一、建设目标

对智慧水利供水管道运行过程中的数据进行综合性、全方位的实时采集和多维分析，结合调度决策系统得到的工程安全、合理的运行操作方案，以及在运行中可能出现的事故处理预案，对智慧水利工程建设中关键工艺方案、运行参数进行计算校核和优化；实时展示运行状态及调度方案预演，实现水资源优化分配；能快速准备判定事故类型、地点及事故等级并发出事故报警信息；当发生极端事故工况时，调取预案库中相应的事故处理预案，形成事故处理方案的操作指令，构建涵盖智慧水利工程信息采集、传输、处理、存储、管理、服务、应用、决策支持和远程监控等信息展现流程为一体的智慧水利供水工程安全综合管理系统，实现配水过程的自动化及安全稳定的运行，保证智慧水利工程安全高效的运行，zui大限度地满足水厂和用水户的需水要求，充分发挥智慧水利工程建设的经济效益。

二、建设任务

为了达到数字孪生供水工程建设目标，将立足于智慧水利工程实际与特色，力求解决管理中存在的问题，进行总体动态规划。建设任务主要包括：涉及工程引配水安全运行管理各个方面的监测监控体系、业务应用系统、应用支撑平台以及数据存储、计算机网络、通信网络、实体系统运行实体环境等基础设施建设。系统建设区域范围包括整个工程范围以及相应的各级管理机构。

总的建设任务如下：

2.1、监控体系

充分利用当前先进的各类智能感知设备，建设包括水质监测、流量在线监测、管道安全监测、自动化监控系统、泵阀状态在线监测等内容的综合监控体系，实现配水工程沿线流量、压力等信息的在线监测与重要泵阀设备运行状态监测与控制，实现工程关键部位的安全监测以及关键节点水质状况监测，确保供水工程运行安全。

智慧水利供水工程安全综合管理系统框架图

2.1.1、水质自动监测系统

为了能实时掌握智慧水利供水工程沿线管道水质状况，进行工程水质信息采集系统建设，主要包括：在工程沿线设置多参数固定监测点和微型监测站点。各站水质监测参数：PH、色度、浊度、臭和味、SS（悬浮物）、电导率、CODcr（化学需氧量）、BOD5（5日生化需氧量）、酸度、碱度、总硬度、全盐量、溶解氧、NH3-N氨氮、TP（总磷）、TN（总氮）、亚硝酸盐氮，硝酸盐氮，硫酸盐、石油类、氟化物，总氰化物，硫化物、LAS（阴离子表面活性剂）等。

泵站水质监测系统

水库水质监测站

2.1.2、流量监测系统

为计量工程沿线流量以及各受水点的水量分配情况，进行工程沿线流量监测建设。

2.1.3、自动化监控系统

通过现地配置智能的PLC设备，利用先进的计算机监控技术，实现水泵通过流量、水位、压力等监测数据闭环自动控制，也可以实现区域控制分中心和调度中心对水泵和阀门的远程控制。按照泵（阀）站运行采三级控制方式进行全线闭环自动控制，实现输水工程的自动化调度，同时，考虑在特殊需要的情况下，现地闸站可以由人工控制，进行闸站现地操作。

2.1.4、泵阀状态在线监测

为了全方位地提升智慧水利工程建设的调度管理工作效率，便于对系统内泵阀设备的运行管理维护，建设工程泵、阀状态在线监测，根据工程各类设备的特点，分别设置振动、摆度、压力脉动、转速等监测测点，实时地监测工程中各泵站的水泵机组、管线上的大型阀门的运行状态，对系统内设备进行有效的在线健康监测，对设备当前运行状态做出评估，对异常状态做出报警，并对故障进行初步分析，以便维护人员采取相应的措施，避免、减少重大事故的发生，并为设备的在线调整、停机提供依据。

2.1.5、管道安全监测

智慧水利工程建设中管道安全监测是核心内容，主要是管道安全监测和防第三方开挖监测，重点是管道泄漏监测为主。埋管段管道安全监测是在管道的排气阀部位安装一套电学式传感器（高频压力计和水听器），让传感器接触到管道内的水。传感器通过无线方式（4G 专网），将采集到数据传输到调度控制中心分析平台对管道进行实时监测。利用高频率采集压力传感装置，监测管道中瞬变的压力信号，并转换为瞬变事件进行分析，识别发生频率高，且幅度变化大的瞬态压力事件，结合管路结构、材质、口径等基础信息分析，模拟瞬态压力对管道的压强，从而分析瞬态压力的影响范围。同时提供辅助判断水锤（瞬变压力）源头功能，以便于在事件发生源头安装、改造防护装置，缓解水锤（瞬态压力）影响。当管道发生泄漏事件时，由于管道内外压力不平衡，泄漏点压力突然下降。利用安装在管道上下游的压力传感器监视管道压力参数，捕捉瞬时压降，可以判断管道泄漏是否发生，并计算出泄漏点的位置。

电学式管道泄漏监测系统安装示意图

盾构隧洞管道安全监测及防第三方开挖监测是配置一套分布式光纤测振系统实时在线监测，可在压力管道发生泄漏时，根据水流对管道壁的冲刷引起泄漏点发出振动和声波来监测渗漏和爆管预警。盾构隧洞上各种土建工程施工频繁，为了防止管道被有序、无序的施工开挖破坏，配置一套在线防第三方开挖系统。在工程盾构隧洞和埋管段管道外壁铺设分布式振动探测光纤，通过光纤传输信号，长期监测管道泄漏产生的信号。

