2023优秀案例丨胶州污水数字孪生综合管控平台

胶州污水数字孪生综合管控平台

杨建华   姜  帅   刘晓莹

胶州市住房和城乡建设局 

青岛海纳云数字科技有限公司

1. 项目背景

水务管理是城市管理的重要组成部分。近年来，国家陆续出台《十四五期间推进智慧水利建设实施方案》《2022年推进智慧水利建设水资源管理工作要点》等一系列政策，推动智慧水务的建设，规定环保装备设计制造、污染治理和环境监测等要推动数字化智能化转型，要整治提升农村人居环境、梯次推进农村生活污水治理，基本消除较大面积的农村黑臭水体。同时，我国水务行业保持高速发展，市场规模稳步扩大。据相关机构预测，到2026年，我国规模以上水务企业销售收入有望达5625亿元，未来发展前景广阔。

随着国家对农村生活污水治理要求的不断提高，全国各地对农村生活污水处理设施的建设力度也不断加大。然而，随着农村生活污水处理设施数量的激增，加之其本身点位分散、规模较小，使得农村污水处理出水达标率低、运营管理难度大、运营成本高，传统的运营监管方式已经不能满足高效率低成本的运营要求，亟须构建集综合监控、站点管理、智慧调度、运营管理、设备管理、统计分析等多功能于一体的农村生活污水智慧运营管理平台，实现各污水处理站关键数据指标的实时获取、站点的集中管理、异常信息的智慧告警和统计分析、巡检维修任务的智慧调度等，加强提高运营单位的运营管理能力，降低运营成本。

胶州市深入贯彻落实习近平总书记关于“绿水青山就是金山银山”的发展理念，以打造 “秀水乡村”为目标，通过大力实施全域治水，加大农村污水处理设施投入，切实改善城乡居民生产生活水环境，切实将生态惠民、生态利民、生态为民落到实处。自2021年开始，计划投资24亿元，利用3年时间，采用国内最先进的农村污水处理技术，将全市734个村庄的厕所污水、厨房用水、洗漱用水等农村生活污水一并进行治理。针对村庄点多分散，污水泵车抽运等运行管理难点，搭建胶州市农村生活污水智慧管控平台。

2. 项目目标

胶州污水数字孪生综合管控平台利用云计算、物联网、大数据、智能化、移动互联等技术，对胶州市全市范围内集水池、污水管网、污水泵站、污水厂等数据全收集，实现从污水排放、收集到输送和处置等相关环节的全流程管控；将污水厂、站、网的各类勘察设计资料、施工信息、竣工资料、智能感知监测数据及业务动态等关键数据统一集成至BIM模型，形成可视化、构件级的数字资产运营管理机制，为胶州市污水工程领域的规、建、管一体化提供数字化、信息化基础，实现污水收集治理过程可视化、在线化，提高污水收集治理系统的管理效率，实现“胶州模式”的长效久治。

胶州污水数字孪生综合管控平台运用了“CIM+GIS”的底座，融合BIM、大数据、物联网、云计算等技术，集计算机硬件、软件、网络、无线通信、技术于一体，提供农村生活污水收集智能化模式，实现对胶州市项目范围区域监测、全过程控制、全方位管理。整个平台由“综合概览、指挥调度、安防态势”三大模块组成。

（1）综合概览

融合BIM、大数据、物联网、云计算等技术，展示胶州市全域污水治理“一张图”，实现宏观布局、细节管控。

宏观布局：综合概览模块展示胶州市全市维度、镇/街道维度、村维度、污水厂的污水收集、处理的统计分析数据（见图1），同时在BIM模型中可直观地看到胶州市污水厂分布。

细节管控：平台还实现了1:1还原胶州市污水厂污水处理工艺，可以精确查看从原污水流入到尾水排放的工作全流程（见图2）。

（2）指挥调度

指挥调度模块结合GIS、物联网等技术，对污水运输环节进行全面跟踪与调度（见图3）。

该模块可查看污水运输车辆的状态、实时位置及工作规划路线，不同状态的车辆用不同颜色区分，一目了然，并且对有运输需求的村庄、集水池进行数据展示，跟踪运输需求的完成状态，全面掌握污水运输；并且形成污水运输车辆的全生命周期跟踪，包括车辆状态、养护记录、维修记录、运行轨迹等。同时，该模块中也能看到集水池的位置、当前液位及状态，达到液位阈值后，集水池会产生运输需求的告警，系统进行智能调度。

（3）安防态势

安防态势模块主要从重点区域监控、异常告警、巡检事件三个维度展示胶州市污水处理模块的安防情况（见图4）。

安防态势可实现对重点区域进行监控，查看监控视频轮播，实时掌握重点区域的安防态势；可实现异常告警，对抓拍入侵、溢流识别、井盖告警进行统计分析；可配置巡检事件，展示巡检计划完成情况，并在BIM模型中展示巡检轨迹，查看巡检结果；可在三维模型中展示井盖、摄像头等设备的位置信息，并能查看具体设备的详细信息及摄像头的实时画面信息。

