1.1城市現(xiàn)狀

   九江市位于江西省北部,地處贛,、鄂、皖,、湘四 省交界處,，號稱“三江之口、七省通衢",是江西省臨江臨港的城市,也是一座有著2200多年歷史的江南名城,。九江是5個沿江對外開放城市之一,是長江經(jīng)濟帶重要節(jié)點城市,是推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展領導小組辦公室確定的長江大保護先行先試的試點城市之一,。目前,九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)存在生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、水體黑臭,、水體富營養(yǎng)化,、 城市內(nèi)澇、水質(zhì)型缺水等諸多問題,。

1.2設計內(nèi)容

   作為長江大保護實施的先行先試項目,，九江市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目一期投資額高達約77億元，項目覆蓋面積達220 km2,，包括九江中心城區(qū)水務基礎設施建設,、管網(wǎng)改造、工程數(shù)字化及平臺系統(tǒng)建設等,。九江市智慧水務項目期望通過針對“廠網(wǎng)河湖（岸）一體的先進排水模式,、泥水并重的資源再生模式、管河聯(lián)動及河湖聯(lián)動的綜合治理模式,、五湖聯(lián)動的清源活水模式,、市政管網(wǎng)的提升模式"及智慧管控模式進行詳細研究，從而對整個長江沿線城市生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展工作推進起到較強和示范作用,。

   九江市智慧水務平臺設計圍繞城市“水安全,、水資源、水環(huán)境,、水生態(tài),、水文化"五位一體的戰(zhàn)略應用,綜合應用地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng),、云計算,、大數(shù)據(jù)等新興技術，采集,、匯總和利用營銷,、呼叫中心、管網(wǎng)運維等眾多數(shù)據(jù),，以數(shù)據(jù)平臺,、應用平臺為框架, 以實現(xiàn)對河道、湖泊,、污水廠,、水閘、泵站,、調(diào)蓄池,、管網(wǎng)、氣象等水務基礎設施和水文,、水質(zhì),、水壓等水情的自動化監(jiān)測、實時化調(diào)度,、網(wǎng)絡化辦事,、系統(tǒng)化管理、科學化決策和規(guī)范化服務,。

1.3總體架構

   九江智慧水務整體實施思路以“一朵云"“一張網(wǎng)"“一張圖"“五中心"“一本賬"的“ 11151"總體框架（圖1）,，在長江沿岸各城市生態(tài)環(huán)保信息化基礎設施建設的統(tǒng)一規(guī)劃下，在九江地區(qū)開展試點,。在排水管網(wǎng)節(jié)點處布設自動化監(jiān)測設備,組成監(jiān)測感知一張網(wǎng),，通過GIS + BIM技術構建數(shù)字孿生一張圖。面向各級管理部門需求打造工程管理,、智慧感知,、水務應用、決策支持及展示宣傳五大中心,。創(chuàng)新管理思維模式,，建設績效指標考核體系，圍繞長江大保護的核心目標在九江市開展示范應用,。

圖1九江智慧水務總體框架

   九江市智慧水務平臺通過調(diào)用長江生態(tài)云中心平臺統(tǒng)一提供的計算,、存儲、網(wǎng)絡,、物聯(lián)感知等資源服務,，開展九江本地監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及對接、GIS + BIM基礎數(shù)據(jù)對接,，對水資源,、城市供水,、污水、雨水,、河湖,、再生水和防洪系統(tǒng)以及城市藍線管控空間等要素進行有機整合，標準化產(chǎn)品調(diào)用以及定制化開發(fā),以創(chuàng)新性的共建共享模式實現(xiàn)長江大保護智慧水務的集約化建設,、規(guī)范化管理,、共享式服務與一體化運營。

圖2九江智慧水務平臺技術架構

   九江市智慧水務平臺數(shù)字孿生技術的應用,，以數(shù)據(jù)為核心，主要通過對資產(chǎn),、項目,、系統(tǒng)的數(shù)字化表達,利用物聯(lián)網(wǎng)、機器學習,、人工智能等手段,實現(xiàn)項目,、資產(chǎn)的數(shù)字化表達與雙向的信息同步,其顯著的特征是統(tǒng)一、可信與易取,。在工程整個全生命周期中,所有參與方都使用同一個數(shù)字孿生對象,從而實現(xiàn)工程信息,、數(shù)據(jù)的一致和同步。通過對現(xiàn)在,、過去數(shù)據(jù)的分析,，以提升項目、資產(chǎn)的可靠性,，抗風險能力和生產(chǎn)力,，平臺數(shù)據(jù)架構見圖3。

