现代城市燃气管道的安全隐患管理与居民的生活密切关联。近年来，由于燃气管线问题引起的事故灾难频发，严重影响了群众的生活和城市的正常运行。党中央和国务院领导高度重视燃气管道等老化更新改造，2022年,国务院办公厅印发《城市燃气管道等老化更新改造实施方案（2022—2025年）》，加快开展城市燃气等管道和设施普查，推进数字化、网络化、智能化建设。

随着新一代信息技术的飞速发展，数字孪生技术应运而生，广泛应用于工业制造、城市、医疗、交通、水利等领域。《“十四五”国家信息化规划》《“十四五”信息通信行业发展规划》等文件均提出要强化数字孪生技术战略研究布局和技术融通创新。数字孪生城市是在数字空间再造一个与物理城市匹配对应的数字城市，全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转。本文结合项目实践，针对城市管网更新改造，提出数字孪生管网三级架构体系和五大典型应用，以有效提升城市管网安全管理水平。

构建数字孪生管理架构

数字孪生城市管网架构体系

基础设施层

算力基础设施是数字孪生技术进行模拟仿真和大数据运算的基础，智能感知体系为智慧管网能力的实现提供了多渠道的数据采集方式。

算力基础设施作为各个行业信息系统运行的算力载体，已成为经济社会运行不可或缺的关键基础设施，在数字经济发展中扮演至关重要的角色。数字孪生管网的实现和应用需要强大的算力基础设施的支持。综合管网数据的数据量大、数据复杂，在动力、热力、和流体等多类物理仿真中，需要高精准的数据计算来支撑仿真结果的准确性。

智能感知体系为智慧管网能力的实现提供了多渠道的数据来源。智能感知设施包括遥感卫星、北斗定位、无人机、探测仪、物联感知、视频监控等在内的空、天、地一体化的智能感知网络。通过遥感卫星、北斗定位等航天技术，可实现灾害识别、第三方事件识别和管网沿线环境变化等事件的感知识别。基于无人机技术，可对复杂自然环境下的管网进行巡检，为平台提供管网泄漏检测和安全监控的数据。基于探测仪器，如可燃气体探测仪器进行油气泄漏探测。采用物联感知技术对管网运行状态和设备设施实现精准映射、本体多参数综合感知。通过视频监控技术对管网进行实时监控监测、可疑目标识别等。

数据资源层

时空基础数据是数字孪生技术实现的基础保障，也是管网精细化管理实现的数据基础，时空基础数据融合业务数据助力实现智慧管网的相关应用。

时空基础数据主要包括电子地图数据、遥感影像数据、地形数据、三维模型数据、地理实体数据、实景三维数据、三维管网数据等。二维电子地图、正射影像等时空基础资源为智慧管网的实现提供了位置定位服务，地形数据为管网的埋深等设计提供了依据。

业务数据包括审批数据、建设数据、检测数据、物联感知数据、视频数据等。数字孪生是真实空间中物理实体的精准映射，依赖于安装在管网实体上的传感器或模拟数据来洞察和呈现物理实体的实时状态，同时也将承载指令数据反馈到物理实体上，使其状态发生变化。

平台服务层

平台服务层是核心能力的实现，可以发布二三维地图和管网服务，提供数据融合、可视化渲染、交互控制、空间分析计算和模拟仿真等服务，为数字孪生燃气管网应用构建提供技术支撑。

数据融合。平台建设可以实现多源异构数据的融合，通过整合卫星遥感数据、低空无人机倾斜摄影数据、地下管网三维数据以及摄像头和传感器等实施感知数据，为智慧燃气管网的实现提供数据基础。可在数据的支持下实现管网改造的设计模拟和设计方案的比对。可在应急事件发生时及时锁定需关闭的阀门和受事件影响的楼房与人员，可迅速调度周边应急力量及时开展救援。

可视化渲染。基于数字孪生技术可以实现提供影视级可视化渲染的能力，支持BIM、倾斜摄影、遥感影像、激光点云和单体模型等大场景、大体量的数据一体化渲染，超精细还原真实场景中的三维管线，实时展示管线在地下的埋深、管径、材质等基本属性，为管线运行模拟仿真提供基础。

交互控制。通过数字孪生技术可以捕获并分析出当前的管线流量和压力等情况，实现应急事件的事前准备，若应急事件发生，系统可快速下达调整指令，指导系统完成重点阀门的关闭，实时分析出应急资源的需求，并下发应急指令，助力管线的应急精准分析和智能指挥。

空间分析计算。平台具备常用的空间分析计算能力，包括矢量、栅格和三维数据等空间分析计算能力。针对空间数据，利用空间分析算子，对城市地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息进行分析计算。在城市管网应用方面，可以提供包括路线规划、资源调配和辅助巡检在内的能力，为管网的巡查养护和应急保障提供底层技术支持，路线规划能力结合底层空间基础数据提供路网数据和三维管网数据，经过空间分析计算，可快速得到到达目标管点的最优路径。资源调配能力结合空间基础数据和业务数据，通过空间检索方法，精准识别目标管点附近一定范围内的相关资源。在管线巡检时，结合手机端应用，实现实时定位当前管线位置，查询当前管线信息，查找当前管线风险点。

模拟仿真。模拟仿真应用能力是指基于算法模型构建、仿真推演管控能力，针对管网业务应用需求及城市要素仿真推演特性，实现仿真推演赋能城市管网规划、建设、管理、服务。在管网规划建设阶段，可以提供模拟仿真预演管网的建成效果，通过模拟仿真实现管网的碰撞检测和管网布设的方案比对。在管网的管理服务阶段，实时监测管网的运行状态，对管网泄漏等事故进行实时仿真推演，辅助应急救援。

