，同时也可利用巡检考评子系统对人员进行调度管理，包括巡检路线指定，工单派发，车辆使用，材料管理等，为监理单位建立完善的监管体系。通过管网运维直播监理平台，对现场检测设备位置、动态和内容的实时回传进行观看，避免检测数据造假，为管网的健康运行提供决策依据，也方便管理部门进行指挥调度。 

 四、公司简介：

广东地空智能科技有限公司（GSI）专注于物联网、大数据、云计算和人工智能技术领域，在地球与空间科学、地球物理与空间信息、城市地下空间工程等领域信息智能开发应用的空天地一体化科学数字化解决方案提供商。旗下地空云服务产品，从工程设计到检测监测评估再到后期运维分析决策，为客户提供全方位一站式全流程平台服务，公司主要在中山大学博士、硕士及工程师技术团队基础上，以技术和市场双驱动，开发完成SAAS云平台及全面支持最新一代云平台。

针对大数据和业务深度融合的特点，地空依靠精湛的技术积累为客户提供针对性强的，精准满足客户需求的解决方案：智慧工地一站式服务平台，工程勘察作业与质量监管数字化平台，工程建设管理数字化平台，高支模、基坑、边坡等岩土工程安全监测云平台；城市地面坍塌隐患信息智能管理平台，地质灾害监测预警预报平台，自然灾害监测与应急指挥系统平台，应急管理数据治理平台；地铁智慧物联数据平台（地铁安全运营预警）；管网勘测综合数据处理软件平台、排水管网智能管理平台，水务管网智慧运维管理平台等。

 

绿色城市智慧管理：数字孪生地下综合管廊平台

前言

1833 年，世界第一条市政管线综合管廊在法国巴黎建成。1994 年，上海市政府规划建设了大陆第一条规模最大、距离最长的综合管廊——浦东新区张杨路综合管廊。至今，地下综合管廊，已演变为城市功能的 “生命线”，是人们生活的保障。

当我们畅行在宽敞大道，徜徉在平坦绿地时，在我们看不见的地下 7 至 8 米处，城市“大动脉”正源源不断地为市民输送与生活息息相关的水、电、气和通信讯号，确保城市正常安全高效运行。

效果展示

Hightopo 采用轻量化三维建模技术，高仿真模拟综合管廊内部场景，以 3D 场景为基础，2D 数据面板为辅，数字化展现城市地下隧道空间，了解电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线的铺设情况，并在图扑可视化大屏进行检修口、吊装口和监测系统的查看。

地下综合管廊智慧管理 Web 平台利用三维可视化和虚拟仿真技术，对地下综合管廊的物理要素和信息系统进行高精度模拟重现，围绕感知、传输、数据、平台与应用以及展现等层面的关键技术研究及其应用，实现城市地下综合管廊安全运营与智慧管控。

系统分析

综合管廊概览

Hightopo 的可视化大屏展示陆家嘴干线部分的管廊敷设情况，管廊总体长度 10.14 km，共有 11 个汇集点。综合管廊依托智慧管廊综合运营管理平台，通过管廊内布设的红外对射报警、传感器、人员定位系统等智能设备，对管廊内部的环境参数、设备状态进行实时监测，及时处理管廊内部报警信息及远程调度工作。

其中在系统方面，综合管廊附属系统设计除包含消防、通风、供电、照明、环境与设备监控、安防等系统外，还有智能疏散、人员定位、火灾自动报警与可燃气体探测报警、本体排水等系统。

设备统计

通过 Hightopo 地下综合管廊智慧管理 Web平台，工作人员轻点鼠标，就可以清楚看到各个舱内的运维、保养、故障维修等情况统计数据。用环形图展示离线设备、在线设备，告警设备、待检修设备的比率，如果离线设备过多，应派员工进入综合管廊进行实地检测。

舱室情况

电力 1 舱、电力 2 舱、综合舱和燃气舱共 4 个舱室的电压、电流、负责人和联系方式展示，便于出现问题后及时沟通处理。

干线综合管廊：用于容纳城市主干工程管线采用独立分舱方式建设的综合管廊。

支线综合管廊：用于容纳城市配给工程管线采用单舱或双舱方式建设的综合管廊。

缆线管廊：采用浅埋沟道方式建设，设有可开启盖板但其内部空间不能满足人员正常通行要求，用于容纳电力电缆和通信线缆的管廊。

预警信息

Hightopo 可视化系统收集管廊供电系统、感烟探测器、排水排烟系统、环境温、湿度，可燃气体探测、门禁、入侵检测、视频等信息，有异常，通过智慧管理平台推送报警信号，并且可以派发工单，进行跟踪闭环处理。

