发布时间:2022-11-01 17:31:53 | 来源:本站原创 | 作者:本站编辑 | 浏览次数: |
01 建设背景
数字孪生旨在虚拟空间构建数字模型与物理实体间的映射,忠实描述物理实体全生命周期的运行轨迹。近年来,得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术发展,数字孪生广泛运用于电力、供水、制造、农业、城市管理、环境保护等行业,提供物理实体或流程过程的虚拟化视图,模拟、验证、预测、控制全生命周期过程,从而优化整体性能。
厦门市政水务集团承担厦门全市主要供水保障业务,主业涵盖水源建设、城市供水、直饮水及与之密切相关的水务投资、建设、运营等,2021年全年总供水量51766.67万m3,用户总数82.6万余户。随着供水量不断增加和管理要求不断提高,近年来厦门供水面临如下问题:
(1)供水工作向网格化管理转变的问题。厦门市政水务长期划分为厦门岛、海沧、集美、翔安、同安和二供6大营业所,营业所管理卓有成效,目前全市供水管理处于营业所管理向网格化管理进一步细化的阶段。
(2)加强城市供水模拟性、感知性和可视化能力的问题。厦门供水在经历“金砖”会议保障、应对“莫兰蒂”台风等后,更意识到模拟性、感知性和可视化能力在城市供水保障中的必要性。
(3)水费催收进一步精确定位的问题。2015年厦门市水费回收率98.85%,指标达国内先进水平,在此基础上,要百尺竿头更进一步,面临如何根据历史数据有效分类、精确定位,有针对性催收的问题。
(4)度量、聚焦用水问题重点区域的问题。2015年厦门市政水务热线工单62 042件,针对用户反映用水困难等问题,需要寻找合适数学模型有效度量、精确聚焦用水问题重点区域。
(5)提高多部门协同决策支持能力的问题。2015年厦门市政水务尚未建成统一的维抢修支撑系统,供水维抢修工单量大、涉及部门多、信息采集交互复杂,各项作业要有效感知与监控,实时协同多部门人员和辅助领导决策。
为此,厦门市政水务研究和建设了基于数字孪生的供水协同决策支持平台,通过输入供水对象,抽象出概念模型,利用特性评估和优化,构建数字孪生模型,提供业务功能应用。
基于数字孪生的供水协同决策支持平台充分利用数字孪生、建模、仿真、分析和辅助决策手段,较好解决供水企业存在的上述问题,并产生良好效益。
02 供水数字孪生架构 供水数字孪生在基础设施、基础数据的支撑下实现,供水设施、对象、服务、过程数据等合理划分成不同数据源,同步到数字世界中,数字世界中构建模型同物理实体、过程交互。供水数字孪生架构由数据源、数据接口、数据库、支持平台、数字孪生模型构成,系统架构如图1所示。 图1 系统架构 (1)数据源:数据采集的来源,由设施、过程、用户等组成,包括空间地理数据、网格数据、管网拓扑数据、水量数据、缴费数据、呼叫数据、实时维抢修数据等。 (2)数据接口:数据传输、互动的方式,通过4G/5G/GPRS/Ethernet/NB-IoT等多种网络方式,以API接口方式将数据传递到系统。 (3)数据库:数据存储管理、数据集成治理,包括应用数据库、接口数据库、缓存数据库等,涉及关系型数据库、非关系型数据库和地理信息数据库。 (4)支持平台:提供基础平台、身份权限、系统管理、模型控制等,进行数据处理和数据转换。 (5)数字孪生模型:数据建模、仿真,提供描述、诊断、预测、决策等共性应用,包括供水GIS及网格化、管网水力模型、信用度评价模型、用水问题热力图模型、维抢修数字孪生等。 供水数字孪生建设重点在于构建统一、高可用的数据接口和高模拟性、仿真性的数字孪生模型,实现供水数字孪生“形似”向“神似”转变。数字孪生生命周期涉及物理实体和虚拟实体的相互作用,同时虚拟实体生命周期存在不断验证、确认和迭代的过程。 数字孪生模型中,供水GIS及网格化描述地理信息和分区管理、管网水力模型描述管网运行情况、信用度评价模型评价用水缴费状况、用水问题热力图模型聚焦重点区域、维抢修数字孪生实时感知维抢修情况。系统基于总线结构特性,具备良好扩展性能,利用数据挖掘、软件分析和机器学习进一步保证模型可靠度、复杂度和精确度。 