 圖3九江智慧水務平臺數(shù)據(jù)架構

2.1數(shù)字環(huán)境構建

   數(shù)字孿生技術開始就是生成數(shù)字模型，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關鍵,，為了克服傳統(tǒng)二維管理平臺可視化程度較低的弊端,，平臺數(shù)字化底座的建設采用無人機傾斜攝影技術,開展九江市域項目范圍內(nèi)的影像采集工作,搭建九江整個建設區(qū)域內(nèi)地理、地貌,、設施數(shù)字化實景模型（圖4）,，替代以往的GIS二維環(huán)境底圖，實現(xiàn)數(shù)字化三維環(huán)境的搭建,作為工程相關數(shù)據(jù),，BIM設計的“底圖"，打造基于“一張圖"的九江市中心城區(qū)水環(huán)境綜合整治智慧水務實施的藍圖,。

圖4九江市智慧水務平臺三維實景模型

2.2數(shù)字模型構建

   在數(shù)字環(huán)境構建的基礎上,，為滿足數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的要求，平臺設計基于項目范圍內(nèi)已建,、在建與新建水務相關工程的初步設計圖紙和施工圖紙完成數(shù)字模型構建,。其中，測繪專業(yè),、結構專業(yè),、水機專業(yè)、給排水專業(yè)分別采用BIM設計軟件搭建污水處理廠的廠房結構模型,、工藝設施模型,、廠區(qū)地形模型等構建筑物。利用Bentley ProjectWisc平臺協(xié)同設計和Ngvivgm•碰撞檢查,提高在建與新建項目設計和施工質(zhì)量,。通過漫游與碰撞檢查找出總裝模型的設計異常點,，再用Ngavayv批注和處理這些碰撞點。制定統(tǒng)一設計平臺,定制標準兀件庫和Paa樣式,，結合Workspace推送實現(xiàn)標準化設計,。同時在工程數(shù)字化基礎上，采用數(shù)字孿生技術,，將BIM模型通過iModC發(fā)布并上傳到智慧水務云平臺,，實現(xiàn)Web端和移動端數(shù)據(jù)訪問和共享，便于將BIM模型同GIS平臺和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結合,，從而導入智慧水務平臺,，實現(xiàn)基于GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧水務“一張圖"應用系統(tǒng)，具體成果見圖5,。

圖5基于智慧水務的建筑物模型

2.3物理數(shù)據(jù)映射

   在物理實體模型與數(shù)字模型構建的基礎上,，為進一步提高數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)信息，便于后期模型驅動,，本研究通過BIM與GIS集成應用,，以實現(xiàn)GIS物理數(shù)據(jù)與實體模型和數(shù)字模型的映射，同時提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力,。通過GIS宏觀地將單個建筑的BIM應用擴展到范圍更大的智慧水務等工程領域,。

   利用GIS + BIM信息技術,，將多來源、不同格式,、不同空間尺度的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成,，針對管網(wǎng)、泵站,、調(diào)蓄池,、污水廠以及監(jiān)測設備等水務設施管理涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)建立管理,、瀏覽,、查詢和空間分析功能，更加高效,、綜合,、豐富、詳細地顯示和分析大量水務設施數(shù)據(jù),，為城市水務設施的運行管理,、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實的、不同尺度,、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持,，具體成果見圖 6。

圖6基于Gin+BIM的城市排水系統(tǒng)精細化管理

2.4感知數(shù)據(jù)映射

   數(shù)字孿生技術與以往仿真模擬技術最大的不同是感指數(shù)居的映射,從而創(chuàng)造一個實時的“真實"的虛擬環(huán)境,。本文利用5G物聯(lián)網(wǎng)技術采集水安全,、水資源、水環(huán)境,、水生態(tài)四方面內(nèi)容的實時在線智能監(jiān)測與感知（水位,、流量、水質(zhì)等）數(shù)據(jù), 建立起覆蓋九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目的智能感知網(wǎng)絡,提升九江市水務部門信息采集能力,提高九江市流域水資源調(diào)度,、水環(huán)境改良與防洪排澇管理的應對能力,。

   九江市中心城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理一期項目的智能感知網(wǎng)絡的監(jiān)控內(nèi)容，見圖7,。