分布式光纤振动监测系统利用光缆中的光纤来采集振动信号，通过系统软件来分析、判断采集到的各种扰动信号，对有可能威胁管道安全的事件进行在线实时探测、报警；通过测量输入光脉冲与接收到的光信号时延来判断振动报警点的位置，实现对报警位置的精确定位。在光缆某处因受到外界的扰动发生振动时，比较当前时刻与前一时刻的光学信号特征的变化，通过小波处理、背景信号过滤等方法对干扰信号进行分析、判断，从而对异常事件发出实时报警。

分布式光纤传感系统工作原理示意图

分布式光纤应变监测系统也是管道安全检测的一个重要分支，由于自然或者人为因素，长时间埋地管道容易发生形变，对于管道的应力监测是一个重要考虑因素。

2.2、业务应用系统

智慧水利供水工程安全综合管理系统中的业务应用系统方面的主要建设任务是进行水量调度的各项业务应用系统以及基础应用支撑建设，主要包括：信息采集与交互管理、数据资源管理、基础应用支撑、GIS数据可视化交互、多源全景监控、智能监测分析、调度决策分析、标准化运行管理、应急管理、可视化综合分析、综合信息服务、人员综合培训以及移动应用。

2.2.1、GIS数据可视化交互

基于工程多媒体与GIS场景，进行数据可视化交互，主要包括地图查询、地图编辑、管理行为地图、监测信息实时查看、状态监视实时报警、目录树检索等功能。

2.2.2、智能监测分析

智能监测分析是按照统一的框架整合各类监测数据实时动态分析和应用挖掘功能，实现各类监测分析、实时预警预测、状态评估、故障/异常诊断，指导工程智慧运行操作。主要包括工程运行状态分析、工程安全监测分析和设备状态监测分析。

2.2.3、水量调度运行

水量调度运行管理是优化工程水量调度优化运行，提供水量调度决策服务，保障工程的经济运行。根据配水工程特点和水量调度业务需求，包括对水量调度日常业务处理、水量调度方案编制、实时水量调度、水量统计和水费计算、调度评价模块的功能建设，实现配水工程水量调度业务全面自动化。

2.2.4、工程标准化运行管理

智慧水利工程标准化运行管理是在满足标准化运行管理要求下，结合水利工程运行管理实际情况，智慧水利工程建设智能运行管理，将各项运行管理业务电子化，使得管理更加科学、有序、流畅。主要包括组织机构、运行管理、综合应用、移动巡查等内容建设。

2.2.5、应急管理

应急管理是针对工程安全事故、水污染、应急供水等极端运行工况，为工程提供安全支持和事故应急处理，指导运行调度人员及时处理事故，避免事故的发生或使事故造成的损失减少到zui小。主要包括应急准备、应急预案编制、应急方案执行、会商决策以及应急后管理等建设内容。

2.2.6、可视化综合分析

可视化综合分析是将工程运行管理各类数据进行多维度钻取、联动分析，发现数据间的联系，自动生成各类统计报表，为智慧水利工程各类运行管理事项提供基础数据支撑，主要包括工程数字大屏和快速报告报表模块的开发建设。

2.2.7、综合信息服务

综合信息服务是提供包括各类专题信息以及各应用系统处理后的成果信息的查询和统计。结合运行管理中的主题业务将综合信息服务建设内容划分为工程概要类信息、水量调度类信息、泵阀监控类信息、工程监测类信息、工程安全信息、工程运维信息等。

2.3、基础环境支撑

智慧水利供水工程安全综合管理系统环境支撑建设主要包括：数据中心、计算机网络系统、通信系统以及系统运行实体环境等4部分，基础环境为整个系统提供基本运行条件和技术基础。

2.3.1、数据中心建设

建设数据中心数据存储平台的本地备份系统和异地远程容灾系统；建设水量调度数据库、泵阀控制数据库、工程各类监测数据库、工程运行管理数据库、空间地理信息数据库等应用系统专业数据库等数据库系统。

2.3.2、计算机网络系统

建立覆盖调度中心、泵站、阀室的计算机网络系统，计算机网络系统按广域网络以及相应的局域网进行建设；建立计算机网络系统的管理体系；建立访问控制、网段隔离、认证授权、入侵检测、漏洞扫描和安全评估、病毒防范、安全管理平台等安全防护体系。

2.3.3、通信系统

建设工程通信管道和光缆，建设覆盖现地站及至各级管理机构的光纤传输系统；建设通信综合网管系统、通信时钟同步系统、通信电源系统及监控系统、通信光缆自动监测系统。

2.3.4、系统运行实体环境

建设中控室和会商中心；建设数据中心、数据分中心机房环境。

三、建设意义

    总的来看，我国农村供水工程面广量大，运行管理水平参差不齐，信息化基础还不完善，资源共享、数据服务、智能应用和可视化表达能力较低，智慧水利供水工程安全综合管理系统建设的决策部署，提升农村供水保障水平，推动农村供水高质量发展的必然要求。我们按照《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》、《数字孪生水利工程建设技术导则(试行)》、《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》等要求，对于推进数字孪生农村供水工程建设，打造与物理工程相连的智慧化应用平台有着重要意义。