03 供水数字孪生模型 3.1 供水GIS及网格化 (1)制定《厦门市政水务供水管网数据采集及管理规定》,规范供水GIS及网格化管理,确保数据及时、完整、准确。包括新建工程管线数据移交流程、改造工程管线数据移交流程、探测工程管线数据移交流程、管网数据采集及管理保密要求等。 (2)建立健全维护机制,配备测量、录入、校核、维护人员,持续根据管网建设增加数据,及时更新管网拓扑和网格分区,保证基础数据准确无误。 (3)建立管网地理信息数据库,整合海量信息,构建统一数据平台。确立数据标准,规范数据结构定义、数据库内容与分层、要素分类与编码、数据交换内容与格式、数据采集技术规程等。使用在线地图底图接入,实时更新保持地图支撑性和及时性。提供存储、导出、图形显示、属性查看、绘画标注、测量、定位、统计、查询、分析等功能。 管线数据覆盖厦门全市,DN300及以上管线全部普查完成,其中岛内550 km、岛外1 246 km,DN100及以上管线基本完成,近三年测量管线2183.5 km、测量水表24 640个,测量水平精度±10cm以内,高程精度±15cm以内。数据按10%比例抽检、路面开挖时再次校验,确保数据准确,各类型地理信息数据量如表1所示。 表1 厦门地理信息数据量 (4)将厦门全市6大营业所划分成146个不同等级的虚拟网格,优化网格资源,对用户、设施、事件进一步细化,各营业所网格分区数如表2所示。 表2 厦门营业所网格分区 供水网格数字孪生提供地图绘制、新增、修改、删除网格、设置管理员等功能。每个用户、每支水表设置网格属性,按网格统计管网长度、表量、售水量、水数异常、抄收情况、水费回收率、用户信用度等,统计数据和网格管理员挂钩,进一步细化管理。通过网格化管理和考核机制,2021年水费回收率达100%的网格突破40个,占比27.4%。 3.2 管网水力模型 在供水GIS及网格化基础上,进一步构建管网水力模型,实时模拟管网运行状况,校核之后各在线压力监测点平均误差为±1.84mH2O,达到了较理想的模拟精度,可以准确掌握管网运行状况。通过以下步骤构建管网水力模型数字孪生: (1)管网拓扑:从GIS数据接口获取管网数据(管网拓扑、连接情况等)和管道数据(材质、位置、口径、长度、摩阻等)。收集非全开阀门清单,在管网中准确定位。原始管网数据还包含一些问题,进一步检查孤立节点或孤立管线、重叠管线、管道连接关系、管网连通性、不合理参数等。 (2)节点水量时空分配:空间上,尽量使用户有精确定位,根据厦门实际情况,将用户分为远传表用户、非远传大用户、普通用户3类,定位103个非远传大用户,用水模式分为居民分户、城市总表、农村总表、居民商业混合、学校、医院、机关事业、工业企业和其他9类。基于网格不同用水模式确定用水特性曲线,模拟一天24小时用水变化。水量还包含漏损和未抄表水量等,作为无计量水量,见式(1): 式中 q无i——i时段总供水量; q供i——i时段无计量水量; q计i——i时段有计量水量。 (3)模型效果:实现5 min级别动态模拟,展示66个压力监测点的实测数据和模拟计算值,提供运行状态、实时告警、水量分析、测点评估和调度仿真等功能。能够实现:①调度仿真:如有重大供水调整,可先进行模拟,提前判断是否合理;②规划设计:可模拟增设管线后的管网水力变化情况;③管网管理:常规停水、应急抢修等模拟影响范围;④管网报警:测压点监测值较模拟值大幅下降,持续5 min以上认为疑似爆管,自动报警;⑤污染源管理:水厂污染追踪溯源,并提供防止污染扩散的关阀方案(见图2)。 图2 管网水力模型效果 3.3 信用度评价模型 通过用户历史缴费数据,全面梳理“用、管、催、收”的水费回收过程,构建信用度评价模型,提高水费催收能力,促进水费回收率保持和提高。累计计算用户缴费信用度分值4 531余万条次,结合网格化管理,计算6大营业所、146个网格信用度分值,帮助厦门水费回收率从2016年99.31%提升到2021年99.77%,用户平均缴费时长降低5%,具有良好效果。根据营业所、网格用户信用度分值平均得到营业所、网格信用度分值,进行可视化展示和对比分析,信用度评价模型效果如图3所示。 图3 信用度评价模型效果 通过以下步骤构建信用度评价模型: (1)研究和设计用户水费缴交信用度分值计算公式为:f(x)=a1×A1(x)+a2×A2(x)+a3×A3(x),分值计算涉及每年千万级用户缴费数据。