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摘要：城市内涝因其受灾范围之广、财产损失之重、伤亡人数之多已经成为城市居民最为关注的问题之一，本文基于数字孪生概念和智慧水尺的实时传感、模型模拟和数据同化的技术融合，建立了智慧城市内涝风险管理体系，并提出相应的实施方案，对其应用过程中实现的关键技术进行了阐述。数字孪生技术可以对排水系统进行实时的监测、诊断、分析、决策和预测，从而实现城市内涝风险预报预警的实时化，提高城市内涝防治管理水平，保障城市的安全运行与居民的正常生产生活。
关键词：城市内涝风险管理;数字孪生;智慧水尺;实时传感;模型模拟;数据同化
1引言
城市内涝因其受灾范围之广、财产损失之重、伤亡人数之多已经成为城市居民最为关注的问题之一[1]。除此之外，城市内涝所导致的溢流污染等问题也严重影响了城市的供水安全。因此提高城市内涝风险管理能力，降低城市内涝灾害损失，保障城市居民用水安全是当前我国亟待解决的问题。
随着智慧城市的兴起，越来越多的城市元素部件状态被实时感知，路灯、井盖、消防栓、视频监控、电梯等地上设备通过物联网接入到各类系统平台，城市内空气质量监测、施工场地扬尘扩散监测、街道噪音监测等空中数据被感知采集，从而解决了城市规划中的很多复杂性和不确定性问题，提高了城市治理能力现代化水平[2-3]。但基于城市内涝的地下问题，由于地下空间隐蔽性强，与地面城市管理相比既缺少现成的管理经验，又缺乏配套的网络化管理设施，所以存在很多隐患。
2.数字孪生技术
数字孪生技术作为实现物理世界与信息世界实时交互和融合的一种有效方法，近来来越来越受到了广泛的关注和重视，被认为具有巨大的发展潜力。基于数字孪生概念，可建立完善的城市内涝风险管理体系，降低内涝灾害造成的各种损失，提升城市污水处理厂的运行效率，保障城市居民的用水安全。本文提出基于智慧水尺的实时传感、模型模拟和数据同化的融合智能预测技术，并通过建立河海大学江宁校区管线数字孪生平台，实现排水系统的在线监测与预警预报，以此完成城市内涝风险管理的智能运行。
3.智能预测技术
3.1技术路线
基于智慧感知传感器（智慧水尺）实时传感、系统模型模拟和数据同化融合的城市内涝风险管理系统的核心就是能够实时监测、预测易涝区域、河流的水位变化过程。首先通过相应的智慧水尺在线监控获得水位数据，并结合互联网获取气象部门发布的监测数据和预测数据等;然后借助城市内涝风险管理系统模型进行数据处理，预测易涝区域和河流水位变化的趋势;最后通过数据同化方法对出现偏差的数据进行修正调整，精准预测未来的水位情况以及相应的决策方案，从而对城市内涝风险进行有效的防治。
3.2传感器设计
智慧水尺是适用于城市排水管道、城市积水区、水库、湖泊、河流等场合水位测量仪器，安装维护方便。智慧水尺可以在数毫秒左右分批扫描所有的探测电极，通过内置算法模型计算出水尺测量处到水面的距离。智慧水尺采集相关监测数据，将及时传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。智慧水尺一般处于待机或断电状态，关闭测量电路以节省电源，同时智慧水尺还带有远程切换功能，可应对旱天和雨天不同的天气状况，旱天，智慧水尺的扫描频率降低，扫描周期为1分钟，上报通讯周期为15分钟;雨天，扫描频率提升至15秒，上报通讯周期1分钟，从而保证了智慧水尺的使用寿命，智慧水尺在线上报总次数：50000次以上。
3.3模型模拟和数据同化
模型模擬和数据同化是城市内涝风险管理系统的技术核心及最终目的，可以辅助相关部门实现城市内涝的有效防治。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的城市内涝风险管理系统是基于SWMM模型[4]和数据同化开发的，系统预测精度高，满足实际应用需求，模型模拟与数据同化过程结构图如图1所示。