7 天内管线破损、人员异常、环境异常、设备异常的告警数据采用环形图展示，让管理者清楚告警的构成情况。告警列表动态显示警报级别和故障地址，便于统计事故易发地。

工单统计

巡检工单、维修工单、动火作业、管廊参观、管线入廊、维护工单分别统计，30 日工单数量累计展示，采用折线图展示历史工单的统计情况。

工单的收集利于问题的统计，后续可排查出事故频繁发生的地点和时间，提前采取预防措施，避免类似问题的发生。

环境监测

HT 可视化利用丰富的图表、图形和设计元素将相对复杂、抽象的数据通过可视的方式以更直观理解的形式展现，便于管廊运维人员的高效管理，无需通过人工核算等复杂形式进行地下综合管廊的运维分析。

HT 可视化大屏，利用各种图表实时展现“地下生命线”各项健康指数：氧气、温度、湿度、通风，如果电力舱、燃气舱、综合舱内哪项指数异常监控平台都会自动报警。如果某一地段含氧量过低，可通过图扑的可视化大屏结合 GIS 快速定位问题点，及时安排人员进行救援。Hightopo 与 GIS 的结合可有效缩短救援时间。

管廊内会产生一些有毒有害气体，根据气体的化学性质可以分为可燃气体和有毒气体两大类。管廊中的可燃性气体主要成分是甲烷和挥发性有机化合物，有毒气体主要是硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，所以管廊内需安装使用检测仪器对气体进行监测，保障人员安全。选用气体检测仪器首选要确定管廊检测气体的种类和浓度范围。

地下管廊环境监控解决方案主要由温湿度传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、硫化氢、甲烷传感器、压力传感器、液位传感器、水浸传感器、烟雾报警器、环境监控主机和云平台组成。连接环境监控主机通过 GPRS/4G 上传至云平台，实现 24 小时不间断在线监控，并支持在线报警、远程查看数据、历史数据曲线查看等功能。

当检测到某项气体的参数超过预置报警值时会通过 HT 大屏发出声光报警信号，提醒运维人员注意作业安全。当系统发生应急启动、故障等事件时，控制器能自动记录事件类型，事件发生时间，事件发生区域以及事件的详细信息。

城市地下综合管廊安全运营与智慧管控的核心在于数据与应用，城市地下综合管廊的数据是典型的多源异构数据，数据来源不同，有环境监控实时数据，有视频监控数据，有管廊本体数据，还有管廊及其设备人员空间位置数据以及应急预案文本数据等，为此多源数据集成、联动与融合是管廊安全运营与智能化管控的核心。

管廊内部系统

无论承载的管线出现故障，还是自身附属设备出现故障，都可能造成部分功能的瘫痪，因此建设综合管廊时需要设置各类现场传感器用于监测和控制管廊内部设施运行情况。通常包括：管廊附属地面及内部供电系统、照明系统、消防系统、排水排烟系统、巡更等。

通风系统

综合管廊属于密闭地下构筑物，必须设置通风系统。保证管廊内电缆散发的热量能及时排出并为检修人员提供适量的新鲜空气。管廊内发生火灾时，能有助于控制火势蔓延和人员疏散。常见管廊通风方式分为自然通风和机械通风，机械通风包括机械排风、机械进风。如果综合管廊内容纳电力、通信、给水等常规管线，可以采用自然和机械结合的通风方式。如果综合管廊内容纳污水、天然气等特殊管线，则必须采用机械进、排的通风方式。

运用 Hightopo 自主研发核心产品 HT for Web，实现可交互的 Web 通风设备三维场景，画面可进行缩放、平移、旋转，以此实现不同位置和编号的风机、风阀状态和模式的监控，便于管理。

安防系统

无论是管廊建设之初还是投入使用中，它的安全问题都至关重要。城市综合管廊的安防建设主要包括：环境与设备监控系统、视频监控系统、消防系统、入侵报警系统、红外探测报警、紧急报警、燃气泄漏报警、火灾烟雾报警、高温预警、特殊区域防爆报警系统、大屏显示系统、电子巡查系统以及综合平台管理等。