x表示用户当期缴费信息,包含多个特征维度,A1(x)表示缴费天数和缴费金额信用度分值函数,A2(x)表示用水方式信用度分值函数,A3(x)表示缴费方式信用度分值函数,函数结果区间[0, 1],a1、a2、a3表示函数对应权值,取值区间[0, 1],f(x)信用度分值区间[0, 1]。 (2)根据缴费金额,划分为大金额、一般金额、小金额3类,大金额为金额大于10 000元,占比0.64%;一般金额为金额介于100元至10 000元,占比34.38%;小金额为金额小于100元,占比64.98%。按积极、正常、逾期、长时间逾期的缴费状态形成4个分段函数。积极缴费评分为最高分1分,长时间逾期评分为最低分0分,正常、逾期为分值随缴费天数递减的一次函数。3类金额用户的缴费天数和缴费金额信用度分值函数A1(x)如图4所示。 图4 缴费天数和缴费金额信用度分值函数图 (3)用水类型信用度分值函数A2(x),按该类型历史水费回收率确定,将医院、学校、特种行业用水、工厂、基建、机关事业等12类用水类型按水费回收率高低,分成优、良、一般3个类别。对比2021年总体回收率99.77%,回收率100%或9999%的用水类型为优,信用度分值1分;回收率低于99.99%,高于总体回收率99.77%的用水类型为良,信用度分值0.8分;回收率低于总体回收率99.77%的用水类型为一般,信用度分值0.6分。 (4)缴费方式信用度分值函数A3(x),按该缴费方式历史平均缴费时长确定,将托收缴费、小额代扣、公务卡、网上缴费(含微信、支付宝等)、邮储缴费、银联缴费、柜台POS等10类缴费方式按历史平均缴费时长高低排序,分成优、良、一般3个类别。对比2021年总体平均缴费时长19天,平均缴费时长小于19天的缴费方式为优,信用度分值1分;平均缴费时长大于19天,小于30天的缴费方式为良,信用度分值0.8分;平均缴费时长大于30天的缴费方式为一般,信用度分值0.6分。 (5)函数权值a1、a2、a3确定及校验调优,准备上万条缴费训练数据,人工判定信用类别,包括优质、良好、一般、较差、恶劣5类。使用KNN(k-Nearest Neighbor)分类算法,计算测试数据与样本数据间的距离,将测试数据分类并与预期结果比较,统计正确率。对权值调整和优化,获得a1、a2、a3的最优权值:缴费天数和缴费金额权值a1权重最高,一般占比80%;用水类型权值a2权重较低,一般占比12%;缴费方式权值a3权重最低,一般占比8%。 (6)进行信用度类型分类,实现对海量用户有效度量。根据信用度分值高低,分为优质、良好、一般、较差和恶劣5类用户,信用度类型分类如表3所示。 表3 信用度类型分类表 2021年厦门全市水费缴交信用度优质用户44.14%、良好用户23.7%,恶劣用户占比仅0.62%,是需要重点关注、重点催缴的用户群体。通过对恶劣和较差用户有针对性催缴,提高缴费优良用户比例。 3.4 用水问题热力图模型 利用供水企业热线中心工单反映的用水问题数据,构建用水问题热力图模型,直观反映用水问题,聚焦重点区域。 (1)数据采集。厦门市政水务2021年全年热线工单达112 005件,将每年十万级别的各类热线工单,通过数据接口方式同步到系统。 (2)数据清洗。工单数据预处理,将手工录入的不规整数据转化为规整数据,包括去除多余空格和特殊符号、错别字修改等,使数据格式满足后续要求,并对地址信息排重和按区域分类。 (3)数据处理。正向地理编码解析,将结构化地址数据通过地理编码服务(Geocoding API)转换为对应经纬度坐标,根据解析可信度对坐标筛选和优化,进行外网坐标地址向内网坐标地址转换。 (4)数据分析。进行空间计算和地图叠加,将工单数据转换成的坐标根据一定时间范围在地图上标识叠加,形成热力图可视化展示,直观反映用水问题发生区域。 (5)重点区域处置。通过用水问题热力图模型,直观聚焦用水问题重点区域,进行老旧管网改造等。通过不同时间段对比,度量处置成效,例如2021年针对厦门大同路片区用水问题重点改造后,热力图反映2022年同时段用户反馈用水问题明显减少。