李斌：基于数字孪生的农村供水智能决策协同支持平台构建
1、推进数字孪生农村供水工程建设新要求
智慧水利是水利高质量发展的显著标志，水利部把推动智慧水利建设作为新阶段水利高质量发展的六条重要路径之一。2023年2月27日，水利部召开农村水利水电工作会议，印发《2023年农村水利水电工作要点》，明确指出要推进数字孪生农村供水工程建设，持续推进规模化供水工程自动监控系统建设，有条件的地区开展全面感知、实时传输、数据分析和智慧应用系统建设先行先试，打造数字孪生供水系统。
2023年全国农村自来水普及率将提升至88%，规模化供水工程覆盖农村人口比例将达到57%。随着农村供水工程覆盖人口增加、规模化工程比例提高，对工程管理专业化、精细化水平要求也不断提高。但是目前农村供水工程信息化管理普及率不高，技术仍以实用为主，主要为实现关键环节的自动监控，与数字孪生供水系统要求差距较大。在现有农村供水信息化水平基础上，先行开展基于数字孪生的农村供水智能决策协同支持平台建设，有助于提高农村供水现代化、精细化管理水平，促进农村供水管理工作由被动向主动、静态向动态发展，实现农村供水工程数字化管理，可为建立高水平数字孪生供水系统提供技术支撑。
2、农村供水信息化管理中存在的问题
农村供水工程信息化管理还不完善，资源共享、数据服务、智能应用和可视化表达能力较低，“四预”（预报、预警、预演、预案）能力十分薄弱。
信息资源共享程度差
虽然全国各地开展了不同程度的农村供水信息化监管系统开发与建设，但由于起始阶段缺乏统一规划和统一的平台建设，存在同一省、同一市所属不同渠道的农村供水工程相关数据信息难以实现共建共享的问题，影响了农村供水信息化管理的发展。
网格划分粗放
农村供水工程通常以村、镇等行政区域边界为主划分网格，主要依靠人工管理和巡视，未统筹考虑规模化供水工程的关键节点和环节。根据工程特点，从高效运行的角度进行网格的划分很有必要。
水费回收率不高
农村供水的智能水表覆盖范围不高，主要依靠人工进行水费计收，导致水费收缴率不高。同时管网漏损问题严重，导致水厂产销差大，因此水费回收率较低。
多部门智能决策协同支持能力不够
近年，洪水、干旱、水污染等事件时有发生，对农村供水工程的正常运行造成影响，在解决突发事件时需要进行抢修，但突发事件时抢维修工作量大、涉及工程不同位置、影响人口和主管部门多、不同来源和问题类型的信息交互复杂，影响决策速度和抢修效率，亟须搭建协同多部门人员和辅助领导决策的平台。
综上，为解决农村供水管理和突发事件中存在的问题，保障工程长效发挥效益，提高农村供水工程运行管理水平和服务能力，需要研究建立基于数字孪生的农村供水智能决策协同支持平台，以物理农村供水工程为单元、时空数据为底板、数学模型为核心、农村供水相关知识为驱动，对物理农村供水工程取输净配全要素和运行管理全过程进行数字映射及智能模拟，与物理农村供水工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理农村供水工程的实时监控、问题发现、优化调度，为农村供水不同事件业务提供功能应用平台。
3、基于数字孪生的农村供水系统架构
数字孪生农村供水系统通过完善信息基础设施，利用多种信息技术，对农村供水水源、泵站、输配水管网和水厂等供水流程，水泵机组、机电设备、净化消毒设施、取用水计量装置、闸阀等供水环节，以及供水区域和对象，进行实时监测、控制和可视化组态建模，建立水量供需、水质变化、管网漏损、安全调控和优化调度等数学模型，对现实中的物理农村供水工程同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，提升工程综合管理水平。
数字孪生农村供水系统由感知层、设施层、数据处理层、支持平台层、模型层组成。
▲数字孪生农村供水架构
①感知层。通过传感器、北斗、卫星、无人机等对农村供水水源地、泵站、输配水管网、水厂（站）处理单元、用水户末端等进行数据采集，包括运营管理、维修养护、实时抢修、供水水质、供水水量、供水水压等数据，涵盖设施、过程、用户等。
