数字孪生模型助力各大城市优化基础设施资产性能

如今，全球各地的地方政府正寻求加强数字化创新领域的协作。通过模拟真实情况、优化系统和流程以及监测资产性能和状况，他们得以形成新洞察，以进一步加强公共安全，使城市基础设施变得更加智能和更具适应力。成都和葡萄牙波尔图就是城市迈向数字化的范例，前者入围了 2019 基础设施年度光辉大奖赛决赛，后者获得了特别荣誉奖。这两个项目创新地将数字化环境运用于数字孪生模型中，且应用了数字化工作流程。

成都市市政工程设计研究院和成都市勘察测绘研究院在四川省成都市的杉板桥区域开展了一项道路改造、交通优化和区域地下管网改造项目。道路总长度约4.3千米，建设内容包括道路、桥梁、隧道工程、慢行地下人行通道、跨铁路桥梁、综合管线工程和附属工程等。主道设计时速60km/h，辅道40km/h。

项目团队面临着诸多设计挑战，其中包括克服高架桥、地下建构筑物和相交道路之间的空间限制，确定跨线桥桩基与盾构区间及车站的水平距离、高架延伸以及边界条件，还要考虑地铁 8 号线的两个地铁站和三段区间。此外，交通方案设计阶段既要考虑车行交通的快速化需求，又要考虑沿线的转换交通，同时还需要结合规划绿地及公园等慢行空间构建慢行过街系统。项目涉及专业较多，需要有较高的协同性，避免错漏碰缺。

为了应对这些挑战，团队使用了 Bentley 的开放式建模和模拟应用程序，基于ProjectWise进行统一管理，并创建了所有资产的数字孪生模型。选用OpenBridge Modeler 的参数化布置桥梁桩基，以尽可能降低对周边商铺及居民的影响;采用 OpenRoads 快速复原 64 条道路;选用 ProjectWise 来存储交通模拟所需的路网信息，助力团队将内部工作效率提高 20%;在使用传统管线软件进行优化设计的基础上，发现并解决 16 处碰撞;利用 OpenRoads Designer 快速解决方案，施工图阶段减少120个设计工时;利用 LumenRT 实现可视化，规划报建审批流程所需时间缩短了 15%。

成都市市政工程设计研究院BIM应用工程师杨志勇表示：“对于市政工程来说，如果没有一个不断更新的数字城市平台，在有限的设计时间里，我们的分析往往只关注了一条道路、一个街区本身，这样的分析结果是非常局限的。而数字城市模型为我们提供了一个持续更新的城市全要素基础数据平台，能在短时间内满足我们所有的基础数据需求，使设计成果符合城市的整体建设和发展需求。”

Águas do Porto(波尔图水利公共事业公司，简称AdP)负责葡萄牙沿海城市波尔图的可持续供水和给排水综合管理。AdP 日均输送饮用水量 45,490 立方米，并且每天处理几乎同等量的废水。该市的水力基础设施密集且复杂，水资源有限，这驱动了对综合管理城市水循环系统的需求，也使集成现有的多样系统更加复杂。

为了整合多个软件系统中的信息，AdP 在其“城市水循环的集成化水资源管理”(H2Porto) 系统中利用了数字孪生模型。整个解决方案集成了多个系统，其中包括 OpenFlows FLOOD、OpenFlows WaterGEMS、OpenFlows SewerGEMS 和 ACTION Server。项目团队生成了全面集成城市给排水、雨水、海滩和洗浴水系统的数字孪生模型。数字孪生模型将用于预测洪水和水质问题，提升城市服务和响应能力，并确保水行业基础设施的适应能力。

在此项目的第一阶段，项目团队为20 多个数据源创建了联合环境，以全面集成客户服务管理、计费、维护、项目管理、资产核算、操作系统、实验室管理、GIS、SCADA 等方面的数据。在第二阶段，项目团队集成了传感器、遥测和远程管理的仪器数据，其中包括 30,000 个遥测仪表和 200 多个设备。

数字孪生模型提供了整个城市水循环系统的数字化表示，它包括三个气象模型：海滨区雨污水模型;河口、海岸区域和海浪模型;以及预测模型。数字孪生模型支持实时访问此类信息，生成预测并通过水消耗和网络传感器自动更新边界条件，对管道爆裂、阀门和泵的关闭进行网络场景分析，以发布流量、速度、水位、气象和洋流信息。利用数字孪生环境已产生了25% 的运营收益，减少了约 30%的供水故障，将水管爆裂维修时间缩短了 8%。传感器读数的即时性有助于改进决策，将数据的稳定性和可靠性提升至将近 99%。

目前，项目在第三阶段，重点包括安装传感器以及自动运行决策工具和界面、自主系统和新责任模式。H2Porto 的一些重要事项包括传感器分析、供水模型、破裂模拟、仪表运行管理和 KPI，以及水动力模型、粪便大肠菌群预测和沿海水文气象研究。

Aguas do Porto 的 IT 和创新总监 Pedro Vieira 表示：“H2Porto 是数字化转型的重要催化剂，它支持人员、流程和技术方面的变更。最重要的是，它帮助我们在任意设备上实现运营移动化并实时提供信息。”

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