近年來(lái)，我國城市人口密度逐年上升，城市用水用氣需求日益增長(cháng)。國家統計局數據顯示，截止2020年末，我國供水管道長(cháng)度、城市排水管道長(cháng)度、天然氣管道長(cháng)度增速分別為9.43%、7.93%和10.75%。由于多種歷史原因，我國城市地下管網(wǎng)的管理水平相對滯后于城市發(fā)展需求，因管網(wǎng)引起的安全事故頻發(fā)，給城市和市民安全帶來(lái)較大隱患。
地下管道作為城市基礎設施的重要組成部分，數字孿生的應用可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，在管道建設設計、協(xié)作管理等方面提供全方位的支持，同時(shí)也能有效提高管道運營(yíng)的效率和穩定性。隨著(zhù)數字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在越來(lái)越多的行業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，進(jìn)一步改善我們的生活質(zhì)量，并實(shí)現更加智能化、高效化的城市管理和基礎設施建設。
數字孿生管網(wǎng)基于智慧管網(wǎng)解決方案是以城市實(shí)景三維地圖為底圖，疊加三維綜合管線(xiàn)、實(shí)時(shí)視頻監控、管線(xiàn)運行狀態(tài)、巡檢人員實(shí)時(shí)位置、設備運行能耗統計分析等智慧管網(wǎng)相關(guān)數據，充分運用地理信息系統（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、北斗高精度定位等現代信息技術(shù)，實(shí)現監測、分析、決策與管理于一體的智慧管網(wǎng) “一張圖”，強化城市地下管網(wǎng)監測，確保城市地下管網(wǎng)穩定運行。
1.數字孿生系統架構
感知層：感知層主要包括物理實(shí)體中搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類(lèi)新型基礎設施。
數據層：數據層主要包括保證運算準確性的高精度的數據采集、保證交互實(shí)時(shí)性的高速率數據傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數據管理。
運算層：運算層是數字孿生體的核心，其充分借助各項先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現對下層數據的利用，以及對上層功能的支撐。
功能層：功能層是數字變生體的直接價(jià)值體現，實(shí)現系統認知、系統分析、故障診斷、預測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統認知，數字孿生體能夠真實(shí)描述及呈現物理實(shí)體的狀態(tài)，它是實(shí)現數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統分析可實(shí)現數字孿生體的狀態(tài)監測功能，發(fā)揮對物理實(shí)體的早期預警作用。故障診斷，通過(guò)分析物理實(shí)體的運行狀態(tài)，了解現象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術(shù)來(lái)預見(jiàn)物理實(shí)體未來(lái)的狀態(tài)演變，從而指導當前的運行決策。
應用層：應用層是面向各類(lèi)場(chǎng)景的數字孿生體的最終價(jià)值體現，具體表現為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品，能夠明顯推動(dòng)各行各業(yè)的數字化轉型。
2.數字孿生系統的典型特征
等價(jià)映射：數字孿生體是對物理實(shí)體的等價(jià)描述，是對物理實(shí)體進(jìn)行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實(shí)反映現實(shí)世界中的物理實(shí)體的變化。數字孿生體能夠實(shí)現雙向映射、數據連接和狀態(tài)交互，起到“數化”、“保真”效果。
實(shí)時(shí)交互：基于實(shí)時(shí)傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動(dòng)態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀(guān)、性能、位置、異常等?！皩?shí)時(shí)”體現數字孿生體所處狀態(tài)是物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)虛擬映射;“交互”體現數字孿生體與物理實(shí)體間存在數據及指令互動(dòng)。
共生演進(jìn)：“共生”體現在數字孿生體與物理實(shí)體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著(zhù)孿生對象的生長(cháng)而不斷演變。共智體現在三個(gè)層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數據、算法)、孿生體內部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。
預測優(yōu)化：根據物理實(shí)體的各項真實(shí)數據，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行仿真，實(shí)現對物理實(shí)體未來(lái)狀態(tài)的預測，預先知曉未來(lái)狀態(tài)能夠輔助用戶(hù)做出更合理的決策。根據物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行監測，實(shí)現對系統不穩定狀態(tài)的預測，預先覺(jué)察即將可能發(fā)生的不穩定狀態(tài)，使用戶(hù)更從容地處理該問(wèn)題。
建立數字孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體集合內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現對物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據數字孿生的典型特征，可以得出數字孿生的體系架構。
3.地下管網(wǎng)數字孿生運維系統的應用
地下管道包括供水管道、排水管道、通風(fēng)管道等，是城市基礎設施的重要組成部分。在地下管道建設和維護過(guò)程中，數字孿生可以用來(lái)實(shí)現以下應用：
數據管理：數字孿生可以整合現有的管道數據和實(shí)時(shí)監測數據，并進(jìn)行可視化展示和操作。在管道維護過(guò)程中，數字孿生可減少人工監測的需要，同時(shí)也可快速分析數據，提高管道運營(yíng)效率。
設計支持：在管道建設過(guò)程中，數字孿生可以對管道設計進(jìn)行模擬、優(yōu)化和驗證，提供一種低成本、低風(fēng)險的便利方法。數字孿生可以創(chuàng )造出多種管道設計方案并且模擬其運行，并可以基于各種模式來(lái)分析各種建筑設計的效果。
協(xié)作管理：數字孿生可以支持管道建設和維護人員之間的協(xié)作。通過(guò)共用數字孿生模型和實(shí)時(shí)監測數據，團隊成員之間可以更有效地協(xié)作，并且能夠有效地預測管道的故障情況，保證管道質(zhì)量安全。
優(yōu)化成本：通過(guò)數字孿生可以針對管道的設計和建設過(guò)程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，進(jìn)行多次模擬和測試得出最優(yōu)方案。這不僅提高了管道建設的效率和質(zhì)量，同時(shí)也減少了成本開(kāi)支。
提高效率：數字孿生可以對管道運作進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，減少了管道故障和待修時(shí)間，從而提高了管道運營(yíng)的效率和穩定性。
增加安全性：通過(guò)數字孿生可以對管道數據進(jìn)行分析和評估，可以減少管道事故的發(fā)生率。數字孿生可以對管道變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，快速響應管道故障，有效保障管道系統的安全和穩定性。
提高工作滿(mǎn)意度：數字孿生可以讓工作人員更加高效地處理管道問(wèn)題，并且能夠及時(shí)發(fā)現管道故障，提升管道操作工作的滿(mǎn)意度，從而提高員工的工作積極性和工作質(zhì)量。