在系统的SWMM模型中，根据地表透水性及地形、地貌的不同，将城市汇水区划分为三个主要类型，包括透水区域、有洼蓄不透水区域、无洼蓄不透水区域，每一个汇水区对应一个独立的出水口，与城市排水管网相连接[4-5];划分好汇水区域后以概化的排水系统来表征整个城市的汇流区，并以管道相关特征参数（管网的空间坐标、埋深、管长、管径、流向、坡度等属性数据）来展现各个元素的水力特性，通过对以上基础数据的分析与概化处理，将各子汇水区域参数作为参数率定结果输入模型中，模拟预测城市易涝区域和河流的水位变化趋势，最后通过数据同化方法，每间隔15-30分钟对比智慧感知传感器在线监测数据与系统模型模拟数据，如果出现偏差，便用实际在线监测数据的数据来代替模拟数据，修正调整后进行接下来的模拟，这样系统就可以精准地模拟出城市最大积水区域出现的时间，从而实现预警预报。
4.基于数字孪生的城市内涝风险管理方法的实施案例
河海大学与南京管科智能科技有限公司结合现有技术优势和业务发展特点，基于新兴物联网检测、移动互联传输和云计算技术，辅以地理信息系统（GIS）和大数据技术，建成了河海江宁校区数字孪生水务平台。平台基本实现“一个门户、两大平台、一张物联感知网、一个水务数据中心、一张管网GIS图和一个指挥调度平台，从而解决内涝的风险管控与淹水的预警与预报。
（1）一个门户
智慧管控系统门户把各系统账号进行统一管理，实现单点登录，提供统一的系统安全和网络安全管理。统一门户是一个结构稳定，可持续拓展的工作平台，为已有的应用和新建应用接入提供标准，是用户使用、共享信息资源的唯一平台。通过统一门户管理，可以实现用户通过一个账号登录多个系统，实现各应用系统数据的无缝对接。
（2）两大平台
两大平台分别是全流程核心技术示范平台和全链条智慧运营管理平台。其中，全流程核心技术示范平台打造从水源、管网、传感器到内涝点的全流程智慧管控，实现水源监控和预警安全保障示范平台。全链条智慧运营管理平台包含集供水、污水、水环境等业务于一体的运营管理平台，基于平台灵活的组织架构，后续可拓展至环保产业公司其他业务类型的智慧运营管控。 （3）一张物联感知网
基于智能终端构建覆盖水位和水流检测全过程、可主动感知与智能控制的物联感知网，并形成各类水务数据统一接入标准。
（4）一个水务数据中心
建立水务综合数据库，接受和存储智慧水尺监测感知的各种数据。通过数据资源管理平台可视化的界面辅助用户分权限管理与维护数据，融入数据同化的方法保证数据质量。构筑服务支撑体系，为上层各类应用提供基础服务，包括统一用户管理与身份认证、智能推送、数据分析服务、报表与图表服务、告警服务等。
（5）一张管网GIS图
建设覆盖河海江宁校区的管网GIS图，实现管网精准管理。构建统一的地理信息综合服务平台，实现区域空间地理信息资源的有效整合、集成与直观、动态、形象展示，统一为水务业务提供数据共享服务和可视化的决策分析。
（6）一个指挥调度平台
整合和利用现有资源的基础上，采用现代信息等先进技术，构建一个集通信、指挥和调度于一体、日常应用与应急调度指挥相结合的供排水指挥调度平台。
通过数字孿生平台的搭建，并基于智慧水尺传感器和模型模拟以及数据同化技术的融合，实现了对排水设施安全运行在线监测与预警预报，从而解决了河海江宁校区内涝的风险管控与淹水的预警与预报。
5.结论
本文针对城市内涝管理方法的落后性和决策结果的滞后性，基于数字孪生概念和智慧水尺、模型模拟以及数据同化智能预测技术，建立了智慧城市内涝风险管理体系。通过河海江宁校区数字孪生水务平台的实施案例，实现了排水系统的智能运行、精准管控和可靠运维，解决了江宁校区内涝的风险管控，对提升城市内涝风险管理体系和智慧城市的建设具有十分重要的意义与作用。
参考文献
[1]周宏，刘俊，高成，欧淑芳.我国城市内涝防治现状及问题分析[J].灾害学，2018，33（03）：147-151.
[2]封顺天，张东，张舒，李力.数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章[J].信息通信技术与政策，2020，3：9-15.
[3]李志鹏，金雯，王斯健.数字孪生下的超大城市空间三维信息的建设与更新技术研究[J].信息通信技术与政策，2020，22：3-9.
[4]符博渊.SWMM在城市排水管网系统的应用研究[J].福建质量管理，2016，（03）：159-163.