②设施层。采用云存储、云计算等技术，通过安全可靠的4G、GPRS、3G、NB-IoT等网络，将感知层采集的数据传输到系统服务器上。同时，对数据进行加密和压缩，确保数据传输的安全性和高效性。
③数据处理层。采用云端等数据库进行数据存储管理，同时，还可采用数据挖掘、机器学习等技术对数据进行分析和处理，以提高数据的价值和应用效果。
④支持平台。包括数据底板、模型库、知识库和孪生引擎等，提供基础功能管理、监测感知、通信、自动控制、信息基础环境、管理人员权限划分、数据分子整理等，进行数据处理和数据转换。该平台可支持多种数据格式和数据源，同时还可提供数据可视化、报表分析等功能，方便用户进行数据分析和决策。
⑤数字孪生模型。以物理农村供水工程为单元、时空数据为底板、数学模型为核心、农村供水相关知识为驱动，对物理农村供水工程取输净配全要素和运行管理全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，包括农村供水工程地理信息数据、农村供水管网漏损模型、农村供水风险评估模型、投诉问题热点图模型、用水户满意度评价模型。
在农村供水数字孪生建设中，重点和难点是在加快完善农村供水工程体系、规模化供水工程信息化建设的基础上，构建模拟性强、仿真性高、符合农村供水特点的数字孪生模型，在生产运营管理、巡查管护、综合决策支撑等方面取得较好应用效果，实现数字孪生农村供水从形似向神似转变。数字孪生模型中，农村供水工程地理信息数据描述的是农村供水工程空间地理信息和单元分区管理，农村供水管网漏损模型描述的是水量流失情况，农村供水风险评估模型描述的是各类风险等级情况，用户满意度评价模型反映的是工程水费收取情况以及用户对供水服务的满意度，投诉问题热点图模型描述的是工程报修和处理情况，以便对供水工程的运营和维护进行优化和改进。
4、农村供水数字孪生模型构建
农村供水工程地理信息数据
在构建农村供水数字模型时，首先需要制定规范，统一农村供水管网数据及农村供水工程地理信息数据的采集和管理，以确保采集数据真实、实时、完整、标准。同时还需要制定新建、改建、扩建、移交工程管网数据等相关流程及管理保密要求。在数据采集过程中，应配备专业的测量、录入、校核、维护人员，以确保基础数据的准确性和完整性。在管网改造建设过程中，应持续更新管网拓扑和网格分区，以保证数据的及时性和准确性。利用地理信息系统技术对管网进行空间定位、属性描述、拓扑关系分析等，实现管网的可视化管理和查询，并确保数据的准确性、完整性和一致性。如果使用在线通用地图底图接入，系统应具备实时更新功能，确保数据的保密性和完整性。同时应考虑用户界面的友好性和易用性，提高用户的使用体验。
农村供水工程网格数字孪生具备以下功能：GIS地图导入导出、不同等级管理员权限设置等。同时为入村、入户管网，末端每个用水户、每支水表（机械水表和智能水表）设置网格属性，以便按网格统计不同段管网长度、用水户数、水表数量、出厂水和实际供水量、用水量、异常情况、抄表情况、水费收缴和用水户信息等。
农村供水管网漏损模型
构建农村供水管网漏损模型需要进行管网拓扑，可通过地理信息数据接口远程在线实时获得整个供水管网运行状态信息，如流量、压力、水质等，也可人工填报获取管网数据和管道材质、管径、位置、长度等数据。同时还需要对各个分区的流量计、压力计、阀门等设备进行监控和控制，收集各类阀门清单并在管网中准确定位，也可通过实时模拟输配水管网运行状况，反向校核各在线压力监测点数据。
农村供水风险评估模型
通过实时监测工程运行水量、水压、水质、用水量变化及投诉问题等内部情况，结合气象、水文等外部情况，统筹运用数字化技术、数字化思维、数字化感知，对农村供水进行风险识别、隐患排查、风险回避、监测预警、预报预警，科学研判识别风险发生概率或风险等级，提高预警精准度，延长预见期，实现农村供水工程运营风险的实时监测和预警。
用水户满意度评价模型