圖7九江智慧水務平臺智能感知網(wǎng)監(jiān)控內(nèi)容

2.5智慧應用

   運維低效,、調(diào)度乏力、缺乏評估考核機制是許多 水務管理企業(yè)和政府部門面臨的重難點,。從業(yè)務應用需求出發(fā),結合智慧化技術手段,九江智慧水務平臺設計了一系列智慧應用系統(tǒng)子系統(tǒng),，旨在實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細化管理、實現(xiàn)水環(huán)境治理方式新突破,。

a）綜合展示,。基于GIS + BIM技術，對水環(huán)境治理規(guī)劃,、水務設施建設,、水務運營管理等幾個方面進行可視化管理,打造綜合展示一張圖。

B) 智慧資產(chǎn),。在工程數(shù)字化的基礎上,對設施資產(chǎn)進行智慧化應用,。利用GIS + BIM等信息技 術,提供污水處理廠、地下管網(wǎng),、防洪排澇設施,、監(jiān)測設備等水務設施管理以及涉及的海量設施資料、空間等數(shù)據(jù)的管理,、瀏覽,、查詢和空間分析功能。為城市水務設施的運行管理,、模擬分析和聯(lián)合調(diào)度提供翔實的、不同尺度,、不同顯示模式的基礎數(shù)據(jù)支持,。

C）智慧監(jiān)測。通過接入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對廠網(wǎng)河湖岸進行一體化監(jiān)測,可及時發(fā)現(xiàn)設施運行中的突發(fā)狀況,有助于事故快速預警,、溯源與追蹤,，管理部門對排水事故的預警和處理能力得到提升。

d） 智慧決策,?；谠诰€監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過水環(huán)境仿真建模,對污染源擴散,、內(nèi)澇,、基礎設施水容量等進行高效分析,形成智慧決策大腦,為管理者預測災情、事故,、突發(fā)事件所帶來的后果,，幫助管理者能夠準確的進行決策與指揮。同時結合移動端應用,使處理工作快速靈敏并協(xié)調(diào)有序,。

e） 智慧評價,。通過污水廠、管網(wǎng),、流域,、排口的監(jiān)測數(shù)據(jù)、以及流域的遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和流域生態(tài)分析,，為城區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)治理工程實施成果進行綜合評估,，為工程運行的正常運行提供評價分析保障。

   采用數(shù)字孿生技術構建的九江智慧水務平臺, 實現(xiàn)了以下3個方面的新技術實踐。

a）城市水務設施數(shù)字化,。在九江試點期間,，市政地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)基于GIS技術，完成九江地區(qū)現(xiàn)狀地下排水管線共計453. 258 km的管網(wǎng)GIS建模,，完成了城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化,。采用傾斜攝影技術,覆蓋十里河、兩河流域及彭澤區(qū)域,飛行272架次,采集7萬多張照片,，航拍影像覆蓋九江中心城區(qū)80km2,，圍繞芳蘭區(qū)域及白水湖區(qū)域構建精度達3 cm的傾斜攝影模型，完成了城市基礎本底數(shù)據(jù)三維數(shù)字化,?；贐IM技術，圍繞芳蘭污水處理廠,、蓄水池,、污水提升泵站等地下排水管網(wǎng)構建筑物，將BIM成果貫穿工程設計,、施工以及竣工,，在工程設計過程中，通過BIM設計模型的審核,、碰撞檢查等手段發(fā)現(xiàn)工程設計問題,減少施工變更,從而節(jié)約了成本,。同時，采用OpenRoads導入GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù),，自動形成三維管網(wǎng)模型,，通過GIS + BIM技術結合，將管網(wǎng)及水務基礎設施三維BIM模型導入到實景數(shù)字環(huán)境中,，在九江地區(qū)實現(xiàn)了基于GIS + BIM的水務設施數(shù)字化示范應用（圖8）,，為工程基礎設施的運維管理提供基礎數(shù)據(jù)調(diào)用及服務。

圖8九江基于GII + BIM的水務設施數(shù)字化

B）基于數(shù)字孿生技術的資產(chǎn)管理,。從工程采集與設計初期,，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)采集模板、設計規(guī)范,通過標準的數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,將設施設備基礎信息與數(shù)字化模型通過編碼進行掛接,形成數(shù)字孿生模型,，實現(xiàn)不同類型和不同階段的數(shù)據(jù)存儲及管理,，并在web端完成模型輕量化轉換, 實現(xiàn)水務設施設備資產(chǎn)的可視化管理，見圖9,。