用水问题热力图模型效果如图5所示。 图5 用水问题热力图模型效果 通过用水问题热力图可视化,发现用水问题严重区域的用户缴费信用度较低,例如XM028、XM030网格区域,用户反映用水问题频繁、缴费主动性下降、网格信用度降低,两个模型算法存在进一步融合交互可能。 3.5 维抢修数字孪生 维抢修数字孪生是对供水维抢修作业行为的数字映射、实时连接和动态交互,具备以多样模型映射维抢修作业的能力,支撑厦门市2021年完成供水维抢修工单24 345件,及时率100%,技术要点包括: (1)车辆定位算法:通过手机GPS定位和移动基站辅助定位,获取经纬度坐标,经WVPDN传入企业内网,通过地图引擎OpenLayers调用加载坐标瓦片,实时画出维抢修车辆运行轨迹。 (2)数据同步:实现热线中心、内部业务系统、移动支撑平台和手机终端业务处理单的实时同步。 (3)决策组群:建立决策分析机制,按地区、所属单位、业务类型、职责权限等将具有查看、处理权限的作业人员及管理人员构建工单决策组群,进行统一管理。 (4)维抢修行为感知:针对供水服务作业行为难以感知的问题,通过工单派发、反馈、讨论机制,使用语音、文字、图片、视频、定位、轨迹等方式,对作业细节实时感知,了解工单情况、交流协作和指挥决策。 04 应用成效 供水数字孪生自2016年应用以来,产销差率大幅降低,2016年厦门产销差率13.84%,远低于同期福建省平均产销差率27.91%和全国平均产销差率22.2%,近五年仍持续降低,2016年至2021年分别下降至13.83%、11.90%、10.84%、9.49%、9.63%、9.62%。使用以来年均节水2 060万m3/年,合计年均减少漏损价值4 408万元/年,为城市节能降漏做出重要贡献。 全市网格化分区146个,信用度评价模型精确定位缴费较差用户及时催缴,使厦门水费回收率从2016年的99.31%逐年上升,2016年至2021年水费回收率分别提高至99.31%、99.37%、99.58%、99.69%、99.77%、99.77%,回收率累计提升0.46%,多年保持99%以上,指标处于全国领先水平。催缴历史欠费2565.8万元,提高企业效益。 利用监测数据分析和模拟仿真,在保证居民供水前提下,对本岛市政管网余压进行优化调整,最大简化管网调度规则减少泵站操作,动态调整供水压力,特别是降低了夜间供水压力,将本岛西部日平均压力下降了0.06MPa,每年节电约191万kW·h,年节省成本103万元,减少二氧化碳排放量5 095吨。 用水问题热力图模型宏观聚焦供水难题,为解决用水困难问题、区域优化改进、老旧管网改造、重点区域抗旱保供水和保障金砖会晤等提供有力支撑。 强化作业感知、协同决策和突发事件应急能力,维抢修作业平均处理时长显著降低。在厦门本岛发生几次重大管网维抢修过程中,利用物联网高频监测数据与计算仿真分析快速定位问题,做到有详细过程记录、灵活信息沟通渠道、及时进度回报机制和准确方案制定,使平均停水面积减小32%、平均停水时间减少25%,最大限度保障供水安全,切实提高服务水平。 05 结 语 数字孪生技术主要包括信息建模、信息同步、信息强化、信息分析、智能决策、信息访问界面和信息安全7个方面,基于数字孪生的供水协同决策支持平台在厦门应用良好,产生良好效益,证明数字孪生技术在供水管理具有模拟性、实时性、协同性、可视化等优势,为类似项目建设提供可借鉴经验。 研究和建设供水数字孪生,是供水企业现代化、精细化、数字化、信息化战略的重要组成;是促进供水管理工作由被动向主动、静态向动态、粗放向精细、无序向规范转变的有效方法;是供水事业时代发展的必然趋势。
厦门市政水务集团有限公司 厦门市政水务集团承担厦门全市主要的供水业务保障任务。集团始终坚持“安全供水、优质服务”的企业宗旨,秉承“用心、细心、热心”的服务理念,致力于“智慧水务”建设,建立了全方位、全要素的供水保障服务体系。 近年来,厦门市政水务集团积极贯彻习近平总书记做强做优做大国有企业的重要指示精神,努力拓展业务发展空间,保障供水产业链完整,企业实力居国内同行业前列。在2019、2020年全国营商环境评价各指标领域标杆城市名单中,厦门“获得用水用气”指标,进入全国前十。