[5]阳宇恒，蔡展航，周勤.基于SWMM与ArcGIS的城市内涝灾害风险评估研究——以南浦岛为例[J].环境科学与管理，2016，41（12）：178-182.
南京管科智能科技有限公司 南京 211100）
关键词：城市内涝风险管理;数字孪生;智慧水尺;实时传感;模型模拟;数据同化
1引言
城市内涝因其受灾范围之广、财产损失之重、伤亡人数之多已经成为城市居民最为关注的问题之一[1]。除此之外，城市内涝所导致的溢流污染等问题也严重影响了城市的供水安全。因此提高城市内涝风险管理能力，降低城市内涝灾害损失，保障城市居民用水安全是当前我国亟待解决的问题。
随着智慧城市的兴起，越来越多的城市元素部件状态被实时感知，路灯、井盖、消防栓、视频监控、电梯等地上设备通过物联网接入到各类系统平台，城市内空气质量监测、施工场地扬尘扩散监测、街道噪音监测等空中数据被感知采集，从而解决了城市规划中的很多复杂性和不确定性问题，提高了城市治理能力现代化水平[2-3]。但基于城市内涝的地下问题，由于地下空间隐蔽性强，与地面城市管理相比既缺少现成的管理经验，又缺乏配套的网络化管理设施，所以存在很多隐患。
2.数字孪生技术
数字孪生技术作为实现物理世界与信息世界实时交互和融合的一种有效方法，近来来越来越受到了广泛的关注和重视，被认为具有巨大的发展潜力。基于数字孪生概念，可建立完善的城市内涝风险管理体系，降低内涝灾害造成的各种损失，提升城市污水处理厂的运行效率，保障城市居民的用水安全。本文提出基于智慧水尺的实时传感、模型模拟和数据同化的融合智能预测技术，并通过建立河海大学江宁校区管线数字孪生平台，实现排水系统的在线监测与预警预报，以此完成城市内涝风险管理的智能运行。
3.智能预测技术
3.1技术路线
基于智慧感知传感器（智慧水尺）实时传感、系统模型模拟和数据同化融合的城市内涝风险管理系统的核心就是能够实时监测、预测易涝区域、河流的水位变化过程。首先通过相应的智慧水尺在线监控获得水位数据，并结合互联网获取气象部门发布的监测数据和预测数据等;然后借助城市内涝风险管理系统模型进行数据处理，预测易涝区域和河流水位变化的趋势;最后通过数据同化方法对出现偏差的数据进行修正调整，精准预测未来的水位情况以及相应的决策方案，从而对城市内涝风险进行有效的防治。
3.2传感器设计
智慧水尺是适用于城市排水管道、城市积水区、水库、湖泊、河流等场合水位测量仪器，安装维护方便。智慧水尺可以在数毫秒左右分批扫描所有的探测电极，通过内置算法模型计算出水尺测量处到水面的距离。智慧水尺采集相关监测数据，将及时传输存储在云端服务器并与指定方之间实现数据共享。智慧水尺一般处于待机或断电状态，关闭测量电路以节省电源，同时智慧水尺还带有远程切换功能，可应对旱天和雨天不同的天气状况，旱天，智慧水尺的扫描频率降低，扫描周期为1分钟，上报通讯周期为15分钟;雨天，扫描频率提升至15秒，上报通讯周期1分钟，从而保证了智慧水尺的使用寿命，智慧水尺在线上报总次数：50000次以上。
3.3模型模拟和数据同化
模型模擬和数据同化是城市内涝风险管理系统的技术核心及最终目的，可以辅助相关部门实现城市内涝的有效防治。河海大学与南京管科智能科技有限公司合作开发的城市内涝风险管理系统是基于SWMM模型[4]和数据同化开发的，系统预测精度高，满足实际应用需求，模型模拟与数据同化过程结构图如图1所示。在系统的SWMM模型中，根据地表透水性及地形、地貌的不同，将城市汇水区划分为三个主要类型，包括透水区域、有洼蓄不透水区域、无洼蓄不透水区域，每一个汇水区对应一个独立的出水口，与城市排水管网相连接[4-5];划分好汇水区域后以概化的排水系统来表征整个城市的汇流区，并以管道相关特征参数（管网的空间坐标、埋深、管长、管径、流向、坡度等属性数据）来展现各个元素的水力特性，通过对以上基础数据的分析与概化处理，将各子汇水区域参数作为参数率定结果输入模型中，模拟预测城市易涝区域和河流的水位变化趋势，最后通过数据同化方法，每间隔15-30分钟对比智慧感知传感器在线监测数据与系统模型模拟数据，如果出现偏差，便用实际在线监测数据的数据来代替模拟数据，修正调整后进行接下来的模拟，这样系统就可以精准地模拟出城市最大积水区域出现的时间，从而实现预警预报。
