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面向智慧管网的数字孪生系统实时监测与预警机制1

面向智慧管网的数字孪生系统实时监测与预警机制

摘要

本报告系统阐述了面向智慧管网的数字孪生系统实时监测与预警机制的理论基础、

技术路线与实施方案。报告首先分析了我国管网系统的现状与挑战，指出传统管网管理

方式在实时性、精准性和预测性方面的不足。基于国家”十四五”规划对智慧城市和新型

基础设施建设的战略要求，报告提出了构建数字孪生系统的必要性和紧迫性。

在理论层面，报告详细阐述了数字孪生系统的核心概念、技术架构和实现原理，重

点分析了物联网感知层、数据传输层、平台处理层和应用服务层的协同工作机制。技术

路线部分深入探讨了多源异构数据融合、实时流处理、机器学习预警模型等关键技术，

并提出了基于边缘计算与云计算协同的分布式处理架构。

实施方案设计部分，报告提出了”三步走”的建设策略：基础数据采集与数字化建模、

实时监测系统搭建、预警机制完善与优化。每个阶段都明确了具体任务、技术要求和预

期成果。报告还详细分析了系统的经济效益和社会效益，通过典型案例数据证明了数字

孪生系统在降低管网事故率、提高运营效率方面的显著价值。

风险分析部分从技术、管理、安全三个维度识别了潜在风险，并提出了相应的应对

策略。最后，报告展望了数字孪生技术在管网管理领域的发展趋势，强调了与5G、人

工智能等新兴技术融合的重要性。本报告为智慧管网建设提供了系统化的解决方案和

实施路径，对推动城市基础设施智能化升级具有重要参考价值。

引言与背景

1.1研究背景与意义

随着我国城市化进程的快速推进，城市管网系统作为城市基础设施的重要组成部

分，其安全稳定运行直接关系到城市发展和民生保障。据住房和城乡建设部2022年统

计数据显示，我国城市供水管网总长度已超过100万公里，燃气管道超过90万公里，

排水管道超过70万公里，且以年均5%8%的速度持续增长。如此庞大的管网系统给传

统管理方式带来了巨大挑战。

传统管网管理主要依赖人工巡检和定期检测，存在响应滞后、数据孤岛、预测能力

不足等问题。中国城市燃气协会2021年报告指出，全国燃气管道事故中，约60%是由

于未能及时发现隐患导致的。数字孪生技术的出现为解决这些问题提供了全新思路。数

字孪生通过构建物理管网与虚拟模型的实时映射，实现了全生命周期管理，使管网运营

从被动响应转向主动预防。

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1.2国内外研究现状

国际上，欧美发达国家在数字孪生管网应用方面起步较早。英国泰晤士水务公司

2018年率先建立了供水管网数字孪生系统，通过实时监测和预测分析，将管网漏损率

降低了15%。美国PGE公司2020年部署的燃气管道数字孪生系统，使第三方破坏

事故减少了40%。

国内研究虽起步较晚，但发展迅速。清华大学2020年发布的《城市基础设施数字

孪生技术白皮书》系统阐述了管网数字孪生的技术框架。深圳水务集团2021年建成的

国内首个供水管网数字孪生系统，实现了关键节点实时监测覆盖率100%。然而，我国

管网数字孪生系统在实时性、预警精度等方面仍有提升空间，特别是在多源数据融合和

智能决策支持方面需要加强。

1.3研究目标与内容

本研究旨在构建一套完整的面向智慧管网的数字孪生系统实时监测与预警机制，主

要目标包括：建立高精度管网数字孪生模型，实现物理管网与虚拟模型的实时同步；开

发多源异构数据融合技术，提升数据质量与利用效率；构建基于机器学习的智能预警模

型，提高隐患识别准确率；设计分级预警响应机制，实现风险精准管控。

研究内容涵盖理论框架构建、关键技术攻关、系统平台开发、应用示范验证四个方

面。通过产学研协同创新，突破数字孪生在管网领域的应用瓶颈，为我国智慧管网建设

提供技术支撑和实施路径。

政策与行业环境分析

2.1国家政策支持

国家”十四五”规划明确提出要”推进新型城市建设，实施城市更新行动，加强城市

基础设施建设”。2021年，住建部印发《关于加快推进城市基础设施智慧化建设的指导

意见》，要求”加快供水、排水、燃气等市政基础设施智能化改造和数字化管理”。2022

年，国家发改委等九部门联合发布的《关于扎实推进城市基础设施生命线安全工程建设

的通知》明确提出”构建