基于數字孿生的智慧節水技術研究與應用

摘要：數字孿生與智慧節水深度融合，以數字化賦能節水管理，成為新階段節水高質量發展的堅實后盾。數字孿生作為新的技術手段，能夠實現物理實體與數字虛體間的實時交互和精確映射，提高用水單位用水管理精細化水平。主要分析智慧節水技術現狀和數字孿生技術機理，選擇某高校作為研究對象，通過數字孿生技術構建用水趨勢分析仿真模型，全方位展示研究成果，并從管理、環境、經濟、社會等方面進行效益分析，為節水數字化轉型提供理論和技術支撐。

關鍵詞：智慧節水；數字孿生；數字化；新質生產力

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0507

Research and Application of Smart Water Saving Technology Based on Digital Twins

—Taking a University in Shanghai as an Example

LU Daming1， HAN Bowen2

（1. Shanghai Water Supply Management Affairs Center， Shanghai 200081， China;

2. Market Development Department of China Communications Construction Group Co.， Ltd.， Beijing 100088， China）

Abstract： The deep integration of digital twins and smart water conservation， empowering water conservation management with digitalization， has become a solid backing for the high-quality development of water conservation in the new stage. As a new technological means， digital twins can achieve real-time interaction and precise mapping between physical entities and digital virtual entities， improving the level of precision in water management of water using units. The main focus is on analyzing the current status of smart water-saving technology and the mechanism of digital twin technology. A certain university is selected as the research object， and a simulation model for water usage trend analysis is constructed through digital twin technology. The research results are comprehensively displayed， and the benefits are analyzed from management， environment， economy， society and other aspects， providing theoretical and technical support for the digital transformation of water-saving.

Keywords： smart water conservation; digital twin; digitization; new quality productivity

為貫徹黨的二十大報告關于“堅持人民城市人民建、人民城市為人民，提高城市規劃、建設、治理水平，加快轉變超大特大城市發展方式，實施城市更新行動，加強城市基礎設施建設，打造宜居、韌性、智慧城市”重要論斷，根據《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》《上海市全面推進城市數字化轉型“十四五”規劃》等文件要求，結合水利部太湖流域管理局推進數字孿生先行先試任務建設和上海市整體發展戰略，上海市加快推動數字化改造工作，重點打造新場景、實現新突破、塑造新格局，有效提高生產、生活、服務、管理等各方面的效率。圍繞智慧節水數字孿生領域展開研究，以上海某高校較為成熟的智慧節水平臺為基礎，結合數字孿生技術構建用水趨勢分析仿真模型，以實現精準預警預判，提高用水單位用水精細化管理水平，助力節水高質量發展。

1 數字孿生概述

數字孿生技術的關鍵是充分利用物理模型、傳感器實時數據及歷史運行數據等信息，通過仿真建模將現實世界中物理實體的全維度和全生命周期完整地映射在虛擬空間中。其本質是以數字化的形式在虛擬空間中構建與物理世界一致的模型，并通過信息感知、計算、場景構建等技術手段，實現對物理世界狀態的感知評估、問題診斷及未來趨勢預測，從而實現對物理世界的調控[1]。

1.1 數字孿生的特點

一是實時性，數字孿生技術可實時采集物理實體數據，通過在數字世界中建立相應模型反映出物理實體的實時狀態和行為；二是互動性，數字孿生技術可在數字世界中操作和模擬物理實體，并將結果反饋至物理實體，實現數字世界和物理世界的互動；三是可擴展性，數字孿生技術可針對不同的物理實體和場景建立不同的模型，并可隨數據的增加和模型的改進而不斷擴展；四是精確性，數字孿生技術通過海量的數據和先進的算法在數字世界中建立精確的模型，從而模擬出物理實體的行為和性能；五是可視化，數字孿生技術可通過圖形化的方式呈現物理實體的狀態和行為，便于理解、操作和分析。

1.2 技術體系

數字孿生的實現需依靠各項基礎數字技術的融合與創新。一是數據全面、精準感知。通過智能傳感器、衛星定位系統等信息傳感設備，利用數據傳輸技術、傳感器協同感知采集技術、傳感數據解析及訪問技術，按照特定的協議要求采集物理世界的數據，實現外部世界信息的感知和識別。通過物聯網設備的泛在感知，實現感知信息高可靠性、高有效性。二是虛實數據可靠、高效傳輸交互。具體技術包括通信傳輸技術、通信網絡架構技術、信息安全訪問技術等。三是數據管理。采用云計算和數據中臺技術分析與管理模型參數、信息的時間和空間數據等海量數據，實現多源、多維數據共享交互。四是孿生體建模技術。采用基于時空虛實數據的分析、數據驅動與知識融合、物理建模等技術，創建高保真的數字孿生虛擬模型[2]。