4.基于数字孪生的城市内涝风险管理方法的实施案例
河海大学与南京管科智能科技有限公司结合现有技术优势和业务发展特点，基于新兴物联网检测、移动互联传输和云计算技术，辅以地理信息系统（GIS）和大数据技术，建成了河海江宁校区数字孪生水务平台。平台基本实现“一个门户、两大平台、一张物联感知网、一个水务数据中心、一张管网GIS图和一个指挥调度平台，从而解决内涝的风险管控与淹水的预警与预报。
（1）一个门户
智慧管控系统门户把各系统账号进行统一管理，实现单点登录，提供统一的系统安全和网络安全管理。统一门户是一个结构稳定，可持续拓展的工作平台，为已有的应用和新建应用接入提供标准，是用户使用、共享信息资源的唯一平台。通过统一门户管理，可以实现用户通过一个账号登录多个系统，实现各应用系统数据的无缝对接。
（2）两大平台
两大平台分别是全流程核心技术示范平台和全链条智慧运营管理平台。其中，全流程核心技术示范平台打造从水源、管网、传感器到内涝点的全流程智慧管控，实现水源监控和预警安全保障示范平台。全链条智慧运营管理平台包含集供水、污水、水环境等业务于一体的运营管理平台，基于平台灵活的组织架构，后续可拓展至环保产业公司其他业务类型的智慧运营管控。 （3）一张物联感知网
基于智能终端构建覆盖水位和水流检测全过程、可主动感知与智能控制的物联感知网，并形成各类水务数据统一接入标准。
（4）一个水务数据中心
建立水务综合数据库，接受和存储智慧水尺监测感知的各种数据。通过数据资源管理平台可视化的界面辅助用户分权限管理与维护数据，融入数据同化的方法保证数据质量。构筑服务支撑体系，为上层各类应用提供基础服务，包括统一用户管理与身份认证、智能推送、数据分析服务、报表与图表服务、告警服务等。
（5）一张管网GIS图
建设覆盖河海江宁校区的管网GIS图，实现管网精准管理。构建统一的地理信息综合服务平台，实现区域空间地理信息资源的有效整合、集成与直观、动态、形象展示，统一为水务业务提供数据共享服务和可视化的决策分析。
（6）一个指挥调度平台
整合和利用现有资源的基础上，采用现代信息等先进技术，构建一个集通信、指挥和调度于一体、日常应用与应急调度指挥相结合的供排水指挥调度平台。
通过数字孿生平台的搭建，并基于智慧水尺传感器和模型模拟以及数据同化技术的融合，实现了对排水设施安全运行在线监测与预警预报，从而解决了河海江宁校区内涝的风险管控与淹水的预警与预报。
5.结论
本文针对城市内涝管理方法的落后性和决策结果的滞后性，基于数字孪生概念和智慧水尺、模型模拟以及数据同化智能预测技术，建立了智慧城市内涝风险管理体系。通过河海江宁校区数字孪生水务平台的实施案例，实现了排水系统的智能运行、精准管控和可靠运维，解决了江宁校区内涝的风险管控，对提升城市内涝风险管理体系和智慧城市的建设具有十分重要的意义与作用。
参考文献
[1]周宏，刘俊，高成，欧淑芳.我国城市内涝防治现状及问题分析[J].灾害学，2018，33（03）：147-151.
[2]封顺天，张东，张舒，李力.数字孪生城市开启城市数字化转型新篇章[J].信息通信技术与政策，2020，3：9-15.
[3]李志鹏，金雯，王斯健.数字孪生下的超大城市空间三维信息的建设与更新技术研究[J].信息通信技术与政策，2020，22：3-9.
[4]符博渊.SWMM在城市排水管网系统的应用研究[J].福建质量管理，2016，（03）：159-163.
[5]阳宇恒，蔡展航，周勤.基于SWMM与ArcGIS的城市内涝灾害风险评估研究——以南浦岛为例[J].环境科学与管理，2016，41（12）：178-182.
南京管科智能科技有限公司 南京 211100）