基于數字孿生的地下管網生態管理探索實踐
——以杭州市臨平區東湖街道為例

文｜杭州市臨平區東湖街道城市管理辦公室 范愈迅；杭州市臨平區住房和城鄉建設局 胡茂偉；浙江越歌科技有限公司 龐璐渲

1.前言

近年來，國內部分城市發生了燃氣泄漏爆炸、積水內澇、道路塌陷等突發事件，嚴重影響了人民群眾的生命財產安全和城市生命線的安全運行。為進一步加強城市地下管網的規劃、建設、管理，《住房和城鄉建設部關于加強城市地下市政基礎設施建設的指導意見》（建城〔2020〕111 號）、《浙江省數字化改革總體方案》（浙委改發〔2021〕2 號）等文件，要求“運用第五代移動通信技術、物聯網、人工智能、大數據、云計算等技術，提升城市地下市政基礎設施數字化、智能化水平”，從摸清底數、科學布局、提標改造、系統提升、規范管理等方面推進城市地下管網建設，建立地下管網數字化生態管理系統。

2.地下管網管理難點

隨著城市化快速推進，杭州市臨平區地下管網體量每年上升超過11%，地下“毛細血管”日益錯綜復雜。為推進地下管網數字化管理，該區以工業重鎮東湖街道作為試點，劃定75 平方公里試點范圍，探索建立地下管網數字化管理體系。管網管理難題如下：

（1）地域面積大，管線數據龐雜。試點范圍內擁有河道118 條、總長198 公里，雨污管網長達497 公里，雨污井12 萬余個。地下管網包含燃氣、雨水、污水、電力、給水、泵站等多種類型，數據龐大復雜，且分散在各個部門，在納入東湖統一管理過程中，存在底賬不清、數據缺失、查閱困難、管段與周邊管網關系不明確等問題［1］。

（2）權屬單位多，標準不統一。管網管理工作涉及的部門眾多，包含管線權屬單位、建設單位、管理部門等，各部門在實際工作中“各管各線”，數據采集、入庫標準不同，數據資料較為混亂。

（3）更新維護工作量大。城市不斷建設發展，地下管線亦在持續更新，在城市建設、運營、管理過程中會新增大量管線數據，加工處理量大，維護成本較高。

3.數字孿生與地下管網

數字孿生是賦能智慧城市建設的創新引領性技術，其運用到城市中，即在城市建筑信息模型（CIM）的基礎上，利用物聯網技術把物理城市的人、物、事件及各類要素數字化，在網絡空間里再造一個與之完全對應的“虛擬城市”，形成物理維實體城市和虛擬數字城市的同生共存、虛實交融［2］。數字孿生若運用到地下管網管理中，則具備如下特征：

管網實體的精準映射。數字孿生是現實世界的數字克隆體，因此地下管網的數字孿生需精準映射現實管線信息，在虛擬空間中搭建管網模型，并確保管網及其附屬設施信息與現實世界的一一對應。

管網運行的實時感知。物聯網是支撐數字孿生的重要技術之一，它可以匯聚物理世界的實時運行信息，幫助洞察城市運行態勢。通過安裝在城市地下管網中的傳感器，實時監測管網運行情況，實現感知異常、提前預警，促進對各類突發事件的及時有效處置。

管網管理的智能決策。數字孿生的核心能力包含模擬仿真、分析挖掘。在地下管網管理的全生命周期中，可以運用數字孿生的模擬仿真與分析能力，通過全面、精準的分析計算，預演管線各階段情況，促進盡早發現可能出現的問題與危險，以未來視角對地下管網的建設發展進行智能干預，輔助相關單位的科學決策［3］。

4.地下管網生態管理的實踐

東湖街道利用數字孿生技術推進地下管網閉環管理，通過構建城市地下數據資源庫、推進業務重構與流程再造、完善信息化平臺，實現了地下空間數據全要素歸集、全方面運用、全流程治理、多觸角監測，助力提升地下空間治理能力和治理現代化水平。

4.1 基于數字孿生底座平臺

以數字孿生技術為依托，以“數字孿生”鏡像為實現方式，在城市數字孿生管道燃氣安全平臺的基礎上，迭代更新城市管理數字化平臺，將城市運維信息納入系統管理，采用以“1+N+4+1”的模式打通部門交互環節，形成綜合型系統。“1”即1 個數字孿生系統，“N”為多個行業部門的數據接入，“4”是根據應用對象與場景，分為應用場景頁面控制中心、PC 端應用場景頁面、現場工作人員應用場景頁面、數字政府場景頁面，“1”是建立一個樣板工程，推進城市管網管理智慧化、治理精細化、服務人性化，為杭州乃至全國建設數字孿生城市積累可復制推廣的先進經驗。

圖1 東湖街道地下管網生態管理實踐

4.2 全方位匯聚數據，構建地下管網數字化綜合場景

圖3 虛擬開挖分析

圖4 淹沒分析

圖5 管網大數據看板

（1）數據歸集，形成數字檔案。構建城市地下管網“一件事”,以多維、多源、多態數據為基礎，以統一標準規范為依據，以海量智能算法為支撐，通過“基礎數據+實時運行+智能監控”模式，形成集雨水、污水、弱電、泵站等管網于一體的綜合性電子檔案，助力精準發現問題、對接需求、研判形勢、預防風險。轉變“信息孤島”理念，按照跨部門多業務協同思路，全面梳理區水務集團、供電公司、港華燃氣以及住建局、綜合行政執法局、鎮街等部門提供的管網及設計規范數據，結合統一地名、地址庫，將新建管網、傳感器以及應用系統，全部納入“地下管網數字化生態系統”應用場景。目前已歸集11 個部門近2.3 億條數據，有效支撐核心業務。