由于农村供水工程的特殊性，水质季节性超标、水量季节性变化问题突出，此类问题的投诉也较多，为了解不同投诉问题类型和用水户的用水满意程度，基于投诉数据和自发进行的满意度调查结果，梳理用户反馈情况，构建用水户满意度评价模型，同时建立不同问题的不同处理权限和响应措施。
对用户的用水量进行实时计量，并实现预交费、本地扣费、远程控制等功能，实现在线抄表和水费计收，重点收集水费收缴情况数据，通过分析和建立满意度情况反馈和水费收缴情况之间的问题关联和联动机制，提升水费收缴率，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。
维修抢修问题热点图模型
利用各渠道接收到的用水问题数据，通过数据接口方式，将每年各类热线工单、各种渠道反应的问题同步到系统中。由于维修抢修的重点工作是管网漏损，因此需对供水管网的管长、管径、管材、管龄、维修次数等进行监测，分析管网运行状况及二次污染问题，将收集到的数据进行预处理，以便更好地进行后续分析和处理。结合AR（增强现实）建模仿真，将虚拟建筑模型与现实场景进行融合，构建AR智能巡检模型，实现可视化展示和实时交互，帮助巡检人员掌握设备情况。
利用视频监控、视频智能分析等技术，对农村供水各流程的设备设施运行、安全隐患等进行实时监测和预警，构建视频识别模型。最后，进行数据分析，及时上报发生的问题事件，并通过信息化平台进行汇总、分类和分级，并将相关信息推送给相关部门和人员。便于发现问题或突发问题的发生区域，聚焦用水户反映问题较多的重点区域，提示采用老旧管网改造、设备设施更换等方式进行处置。
应急管理数字孪生
农村供水工程应急管理数字孪生是一种针对发生意外时进行供水实时维抢修作业的数字映射，对发生的应急事件进行模拟分析和预测评估，实时连接、实时预警并制定相应的应急方案和措施，应用动态交互的技术，通过信息化平台进行指挥调度和协同处理。它具备多样模型映射维抢修作业的能力，解决了供水服务作业行为难以感知的问题。根据供水风险研判结果，依据供水工程应急预案和历史场景知识库，结合专家经验，制定工程应急调度应对措施，实现应急预案与实景情境同步反馈、动态评估、滚动优化。根据多方案推演结果和实时监测信息优化、修正调度方案，为工程调度提供科学决策支持。通过系统预警、App消息推送、维修工单派发、移动终端或电话等反馈等机制，及时上报发生的应急事件，使用文字、语音、视频、定位等方式，通过信息化平台进行汇总、分类和分级，实时感知和更新作业细节，了解维修、抢修问题工单具体情况，并将相关信息推送给相关部门和人员，通过智能协作和指挥决策，提高应急管理的效率和准确性。
5、结语
数字孪生农村供水智能决策协同支持平台的建成，将显著降低农村供水工程的漏损率，减少产销差，增加工程节水量。此外，该平台还能够系统识别和跟踪缴费率较低村庄或用水户，并及时通过短信、App推送等催缴，从而提高水费收缴率，提高供水工程的效益。建立业务应用系统与数字孪生平台之间的数据接口、传输机制和交互模块，可以在保证用水户供水前提下，优化调整不同入村及村内管网末端压力，减少水泵、调压阀等操作，并可动态调整供水压力、水量。特别是在供水非高峰期，如夜晚时自动降低供水压力。通过维修抢修问题热点图模型聚焦农村供水中长期存在的普遍共性问题、突发热点问题，为解决用水困难问题、投诉聚焦问题、突发事件等提供有力支撑。通过强化农村供水平台运行及应急时的作业感知、协同决策和突发事件应急能力，可有效缩短问题的解决处理时长，最快速度恢复正常供水，最大限度保障农村居民供水安全，切实提高服务水平。
构建基于数字孪生的农村供水智能决策协同支持平台，需要采集大量实际工程数据，并在具体区域和具体工程中进行应用，以验证和完善平台各项功能效率和准确性。需利用新一代信息技术，构建能够自主监测、故障预警与智能处理、运行管理优化、各业务系统交互耦合的智能管理平台，通过下一步平台的示范应用，以实际结果证明数字孪生技术在农村供水管理效率提升中的不可替代优势。提高目前农村供水工程信息化监管平台的水平，以更高等级、更多功能的数字孪生农村供水为技术基础，为全国数字孪生农村供水项目建设提供参考和借鉴。