2 智慧節水技術創新點

智慧節水技術是指運用物聯網、云平臺、大數據等技術，將用水計量設備、傳感器、網絡、移動系統與用水管理系統相結合，構建海量信息實時分析與處理體系，并提供綜合信息化服務和輔助用水管理的智能節水方式[3]。在智慧節水領域，運用數字孿生技術對水資源的生產、供應、分配、利用及回收等進行數字化建模，實現對水資源的智能管理、實時監測、精準控制和及時預警。與目前的智慧節水技術相比，基于數字孿生的智慧節水技術進一步擴展了智慧節水技術的可能性，具體創新點如下。

第一，數據采集和建模更加全面和精準。通過多功能傳感器和多種數據源采集水量、水質、水壓、溫度、濕度及風速等各項水資源相關數據，并建立相應的數字模型，通過直觀的數字化展示實現全面、精準的數據動態監測與分析。

第二，算法和模型更加智能和靈活。利用人工智能、機器學習、深度學習等算法和模型分析與處理海量數據，通過提取特征、建立模型、數字化展示等實現對水資源的智能管理和優化[4]。

第三，供水管網展示更加直觀。傳統智慧節水系統無法直觀展現用水走向和管道分布，而數字孿生可仿真展示管道分布、走向以及水表、閥門和消防栓位置，真實模擬水資源系統的復雜性和動態性。

第四，響應更加及時和精確。數字孿生技術可實現用水現狀與數字模型的同步，如有用水異常情況系統會及時發現并精準定位，實時向管理人員反饋異常情況并迅速做出響應，用水管理更加精細。

第五，決策支持更加科學、合理。數字孿生技術可根據建立的數字模型，對用水情況進行多方位、多維度的分析和處理，提供用水管理方案和節水方案，為管理部門決策者和用水單位管理者提供科學、精準的決策支持。

第六，節水效果更加顯著?；跀底謱\生的智慧節水技術能夠全方位動態監管用水單位內部全部用水點、管網、設備、器具，可有效降低管網漏損發生次數和持續時間，及時發現和解決問題，進一步優化用水結構，提高用水效率和管理效能。

3 研究內容與技術路線

3.1 研究內容

經前期調研，某高校新建校區供水管網及各項用水設施設備較新，智能水表已基本實現全面覆蓋，智慧節水系統各項功能較為成熟。其在智慧節水技術方面的探索和實踐給上海市其他高校和機關單位起到較好的示范帶動效應，綜合考慮后選擇該高校作為研究對象。主要研究內容如下。一是數據底板。通過建立用水管網和用水設施及工藝模型，結合海量基礎用水數據分析和歸納學校用水行為，探索用水趨勢的精準預警預判，提出節水對策建議。通過仿真巡檢縮短用水異常發現周期，大幅縮短管網查漏時間，同時有效減少安全隱患，避免重大事故的發生。二是水務孿生體對象管理。提供水務對象結構化管理、瀏覽、搜索及定位等功能，從單位整體到建筑、層級再到房間、設備，從宏觀到微觀均可集中管理。三是仿真巡檢。數字孿生可自定義漫游路徑，通過仿真漫游方式可進行單位用水的全方位展示、日常巡檢及用水設施的動態管理。四是實時預警處置。支持各類用水異常事件自動感知、智能分級預警，根據應急預案流程自動生成異常原因分析和異常處理方案，并向管理人員做出實時推送處理。

3.2 技術路線

經前期需求調研，形成技術路線，如圖1所示，具體內容如下。一是數據采集與整合。系統需要具備實時采集和整合數據的能力，包括供水管網壓力、流量、用水量等數據。二是數字孿生模型構建。基于采集的數據，構建一個數字孿生模型，模擬實際水系統的運行狀態，預測未來的用水需求變化。三是節水方案制定。根據數字孿生模型的預測結果，制定節水對策，如優化用水結構、實施內部用水指標分配、節水技術改造等。四是決策支持。通過可視化界面展示水系統運行狀態、趨勢預測，為管理人員提供用水管理及節水決策提供建議。五是安全性與可靠性。確保系統的數據安全和穩定運行，具備防黑客攻擊和數據備份恢復功能。六是易用性與可擴展性。系統界面應簡潔，滿足不同用戶的操作習慣，同時具備良好的可擴展性，適應未來業務需求的變化。

4 架構設計

4.1 數據采集與感知模塊

該模塊負責從各種傳感器和數據源收集實時數據，包括水流量、水表讀數、水壓力等。這些數據通過物聯網進行傳輸，并存儲在數據存儲模塊中。

4.2 數據存儲與處理模塊

該模塊負責管理從數據采集與感知模塊中獲取的數據。數據經過預處理后，通過數字孿生技術進行模擬和分析，從而實現對實際供用水系統的全面展示。

4.3 數字孿生模塊

該模塊是系統的核心，負責創建和運行供用水系統的數字孿生模型。通過接收來自數據采集與感知模塊的數據，實時模擬真實供用水系統的狀態和行為。同時，可根據預設的規則和條件，處理和挖掘數據，以發現潛在問題并進行優化。