（2）技術賦能，實現一網統管。緊盯新建市政地下管線項目及未來規劃，始終堅持數字化改革理念，分篩采用IOT、CIM、數據庫等貼合性較強的技術應用，依托北斗、5G、IC(集成電路)數字芯片技術建立地下管網大數據云平臺，配對智能硬件，實行“一網統管”。

（3）流程重塑，構建工作閉環。應用地下管網數字孿生系統駕駛艙，推進全生命周期管理，統籌地下管網“數據監測-研判分析-任務分解-數據反哺”子功能，形成“實時監管-自動預警-自動派單-及時反饋-監管考核”全流程閉環管理機制，實現城市風險自動發現、城市運行規律主動洞察、運維養護過程追蹤回溯、決策分析仿真推演、要素資源高效配置。

4.3 全流程綜合治理，強化地下管網運行安全

（1）改變巡查方式，實現“點線巡查”向“長效管理”轉化。管網運維中人機協同，依托地下管網數字化孿生系統，通過系統數據可主動發現、準確定位地下管網堵塞、溢流、高負荷運行等問題，診斷問題成因，就近調動移動技術設備車輛，高質量實現定位識別、精準修復，大幅縮減時間與施工成本，做到“修必準、準必快”。2021年3月，新天路大開挖工程在該系統的助力下，整體成本和施工時間由100 多萬元20 多天縮減至65萬元3天，推動經濟效益、社會效益雙豐收。

（2）改變預警方式，實現“事后響應”向“事前預警”提升。利用地下管網內設置的傳感設備，對排水、供水、燃氣管網等生命線進行實時監測，敏捷掌控各類突發事件，并根據不同的問題類型、等級、所需費用等快速確定處置方案。在污水治理期間，監測各污水泵站的實時液位、流量、機組運行狀態，自動感應、自動推送、協調處理各站點運行及作業人員工作情況，通過遠程調控實現水量平衡，防止污水滿溢。

目前，累計發現并處置相關問題1246個。2021年汛期及臺風“煙花”期間，該區以地下管網高程信息為依據，通過水文水動力模型推算降雨量，結合管網及井蓋端的液位器，實時報警水位水量，為防汛作戰部提供決策參考。

（3）改變統籌方式，實現“末端治理”向“綜合管理”深化。發揮數字檔案優勢，實時記錄、監測、更新地下管網管線規格、建設施工、數字芯片植入、竣工驗收全過程，形成大數據庫。通過端口即時傳輸至規劃、住建、城管、水務、管線運維等部門，實現資源共享、行動升級。目前，東湖街道地下管網數字孿生系統已建立橫向聯動各職能部門，縱向貫通街道、村(社區)的管理體系，整合相關系統5 個，涉及14 個部門和150 余家企業，實現數據錄入、施工審批、項目建設、運維管理、檔案查詢等基層治理“一步到位”。

4.4 多領域優化服務，提升地下管網應用效能

（1）實現用戶辦事“最多跑一次”。地下管網數字化變革之前，納管施工單位在處理污水滿溢、道路積水、管道修復等工作時，需要查閱道路管網檔案，再由工作人員現場放樣比對，整個審批流程歷時5個工作日才能全部完成。目前，地下管網數字化管理系統已上架至“浙里辦”服務端，施工審批、項目建設、檔案查詢等日常業務“網上可辦”，納管施工單位5 分鐘內便能獲取管道位置、標高、管徑、流向等信息。

（2）實現技術修復“最多修一次”。通過應用場景及數據模型，建設前開展模擬建造，做好風險預測，規避實際風險；建設中可以做好對工程項目從質量、安全、綠色施工、進度等方面的數字化動態監管，避免重復施工。如地鐵九號線荷禹路段管線遷改項目施工過程中，提前發現原有圖紙的管線位置偏差及管道流向錯誤，港華燃氣、水務集團、供電公司、四大運營商依托平臺，及時做好燃氣、給水、弱電、雨水、污水等管線的銜接，提升了開挖建設安全性，減少了工程變更。

5.結語

數字孿生的實現需要構建精準模型、融合全要素數據、全面感知物理實體、實時信息交互和按需智能服務。東湖街道在實踐中積極運用數字孿生技術，實現了地下管網數據的深度融合與數字化治理，借助物聯傳感設備，精準把握地下管網運行脈搏，通過信息化平臺，實現管線運維精準高效、決策分析有據可依。打造了貫穿地下管網規劃設計、綜合審批、施工建設、運維養護全流程的生態治理體系，讓隱蔽的地下管網管理暴露在陽光下，匯聚至系統平臺里。在推進城市治理數字化轉型方面是一次重要的探索創新，可為地下管網管理提供有益借鑒，為其他領域的智慧化應用積累經驗，為構建城市治理現代化體系增添助力。