通过 HT 可视化系统将温湿度探测器、氧气传感器、有害气体和积水监测、自动报警和灭火等各种设备的运行状态展示。轮播报警触发的情况，做到全方位监测无死角，全时段监测不遗漏，帮助管理者及时发现问题、解决问题，排除隐患。

监控系统

监控中心是保证综合管廊后期维护运行的指挥中心，HT 作为基于 HTML5 标准的组件库，可以无缝结合 HTML5 各项多媒体功能，支持集成各类视频资源形成统一的视频流，可在 2D、3D 态势地图上标注摄像头对象并关联其视频信号源，通过场景交互来调取相应监控视频，满足运维人员对场景进行实时态势感知、历史数据回溯比对、应急处理预案等监测需求。

传统视频监控多个分镜头画面以 2D 的方式平铺在显示器上，很难将分镜头视频与实际地理位置相对应，无法对大场景进行有效直观的实时监测，没有态势感知。HT 视频融合技术采用 WebGL 技术， 利用 GPU 高性能计算能力对视频图像进行实时处理，图像处理不占用 CPU 资源，画面流畅。

综合管廊监控系统包含若干个子系统，例如：综合管廊运行工况多点高清视频监测系统、综合管廊红外报警实时视频监测系统、综合管廊内管道等设备监控系统等。

当某区段温度过高（高于40℃），或湿度过高（高于90%）时，监控计算机启动该区段的通风机，强制通风换气，保障综合管廊内电力电缆的运行容量和各设施和工作人员的安全。

工作人员信息

每位运维员的入廊时间、离开时间、工作点位、联系方式都实时显示，如有异常，监控室运维可及时联系管廊内巡检员工快速撤离到安全地带。在每位运维员头顶的红色安全帽里安装蓝牙定位、小摄像头，遇到突发状况时，运维员按下帽子上的求救按键，信号、画面就会实时传回指挥中心。

排水系统

地下综合管廊内有专做的生活污水雨水管路，也有专业的排水管道配套设施，遇上城市污水管不能马上泄水时候，可以立即借助地下综合管廊的较大空间来实现排洪。通过液位检测系统快速确定液位高低，并发送数据至 HT 监控中心。如液位过高可实时调整水泵运行状态，有效降低管廊维护成本，提高效率。

当区段内两个爆管检测专用液位开关同时报警和水管上压力开关压力低报警、或红外防入侵装置报警时，PLC 开启相应区间的照明。

绿色节能

双碳目标持续推进，节能减排是重点。对于传感器和智能面板的节能设置。其中传感器作为自动控制感应模块，嵌入式安装在管廊顶部，可以设定有人经过时红外感应控制亮灯，人离开后在设定的时间内熄灯。智能面板等手动控制设备，可嵌墙安装在管廊分区入口处，这样可实现自动控制、现场控制和值班室远程控制相结合。

综合管廊各舱智能监测系统，具备对各舱本体、运行环境等进行智能检测。采用环形图动态显示各舱室能耗占比，比对分析巡检数据，可及时发现设备和运行环境中存在的高耗能情况，及时进行调整。

设备能耗监控

采用柱状图分别对比通风、监控、照明、排水、安防的能耗数据并进行存储和管理，识别能耗较大的设备并采取调整措施。能耗历史的统计方便管理者对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

节能减排考核

建立科学、完整、统一的节能减排统计、监测和考核体系，按规定做好各项能源和污染物指标统计、监测，按时报送数据。要对节能减排各项数据进行质量控制，加强统计执法检查和巡查，确保各项数据的真实、准确。严肃查处节能减排考核工作中的弄虚作假行为，严禁随意修改统计数据，杜绝谎报、瞒报，确保考核工作的客观性、公正性和严肃性。

总结

Hightopo 3D 可视化综合管廊系统摒弃传统运维管理模式的缺陷，打造“绿色管廊监管运维一体化”体系。城市地下综合管廊安全运营与智慧管控主要集成环境监控、管廊本体监控、人员设备定位、入侵探测安全防范等，构建环境、设施、设备与结构安全体系，最终基于 3D GIS+BIM+全景的管廊安全监测监控综合集成、联动报警与控制，并基于 ITSS 的综合管廊智能运维与服务，建立运维、成本与管理等服务的地下管廊综合评价指标体系，全面考核管廊安全健康状况、运维服务情况以及成本与管理情况，全面构建城市地下综合管廊安全运营与智慧管控体系。

更多行业应用实例可以参考图扑软件官网案例链接：图扑软件 - 构建先进 2D 和 3D 可视化所需要的一切