近年來，我國城市人口密度逐年上升，城市用水用氣需求日益增長。國家統(tǒng)計局數據顯示，截止2020年末，我國供水管道長度、城市排水管道長度、天然氣管道長度增速分別為9.43%、7.93%和10.75%。由于多種歷史原因，我國城市地下管網的管理水平相對滯后于城市發(fā)展需求，因管網引起的安全事故頻發(fā)，給城市和市民安全帶來較大隱患。

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，同時也能有效提高管道運營的效率和穩(wěn)定性。隨著數字孿生技術的不斷發(fā)展，它將在越來越多的行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用，進一步改善我們的生活質量，并實現(xiàn)更加智能化、高效化的城市管理和基礎設施建設。

數字孿生管網基于智慧管網解決方案是以城市實景三維地圖為底圖，疊加三維綜合管線、實時視頻監(jiān)控、管線運行狀態(tài)、巡檢人員實時位置、設備運行能耗統(tǒng)計分析等智慧管網相關數據，充分運用地理信息系統(tǒng)（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網、云計算、大數據、北斗高精度定位等現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)監(jiān)測、分析、決策與管理于一體的智慧管網 “一張圖”，強化城市地下管網監(jiān)測，確保城市地下管網穩(wěn)定運行。

1.數字孿生系統(tǒng)架構

感知層：感知層主要包括物理實體中搭載先進物聯(lián)網技術的各類新型基礎設施。

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、保證交互實時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關鍵技術實現(xiàn)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值體現(xiàn)，實現(xiàn)系統(tǒng)認知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認知，數字孿生體能夠真實描述及呈現(xiàn)物理實體的狀態(tài)，它是實現(xiàn)數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統(tǒng)分析可實現(xiàn)數字孿生體的狀態(tài)監(jiān)測功能，發(fā)揮對物理實體的早期預警作用。故障診斷，通過分析物理實體的運行狀態(tài)，了解現(xiàn)象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術來預見物理實體未來的狀態(tài)演變，從而指導當前的運行決策。

應用層：應用層是面向各類場景的數字孿生體的最終價值體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為不同行業(yè)的各種產品，能夠明顯推動各行各業(yè)的數字化轉型。

2.數字孿生系統(tǒng)的典型特征

等價映射：數字孿生體是對物理實體的等價描述，是對物理實體進行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實反映現(xiàn)實世界中的物理實體的變化。數字孿生體能夠實現(xiàn)雙向映射、數據連接和狀態(tài)交互，起到“數化”、“保真”效果。

實時交互：基于實時傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等?！皩崟r”體現(xiàn)數字孿生體所處狀態(tài)是物理實體狀態(tài)的實時虛擬映射;“交互”體現(xiàn)數字孿生體與物理實體間存在數據及指令互動。

共生演進：“共生”體現(xiàn)在數字孿生體與物理實體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著孿生對象的生長而不斷演變。共智體現(xiàn)在三個層面: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：根據物理實體的各項真實數據，通過數字孿生體進行仿真，實現(xiàn)對物理實體未來狀態(tài)的預測，預先知曉未來狀態(tài)能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據物理實體的實時運行狀態(tài)，通過數字孿生體進行監(jiān)測，實現(xiàn)對系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預測，預先覺察即將可能發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，使用戶更從容地處理該問題。

建立數字孿生體的最終目的，是通過描述物理實體集合內在機理，分析規(guī)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，實現(xiàn)對物理實體決策優(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.地下管網數字孿生運維系統(tǒng)的應用

地下管道包括供水管道、排水管道、通風管道等，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程中，數字孿生可以用來實現(xiàn)以下應用：

• 數據管理：數字孿生可以整合現(xiàn)有的管道數據和實時監(jiān)測數據，并進行可視化展示和操作。在管道維護過程中，數字孿生可減少人工監(jiān)測的需要，同時也可快速分析數據，提高管道運營效率。

• 設計支持：在管道建設過程中，數字孿生可以對管道設計進行模擬、優(yōu)化和驗證，提供一種低成本、低風險的便利方法。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。通過共用數字孿生模型和實時監(jiān)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，保證管道質量安全。

• 優(yōu)化成本：通過數字孿生可以針對管道的設計和建設過程進行模擬和優(yōu)化，進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量，同時也減少了成本開支。

• 提高效率：數字孿生可以對管道運作進行實時監(jiān)測，減少了管道故障和待修時間，從而提高了管道運營的效率和穩(wěn)定性。

• 增加安全性：通過數字孿生可以對管道數據進行分析和評估，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行實時監(jiān)測，快速響應管道故障，有效保障管道系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。

• 提高工作滿意度：數字孿生可以讓工作人員更加高效地處理管道問題，并且能夠及時發(fā)現(xiàn)管道故障，提升管道操作工作的滿意度，從而提高員工的工作積極性和工作質量。