4.4 管理與控制模塊

該模塊基于數字孿生模型的分析結果，實現對水系統的管理和控制功能，包括水量分配、漏損檢測、預警報警等。通過與數據采集模塊的實時交互，可以實時監控和動態管理用水情況。

4.5 交互與可視化模塊

該模塊負責將數字孿生模型的分析結果以直觀的方式呈現給用戶，包括實時水量監控、數據報表、變化趨勢分析等。同時，用戶可自定義配置、調整和優化數字孿生模型，進一步提升管理效能。

在實際應用中，各個模塊之間的交互是動態的、實時的。數據采集與感知模塊收集的數據經過處理后，被數字孿生模塊用于模擬和預測。數字孿生模塊的分析結果通過管理與控制模塊用于決策，并實時反饋到數據采集與感知模塊進行驗證和調整。同時，交互與可視化模塊為用戶展示了整個系統的實時狀態。這種交互方式使得基于數字孿生技術的智慧節水系統能夠實現高效且智能的管理和控制。

5 研究成果

5.1 技術架構

按照某高校的用水管網情況，利用數據采集設備將實時水表數據信號通過傳輸控制協議/網際互連協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協議傳輸至數據庫服務器，實時監控學校用水數據，并以結構化形式存儲后展示于智慧節水平臺，為學校提供全方位的精細化用水管理服務。

5.2 軟件系統

運用物聯網、大數據分析、云計算等技術構建可靠的智慧用水管理平臺，通過統一業務的建模及數據訪問，確保技術平臺的開放性和可擴展性。軟件系統集成包括智能計量設備、上位機采集軟件、數據庫、監測網站以及交互接口。

5.3 功能實現

5.3.1 數據底板

通過建模軟件對現場進行實測繪制后得到真實、準確的數字孿生模型，可用于展示、漫游、仿真及分析。在繪制數字孿生模型時，綜合考慮現場各方面影響因素，如建筑結構、設備位置、設備類型、管道布局和走向等。在此基礎上，不斷檢查、糾錯及優化模型各項參數，確保模型的準確性和完整性，使其運行更加直觀和流暢。

5.3.2 水務孿生體對象管理

水務孿生體對象管理主要實現對水務孿生體對象進行結構化管理、瀏覽、搜索、定位等功能，從宏觀到微觀均可集中管理。同時，能夠實時、精準查找和定位需要的水務對象，如查找特定的設備或管道，或查看整個用水系統的結構和布局。此外，水務孿生體對象管理能夠幫助學校進行設備維護和管理，及時發現設備的故障并進行維修，從而提高設備的可靠性和安全性。

5.3.3 仿真巡檢

通過自定義漫游路徑實現整個校區的仿真巡檢，更加直觀地了解用水系統的運行情況和存在問題。例如，通過漫游的方式實時查看設備的運行狀態、管道的布局、水流的流向等，及時發現設備的故障并快速處理。在進行仿真巡檢時，可根據實際管理需要優化漫游路徑和速度。例如，通過調整漫游路徑來查看不同的設備和管道，或通過優化漫游方式來提高巡檢的效率和準確性。

5.3.4 實時報警處置

實時報警處置可幫助高校對各類用水異常事件進行自動感知、智能分級預警，并實現對各領域報警現象的綜合管理。同時，能夠根據應急預案流程智能化進行推送處理。例如，通過智能分級預警來確定用水異常事件的緊急程度，并采取相應的措施來處理。此外，實時報警處置能夠幫助學校進行推送處理。例如，發生用水異常緊急事件時，系統可自動向相關人員發送通知，并指導相關人員采取相應的措施進行處理，更加高效地應對各種緊急情況，保障用水系統的安全和穩定。

5.3.5 實時數據采集

實時監控的數據包括實時流量、歷史流量、表狀態等，并主動篩選出無效數據，增加數據準確性。無須人工進行低效率的重復勞動，大大提高基層工作人員的工作效率。同時，可以將其他能源的數據接入系統，實現能源綜合管理。

5.3.6 統一報表管理

系統支持各類用水報表輸入和輸出，包括瞬時流量、小時水量、日水量、月水量、年水量及任意時段同環比數據，并支持數據導出。無須人工錄入用水數據，避免人工抄表統計可能造成的誤差。同時，可支持節水主管部門通用報表管理及其他能源報表統一管理。

