在智慧城市发展的大背景下，国家和行业政策大力推进信息化建设，供水信息化发展正从智能化向智慧化稳步迈进，如何利用供水系统全流程的智能感知，实现关键节点的“精准预测”正成为行业研究的重点。随着数字孪生技术在世界工业领域的成熟应用，智能控制和智慧决策得到广泛应用，智慧供水有望借助该技术形成基于模型服务和数字孪生的辅助决策体系，打造精准映射、模拟仿真和虚实交互的数字孪生载体，实现对供水系统全流程数字孪生管理的监管和控制。
一、数字孪生与智慧供水发展概况
1、数字孪生技术
数字孪生的概念能够追溯到2002年，美国密歇根大学的产品生命周期管理中心成立后，提出了相关概念模型，对应的数字孪生体具有基本要素包括：现实空间、虚拟空间，现实空间和虚拟空间之间的数据流和信息流连接，这些关联会在整个产品的生命周期中都联系在一起。数字孪生体由两个系统组成，一个是真实存在的物理系统，另一个是包含了该物理系统所有信息的虚拟系统，在现实空间中的系统和虚拟空间中的系统之间互为镜像，两个系统互为物理和数字的“双胞胎”关系。在2012年，美国NASA基于飞行器仿真系统工程提出数字孪生的定义：使用最合适的物理模型、动态传感、历史数据等，实现多物理量、多维度的系统集成和概率模拟，通过数字化的方式在数字世界中构建一个完全一致的虚拟实体，即数字孪生体，它代表了实体的特征和行为，具有高度仿真、相互依存、数据挖掘、模拟预测等特性。
2、智慧供水运管
我国水务企业信息化的发展主要分为自动化、数字化、智能化和智慧化四个阶段。
工控化水务是水工业自动化发展的代表作。数字化水务是在工控化水务建设的基础上，应各业务部门的管理需要，加强各部门业务流程及工作环节的闭环管控。智能技术充分应用于自来水厂，强调自动处理系统的贡献及节能环保优化控制，以智能技术为手段的智能服务主要展现为自动化服务。
智慧化水务的概念提出，是在智慧城市的指导思想下诞生，城市的各领域业务板块争先恐后地争先发展，我国水务企业成熟运用新一代信息技术，由数字驱动的水务逐步向智慧水务升级。智慧化水务相较于传统水务管理，具有全局化、全程化、全员化、高层次、大数据、超算法、强逻辑等特性。
3、智慧供水前景
2014年初，国家将智慧水务建设纳入智慧城市建设的重要内容。从2015年开始至2019年，中国城镇供水排水协会连续五年组织召开“中国城市智慧水务高峰论坛”，对国内智慧供水建设方面的成果、探索和思考进行交流，推动水务行业的智慧化进程。国家住建部和发改委于2017年5月联合印发《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》，规划中明确指出：“发展智慧水务，构建覆盖水务全过程，涵盖水量、水质、水压、水设施的信息采集、处理与控制体系”。
智慧供水是智慧水务的核心组成部分，也是智慧城市建设的基础和必然延伸。在国家政策积极指导和新型技术应用的大环境下，智慧供水运行管理作为城市水务建设不可或缺的部分，已成为传统水务领域转型升级的重要方向和发展趋势，它通过信息化技术方法获得、处理并公开城市供水信息，可有效管理城市的引水、供水、用水等过程，是智慧城市建设的主要支撑。
二、数字孪生与智慧供水融合分析
智慧供水的运行和管理涉及到人员、事物、流程等不同主体对象状态监测、预警、调度、运维等众多业务环节，利用供水系统信息资源的获取，为供水生产、监管、调度、服务等应用提供科学管理和精细化运营提供赋能。而数字孪生则是基于物理实体的基本状态，以动态实时的方式将建立的模型、收集的数据做出高度写实的分析，用于物理实体的监测、预测和优化。
因此，实现智慧供水的思路与数字孪生技术应用之间有很多契合点，数字孪生能够为构建智慧供水运管体系提供理论和技术上的支撑。
三、基于数字孪生的智慧供水运管体系
1、孪生的映射
由于供水系统的复杂性和多变性，需要物理实体具备多源异构数据的实时感知和互联能力，能够对人、机、物、环境四大要素进行全面的感知和融合，实现对供水系统原水、水厂、管网、泵站、终端等基础设施的全面数字化建模，形成虚拟供水系统在信息维度上对实体供水系统的精准信息表达和映射。
2、孪生的交互
供水系统的数字孪生体不仅仅是虚拟、展示，更重要的是应用。将真实供水系统的状态和趋势作为边界条件，输入对应的数字模型后，各项物理指标均能在数字孪生体中展示，支持供水系统规划设计、建设、运行等方案模拟与发展推演。通过泛在的物联网作为实体供水系统和虚拟供水系统联通的桥梁纽带，虚拟供水系统能够实现实体供水系统的智能控制，从而构建虚实融合、双向映射、虚实协同的智慧供水运管创新体系。
3、智慧的决策
数字孪生的核心是模型和数据，重点是预测预警和智慧决策。借助大数据、人工智能技术，在云计算强大的算力支撑下，供水系统的数字孪生体通过数据收集、数据分析、模拟评估、优化分析、预测预警，为供水系统运行管理中各个业务条线的未来态势响应和决策提供科学化和智慧化的应用指导。
4、 体系架构初建
依据数字孪生技术和智慧供水运管的应用特点，从数据层、模型层和决策层三个方面来构建基于数字孪生的智慧供水运管体系。
5、主要功能应用
绘制供水系统智慧虚拟画像
通过建设城市供水系统全流程数字孪生体，以定量和定性结合的方式，通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，推演水厂生产工艺、管网泵站水力、用户终端用水等场景下等态势，绘制虚拟的供水系统画像。
激活供水系统数据资源价值
供水系统数据资源包含资产、监测、业务、经营等方面数据，通过数字孪生体对这些海量数据进行分析和挖掘，盘活无序、无用数据，能够发现很多有价值的信息和规律，为辅助决策应用提供基础支撑。
实现供水系统可控和可预测
智慧供水的数字孪生体具备对供水设施和要素的在线模拟仿真和同步控制功能，能够直观地掌握供水生产流程、管网水力情况、设备机械控制、终端虚拟用水等内在信息，提供供水科学调度、生产预警预报、过程控制等运行效能。
数字孪生作为新兴技术应用，与智慧供水运管体系的融合还面临应用模型精度不够、业务缺乏模型理论指导等很多挑战，因此，基于数字孪生的智慧供水运管体系还要看齐其他数字孪生成熟应用的行业及其研究成果，当前阶段需打好基础，提升基础设施建设，重视数字化模型构建，强调智慧化场景应用，分业务领域纵向进行数字化模型研究、分优先步骤横向进行数字化应用整合，着力推动基于数字孪生的智慧供水运管体系的创新和高质量发展。