圖9基于數(shù)字孿生技術的web端設備資產(chǎn)管理

C）水力模型與三維實景結合打造數(shù)字孿生業(yè)務動態(tài)模擬,。在九江，針對城市水務及水環(huán)境數(shù)據(jù)海量性,、多類性,、模糊性,、時空過程性、動態(tài)更新頻繁等特點,，利用SewerGEMS和Opentows Flood構建不同尺度的實時動態(tài)水動力模型,，通過高性能計算集群完成模型多任務、多用戶并發(fā)分布式實時計算,，快速,、準確地實現(xiàn)管網(wǎng)水力、地表漫流,、河網(wǎng)河道,、水質(zhì)傳遞、水生態(tài)等各類模型的統(tǒng)一管理,、統(tǒng)一分析與調(diào)用,。同時，水動力模型根據(jù)監(jiān)測或預報數(shù)據(jù)實時在線進行動態(tài)模擬計算,，實現(xiàn)城市廠站網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度,、泵閘管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、城市內(nèi)澇預測,、管網(wǎng)江河水質(zhì)傳遞計算等業(yè)務功能,，并將水力模型與三維實景模型相結合，面向城市內(nèi)澇業(yè)務,，實現(xiàn)三維可視化的實景動態(tài)模擬,，見圖10,。

圖10基城市內(nèi)澇實景實時動態(tài)模擬

4.1平臺概述

   安科瑞電氣具備從終端感知,、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源,、網(wǎng),、荷、儲,、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護,、監(jiān)測、分析,、治理裝置,，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效,，保護污水廠運行可靠,，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學,、精細的解決方案,。

4.2平臺組成

   AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng),、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng),、電氣安全,、應急電源、能源管理,、照明控制,、設備運維等，貫穿水務能源流的始終,，幫助運維管理人員通過一套平臺,、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要,。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

   對水務配電系統(tǒng)中35kV,、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測,、遙信,、遙控、遙調(diào)等功能,，對異常情況及時預警,。

   監(jiān)測變壓器、水泵,、鼓風機的電流,、電壓、有功/無功功率,、功率因數(shù),、負荷率、溫度,、三相平衡,、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

   水務中大量的大功率電機,、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波,，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動,、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量,，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3電動機管理

   馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護,、遙測,、遙信、遙控功能,，電動機保護器能對過載,、短路,、缺相、漏電等異常情況進行保護,、監(jiān)測和報警,。高效、準確地反映出故障狀態(tài),、故障時間,、故障地點、及相關信息,，對電機進行健康診斷和預防性維護,。同時支持與PLC、軟啟,、變頻器等配合,，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視,、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn),。

4.4.4能耗管理

   為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗,，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向,，找出能源消耗異常區(qū)域。

   將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中,，從多個維度對比分析,，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗,，能源成本,，標煤排放等的情況。

   能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠,、自來水廠,、水泵站等的用電,、用水,、燃氣、冷熱量消耗量,，同環(huán)比對比分析,，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢,。

   能效分析按三級計量架構,，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求,，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析,，同比,、環(huán)比、對標等,。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù),，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析,，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標,，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗,。

4.4.5智能照明控制

   系統(tǒng)為污水廠,、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案,，支持單控,、區(qū)域控制、自動控制,、感應控制,、定時控制、場景控制,、調(diào)光控制等多種控制方式,，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照,，實現(xiàn)室內(nèi),、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的,。

4.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度,，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠,、水泵站的電氣安全預警,。

②消防應急照明和疏散指示：根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù),，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況,。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用,。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊,、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài),，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟,、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路,、短路等故障信號,。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來,，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時,，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號,，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性,。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

   污水廠,、自來水廠、水泵站等場所溫濕度,、煙霧,、積水浸水、視頻,、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警,，保障污水廠、自來水廠,、水泵站等安全運行,。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患,，保持良好的水處理環(huán)境,。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

   實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓,、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài),，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓,、直流電流,、直流功率，逆變器交流電壓,、交流電流,、頻率、功率因數(shù),、當前發(fā)電功率,、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù),。

   平臺結合廠區(qū)實際分布情況,，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂,、車棚的分布情況,，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置,，各個屋頂?shù)难b機容量,。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

   平臺通過2D,、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升,、細格柵,、曝氣沉砂、改良生化處理,、二沉,、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾,、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài),。在格柵清渣機、污水提升泵,、回流泵,、曝氣風機、加藥泵,、濃縮壓濾機,、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護,，進行短路,、過流、過載,、起動超時,、斷相、不平衡,、低功率,、接地/漏電、te保護,、堵轉,、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機,，與PLC,、軟啟、變頻器等配合,，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制,，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn),。