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?jǐn)?shù)據(jù)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(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較大隱患。
地下管道作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，數(shù)字孿生的應(yīng)用可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，在管道建設(shè)設(shè)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(shù)字孿生技術(shù)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(jìn)一步改善我們的生活質(zhì)量，并實現(xiàn)更加智能化、高效化的城市管理和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
數(shù)字孿生管網(wǎng)基于智慧管網(wǎng)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(shè)備運行能耗統(tǒng)計分析等智慧管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，充分運用地理信息系統(tǒng)（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、北斗高精度定位等現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測、分析、決策與管理于一體的智慧管網(wǎng) “一張圖”，強(qiáng)化城市地下管網(wǎng)監(jiān)測，確保城市地下管網(wǎng)穩(wěn)定運行。
1.數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)
感知層：感知層主要包括物理實體中搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類新型基礎(chǔ)設(shè)施。
數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要包括保證運算準(zhǔn)確性的高精度的數(shù)據(jù)采集、保證交互實時性的高速率數(shù)據(jù)傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數(shù)據(jù)管理。
運算層：運算層是數(shù)字孿生體的核心，其充分借助各項先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)對下層數(shù)據(jù)的利用，以及對上層功能的支撐。
功能層：功能層是數(shù)字變生體的直接價值體現(xiàn)，實現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預(yù)測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認(rèn)知，數(shù)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(shù)字孿生體其它高級和智能化功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析可實現(xiàn)數(shù)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(yù)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(yù)測推演，是利用仿真技術(shù)來預(yù)見物理實體未來的狀態(tài)演變，從而指導(dǎo)當(dāng)前的運行決策。
應(yīng)用層：應(yīng)用層是面向各類場景的數(shù)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(chǎn)品，能夠明顯推動各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
2.數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征
等價映射：數(shù)字孿生體是對物理實體的等價描述，是對物理實體進(jìn)行數(shù)字化而松建的模型數(shù)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(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互，起到“數(shù)化”、“保真”效果。
實時交互：基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準(zhǔn)、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。“實時”體現(xiàn)數(shù)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(shù)字孿生體與物理實體間存在數(shù)據(jù)及指令互動。
共生演進(jìn)：“共生”體現(xiàn)在數(shù)字孿生體與物理實體同步構(gòu)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(shù)據(jù)、算法)、孿生體內(nèi)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(yù)測優(yōu)化：根據(jù)物理實體的各項真實數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真，實現(xiàn)對物理實體未來狀態(tài)的預(yù)測，預(yù)先知曉未來狀態(tài)能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據(jù)物理實體的實時運行狀態(tài)，通過數(shù)字孿生體進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預(yù)測，預(yù)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(shù)字孿生體的最終目的，是通過描述物理實體集合內(nèi)在機(jī)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(jù)數(shù)字孿生的典型特征，可以得出數(shù)字孿生的體系架構(gòu)。
3.地下管網(wǎng)數(shù)字孿生運維系統(tǒng)的應(yīng)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(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。在地下管道建設(shè)和維護(hù)過程中，數(shù)字孿生可以用來實現(xiàn)以下應(yīng)用：
數(shù)據(jù)管理：數(shù)字孿生可以整合現(xiàn)有的管道數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化展示和操作。在管道維護(hù)過程中，數(shù)字孿生可減少人工監(jiān)測的需要，同時也可快速分析數(shù)據(jù)，提高管道運營效率。
設(shè)計支持：在管道建設(shè)過程中，數(shù)字孿生可以對管道設(shè)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(shù)字孿生可以創(chuàng)造出多種管道設(shè)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(shè)計的效果。
協(xié)作管理：數(shù)字孿生可以支持管道建設(shè)和維護(hù)人員之間的協(xié)作。通過共用數(shù)字孿生模型和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，團(tuán)隊成員之間可以更有效地協(xié)作，并且能夠有效地預(yù)測管道的故障情況，保證管道質(zhì)量安全。
優(yōu)化成本：通過數(shù)字孿生可以針對管道的設(shè)計和建設(shè)過程進(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(shè)的效率和質(zhì)量，同時也減少了成本開支。
提高效率：數(shù)字孿生可以對管道運作進(jìn)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(shù)字孿生可以對管道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估，可以減少管道事故的發(fā)生率。數(shù)字孿生可以對管道變化進(jìn)行實時監(jiān)測，快速響應(yīng)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(shù)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(zhì)量。