图 4 安防态势

平台通过构建物联管控模块，完成物联感知数据的接入，实现了业务监测集中化、运行态势可视化、指挥调度一体化、业务协作高效化。

（1）业务监测集中化

通过实时采集各收集池液位与流量、摄像头、污水处理厂进出水流量、水质等，统一汇聚前端感知数据，对管网日常运行、污水处理过程、监测告警数据进行集中上屏监控。

（2）运行态势可视化

基于CIM+GIS的底座，对整个管网进行了1:1还原，将实时的数据、管件、材质、位置等与模型相结合，可以形象直观地看到每个管段管井位置、污水流向、设备运行状态，一旦出现异常情况可以迅速定位进行问题确认，便于后期的运维。

（3）指挥调度一体化

通过人工智能算法结合污水运输车辆实时运行轨迹、污水运输车辆实时载重量、收集池液位实时值、污水处理站实时处理量等指标，对污水收集车进行路线规划和智能调度。

（4）业务协作高效化

平台将实时的管网数据、管件、材质、位置及污水厂、站、网的各类勘察设计资料、施工信息、竣工资料、智能感知监测数据及业务动态等关键数据统一集成至BIM模型，形成了数字资产，在保障后期运维的同时，能够实现资源优化配置，信息互联互通，处理按需协同，促进信息基础设施和应用系统效能最大化，提升部门间数据共享能力，为跨部门业务协作提供高效支撑。

1. 市场前景

我国年污水排放量随居民生活用水耗用量增加呈同步增长态势，截至2022年底，农村生活污水治理率在31%左右，较2020年治理率25.5%，提升约 5.5 个百分点，但仍有大量农村生活污水未经处理排出。根据《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025年）》提出的“十四五”时期目标任务，到2025年，全国农村生活污水治理率要达到40%。前瞻预计我国农村污水处理建设将会进一步提速，市场发展空间巨大，到“十四五”末，农村生活污水处理市场新增处理量942.9万吨/天，新增市场空间为 323.3 亿元，设施提标改造市场空间约7.03亿～194亿元，运维资金将达2244.9万元/天。

2. 可复制及应用推广

平台设计尽可能简明，降低各功能模块耦合度，并充分考虑兼容性。在设计过程中，选择成熟的产品和规范，如.Net、Java、ODBC、JDBC之类已经成为标准的、被大量实践所采用的技术；选用具有成熟性、可持续发展性的开发工具；选用行业内成熟、SOA架构的统一集成网络和综合信息系统的体系结构，实现跨平台的应用、统一集成、强扩展性，以保证系统具有长久的生命力和扩展能力。通过建立农村污水治理标准化体系，胶州污水数字孪生综合管控平台支持应用于大部分的农村生活污水治理场景。

3. 可持续发展能力

平台通过全面监控、快速定位、及时处置为农村生活污水治理系统运维进行赋能，利用云计算、物联网、大数据、智能化、移动互联等技术，为胶州市污水工程领域的规、建、管一体化提供了数字化、信息化基础，让污水治理有了“数字大脑”，使管理智慧又高效。

4. 解决行业痛点

目前我国农村污水处理站众多，分布式处理站因其建设周期短、建设方式灵活等优势，容易满足村镇对污水处理的要求，但存在站点分布广、运维难度大，难以集中监控，数据汇总难度大，设备异常难以察觉等问题。针对难点，胶州市农村生活污水智慧管控平台实现了污水收集治理过程可视化、在线化，着力解决智慧水务发展、推广在技术层面存在的全面感知能力、数据资源共享能力、智慧型应用场景、运维服务水平等短板问题，节约设备运行能耗，降低人力经营成本，有效提高污水收集治理系统的管理效率和污水处理站运营管理水平。

5. 经济效益

平台将污水厂、站、网的各类勘察设计资料、施工信息、竣工资料、智能感知监测数据及业务动态等关键数据统一集成至BIM模型，并对污水治理进行全流程管控，解决了污水治理过程中的点多分散、污水泵车运营等难点，预计提升污水转运效率20%，降低人工成本15%。

6. 社会效益

胶州污水数字孪生综合管控平台采用数字孪生、CIM、大数据分析等技术、实时监控农污设施运行、水质及流量情况，为农村生活污水处理收集、处理设施管理提供信息化支撑，为管理或运行单位提供统一的综合监管平台，提高协同工作效率、管理效率，提升农村污水处理综合监管效能，为胶州市污水工程领域的规、建、管一体化提供了数字化、信息化基础，也为北方农村污水治理提供了新思路。