5.3.7 智能數據分析

智能數據分析功能包括在對象模型中建立組織結構和設備模型，并以此為基礎進行關鍵區域或設備的耗水統計和分析，系統可提供多維度的用水分析模型來適應不同的需求。通過實時監測用水數據，挖掘節水改造潛力，為提高用水管理水平和水資源利用效率提供基礎數據支持和量化考核依據?？赏ㄟ^海量數據庫預測管網狀態及用水趨勢，并支持其他能源數據接入進行大數據分析，用于后續節能改造決策以及科研等用途。

5.3.8 全生命周期管理

全生命周期管理功能主要記錄了項目開展全過程的信息，包括項目起止時間、相關設備的具體信息等，學校可簡單快捷地進行項目相關信息的查詢和記錄。后續可持續更新項目相關信息，保證項目全生命周期的重要信息均可追溯。

5.4 效益分析

5.4.1 運行效果

運用數字孿生技術能實時監測用水的各項指標，如水量、管道參數、位置信息等，實現對供用水系統的全面監測和異常用水的報警。通過與傳感器設備的連接，數字孿生技術可以及時獲取數據，并進行分析和預警，幫助學校及時發現問題和迅速采取相應的解決措施。數字孿生技術利用模擬仿真的方法對智慧水務系統進行模型建立與優化，通過提取系統實際運行數據，構建出與實際系統同步的數字化模型，并進行模擬運行和優化調整。目前，學校智慧節水系統結合數字孿生技術實現了仿真漫游、管路總覽、首頁數據圖表以及步行模式等功能，借助數字化模型，學校管理人員可進行輕量化用水管理，并不斷優化系統運行效果。智慧節水系統通過數字孿生技術，并利用數據分析和模型預測技術，實現對用水的智能化、精細化管理。通過數據實時分析和處理，系統可自動調整設置水量閾值，管理用水設備的運行狀態，不斷降低用水單耗，提高用水效率。智慧節水系統以用戶需求為導向，通過數字孿生技術實現了對用水的精細化管理和人性化服務，為用戶提供了更加便捷、高效、智能的服務體驗。

5.4.2 管理效益

數字孿生技術在智慧節水和水資源管理中的應用，能夠直觀而全面地觀察用水分布情況。這不僅有助于提高用水管理水平，還能降低水資源滴漏等損失風險。數字孿生體可實時顯示水資源的重要技術指標值，管理人員可隨時掌握供用水情況的變化，當系統識別到指標出現異常時自動報警，管理人員迅速做出反應和處理，提升用水監管與調控能力。通過實時監測和預測，此外，數字孿生技術便于物理世界與虛擬世界的交互，為水資源管理提供了新的視角。

5.4.3 環境效益

數字孿生在智慧節水技術中的應用還可以優化水資源的分配和利用，推動水資源節約利用和環境保護。數字孿生技術可以實時收集和分析用水數據，可以快速定位漏點，及時發現水資源浪費問題，實現全面監管和控制。利用智慧節水數字孿生技術，可以有效減少水資源的浪費。

5.4.4 社會效益

數字孿生在智慧節水技術中的應用起到了良好的示范效應，為社會帶來多方面的效益，包括減少水資源的浪費、節水減排降碳、提高供水安全等，同時有助于推動科技創新和綠色低碳發展。

5.4.5 經濟效益

基于數字孿生的智慧節水技術的推廣和應用，將帶來直接的經濟效益，如減少水資源的浪費、節約污水處理費、減少用戶生產生活用水運營成本等。

6 結論

目前，數字孿生在節水領域的應用尚處于初級階段，智慧節水技術模型的精度和可靠性需不斷優化和提升，急需通過多元感知來提升用水節水管理的智慧化程度。通過將數字孿生與智慧節水技術相結合，為用水設施設備提供全生命周期管理，可實現用水管理過程從物理實體到虛擬實體的精準映射，通過數據采集、智能分析、計算、預測實現用水管理措施的不斷優化及用水異常問題的預警、報警和應急處置，并由虛擬實體反饋到物理實體，從而提高用水精細化管理水平和節水成效。通過對智慧節水管理模型的充分應用和不斷優化迭代，將有效提升用水管理的安全性和便捷性，以數字化賦能節水高質量，助力新質生產力發展。

參考文獻

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2 韓佩瑤，杜呈欣，張 銘，等.基于數字孿生的城軌智慧能源管控系統設計及展望[J].現代城市軌道交通，2023（12）：27-33.

3 楊永鵬.石羊河流域水資源智慧治理研究[D].蘭州：西北師范大學，2023.

4 趙家貝，黃雅菁.數字孿生技術：驅動數字化轉型的關鍵應用與發展[J].科技創新與應用，2024（3）：25-34.

作者簡介：魯達明（1990—），男，內蒙古鄂爾多斯人，碩士。研究方向：節約用水管理及節水技術。