多场景赋能管网管理

将数字孪生技术与城市管网业务流程紧密结合，为城市管网从规划评估、升级改造、建设管理、巡查养护到应急保障等全流程、闭环的业务场景需求赋能。

规划评估

数字孪生技术赋予管网三维模型新的生命力，通过管网模型关联管网属性数据和实时感知数据。一方面，数字孪生管道可以在管道施工前识别问题，从而提前避免管网设计上的缺陷。另一方面，通过数字孪生技术可以持续积累管道运行中的数据，对数据进行学习和分析，积累丰富的管网设计经验。

升级改造

实现管网改造的前提是摸清管网资产的种类、权属、构成、位置和运行现状等信息，通过引入数字孪生技术构建管网综合管理平台，可在平台上对需要改造的片区管网进行模拟运算，筛选出管道质量不佳、混接错接和存在泄漏隐患等问题的管网，提高了管网改造的准确性，避免了路面开挖的无序性。

建设管理

在管网建设的设计验证工作中，可根据管网历史数据和实验数据对数字孪生管网的功能进行初步验证，降低后期的变更频率。施工阶段继承设计阶段的数字化成果，并一步增加或修正相关数据。通过数据更新，不断完善虚拟管理，并基于虚拟管网的分析和预测指导施工过程。在建设过程中，可提前模拟整个地下管网建设流程，在采购和安装物理设备之前发现相关问题并予以解决。在验收阶段，数字孪生管网的可视化展示可提高评审专家的直观体验，从而实现高效沟通解决技术问题。

巡查养护

管网的运行维护关系到管网系统的可靠性、经济性和安全性。基于数字孪生的管网养护，可实现设备维修维护由部件级别向系统级别转变，由故障诊断向故障预测转变。同时，还可通过增强现实 /混合现实技术提高人机交互的体验性，将实体管网设备与虚拟管网设备实时融合，清晰直观地显示出维修维护的操作流程和操作步骤，协助现场操作人员作业，不断修正操作步骤，从而提高其工作的准确性、安全性及效率。

应急保障

在应急演练过程中，根据历史事件事故的记录数据、管网数据以及现有应急预案，通过虚拟管网仿真模拟燃气爆管、泄漏扩散、污染分析、自然灾害影响、防洪排涝等应急场景，构建事故模型，在虚拟管网上仿真演练，制定应急预案，并不断优化应急预案。在应急事件发生时，通过虚拟管网实时接收实体管网的变化状态，从虚拟管网中初步分析判断事件的类型和级别，实现“事前、事发、事中、事后”全过程分析，形成运行工况调整、人员和物资调配、维抢修作业等一体化解决方案，建立统一指挥和协同工作的应急机制。

应用案例——娄底地下管线综合管理平台

“十四五”期间，“城市生命线”安全监管成为新基建、智慧城市建设的重要内容。湖南省娄底市积极贯彻落实国家、省、市部署要求,大力开展地下管线普查 ,全力推进地下管线信息化建设，通过数字孪生技术赋能综合管网管理，打造娄底市地下管网综合管理平台，施行新建与整合并举，对娄底市地下管线数据进行统一管理和综合展示，打造涵盖地下规划评估、升级改造、建设管理、巡查养护和应急保障的全场景、全方位智慧蓝图。基于地下综合管网普查成果数据与自然资源地上空间信息模型数据，构建了娄底地下管线综合管理平台，覆盖娄底市主城区约30平方公里。

在规划评估方面，建设二三维一体化系统，实现规划数据和现有数据的可视化呈现，实现规划合理性评估和优化规划方案。在管网升级改造方面，建设地下管网数据管理子系统，平台承载现有全量管线数据，基于现有数据可探讨改造方案的可行性和经济性等问题，实现管网升级改造的效率最大化。在管网建设管理方面，搭建地下管线共享服务子系统，制定管网管理机制，相关建设单位可通过平台进行管网服务的申请，在保证管网数据安全的基础上服务管网的建设。在管网巡查养护方面，打造管线移动巡检子系统，实现手机端和PC端的协同联动，提供巡检到位率、隐患整改统计、隐患趋势分析等功能，从多维度反映管网运行及维护情况。在管网应急保障方面，搭建隐患管理子系统，实现了隐患事故及时上报，并能及时调动应急资源，开展应急救援工作。

娄底市地下管网综合管理平台，满足了城市地下管线建设、管理和运维的需求。还能对接省管线综合系统，实现全省一盘棋和数据的互联互通、信息跨部门跨层级共享共用。保障了城市管线高效率和高质量运转，为城市管线在规划评估、升级改造、建设管理、巡查养护和应急保障等方面提供决策依据。通过数字孪生技术赋能综合管网管理，将地下管线数据进行统一管理和综合展示，打造涵盖地下管线更新、展示、监测、分析、预警、巡查、养护的全场景、全方位智慧蓝图。通过数据汇聚摸清管线家底，有效满足城市道路施工开挖和管线改造的数据需求，构建地上地下三维一体化系统，实现可视化监管城市运行状态。通过平台建设可保障城市管线高效率、高质量运转，为城市管线的规划、建设、改造和管理提供依据，降低城市规划设计、管理和改造的成本。

作者单位：中国信息通信研究院、山东浪潮新基建科技有限公司