一种基于数字孪生的智慧水务动态监管方法及平台

本发明涉及水务动态监管，具体为一种基于数字孪生的智慧水务动态监管方法及平台。

背景技术：

1、智慧水务是通过新一代信息技术与水务技术的深度融合，充分发掘数据价值和逻辑关系，实现水务业务系统的控制智能化、数据资源化、管理精确化、决策智慧化，保障水务设施安全运行，使水务业务运营更高效、管理更科学和服务更优质。

2、智慧水务的实现依赖于多种关键技术的支持，包括物联网技术、传感器技术、大数据分析等。其中，物联网技术通过实时监控和动态采集数据，实现水务设备的远程调度和管理；传感器技术则用于监测水质、水量、水压等指标，实时获取数据并进行分析和预测；大数据分析则能够帮助预测和优化水资源的利用和分配。

3、在水务管网在完成安装和设置，进入运行状态后，若其长期处于较大的运行负荷下，水务管网可能会存在一定的安全隐患，为了避免这种安全隐患或故障的产生，现有的智慧水务动态监管方法中，通常是对水务管网当前的数据进行采集，通过对采集的数据进行分析来判断当前是否已经存在故障或隐患，但是这种方式只能对当前的问题进行判断和分析，不能有效的覆盖接下来的情形，同时，在水务管网已经产生故障或性能下降时，也难以快速的给出应对方案，难以实现快速处理。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的智慧水务动态监管方法及平台，通过收集水务管网的相关数据，训练获取水务管网数字孪生模型，监测水务管网数字孪生模型与外部的通信状态，若通信状态低于预期，采取通信增强措施；对水务管网进行仿真分析，并由测试数据构建水务管网的稳定度，若稳定度不超过稳定度阈值，由水务管网优化知识图谱为水务管网给出优化方案后，对输出的优化方案进行筛选，并由筛选出的优化方案对水务管网进行优化；在对水务管网进行优化时，能够对优化效果形成保障，从而解决了背景技术中提出的技术方案。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种基于数字孪生的智慧水务动态监管方法，包括，监测水务管网的运行状态，并由监测获取的数据构建水务管网运行时的负荷度ho，若水务管网的负荷度超过预期，收集水务管网的相关数据，汇总构建水务数据集合；

4、由水务管网及相关数据训练获取水务管网数字孪生模型，监测水务管网数字孪生模型与外部的通信状态，并进而由监测数据构建通信系数txs，若通信系数txs低于预期，采取通信增强措施；

5、对水务管网进行仿真分析，并由测试数据构建水务管网的稳定度wo，若稳定度wo不超过稳定度阈值，向外部发出维护指令；其中，稳定度wo的构建方式如下：

6、

7、其中，i＝1，2，…，p，p为分析节点的个数；hoi为第i个分析节点上的负荷度，hoavg为负荷度的均值；

8、由水务管网优化知识图谱为水务管网给出优化方案后，依据由若干个稳定度wo构建优化度yo对输出的优化方案进行筛选，并由筛选出的优化方案对水务管网进行优化；

9、采集与水务管网相关的水体水质数据，由水质数据构建水体的污染度rxs，若污染度超过污染阈值，向外部发出水质调整指令。

10、在一种实施方式中，所述监测水务管网的运行状态，并由监测获取的数据构建水务管网运行时的负荷度ho，若水务管网的负荷度超过预期，收集水务管网的相关数据，汇总构建水务数据集合，包括：

11、在水务管网内选择若干个监测位置，于各个监测位置处对水务管网的运行状态进行监测，获取水体流量sn及运行噪声zn，将获取的监测数据汇总后，构建水务管网运行数据集合；

12、由水务管网运行数据集合构建水务管网运行时的负荷度ho；若水务管网负荷程度超过预期，向外部发出数据采集指令；

13、接收到数据采集指令后，为水务管网搭建传感器网络和数据采集系统，收集水务管网中的各类数据，将采集到的数据汇总构建水务数据集合。

14、在一种实施方式中，所述由水务管网及相关数据训练获取水务管网数字孪生模型，监测水务管网数字孪生模型与外部的通信状态，并进而由监测数据构建通信系数txs，若通信系数txs低于预期，采取通信增强措施，包括：

15、从水务数据集合内抽取部分数据作为样本数据，由机器学习算法构建初始模型，由样本数据训练初始模型，获取训练后的水务管网的数字孪生模型；

16、在接收到数据输入后，对水务管网的数字孪生模型的通信状态进行监测，获取相应的监测数据，包括信噪比及数据延迟；并将获取的通信数据汇总构建通构建模型通信数据集合；

17、由模型通信数据集合构建模型的通信系数txs；

18、在获取通信系数txs后，以通信系数txs验证和评价数字孪生模型的信息更新能力，依据对模型通信管理预期，预先设置通信阈值；若通信系数txs低于预期，则说明模型当前与外部的通信能力较差，此时，对当前的数据通信能力进行加强。

19、在一种实施方式中，所述由模型通信数据集合构建模型的通信系数txs，方式如下：对信噪比hp及数据延迟bp做线性归一化处理，并将相应的数据值映射至区间[0，1]内，依照如下方式：

20、

21、其中，k2、k1为权重系数，0≤k1≤1，0≤k2≤1，且k1+k2＝1，bpi第i个数据延迟，hpi为第i个信噪比，i＝1，2，…n，n为监测节点的个数。

22、在一种实施方式中，所述对水务管网进行仿真分析，并由测试数据构建水务管网的稳定度wo，若稳定度wo不超过稳定度阈值，向外部发出维护指令，包括：

23、使用水务管网数字孪生模型对水务管网进行仿真分析，并获取相应的运行数据，并再由运行数据构建各个分析节点上的负荷度ho，负荷度ho的生成方式如下，对水体流量sn及运行噪声zn做线性归一化处理，并将相应的数据值映射至区间[0，1]内，依照如下方式：

24、

25、权重系数：0≤β≤1，0≤α≤1，且α+β＝1，i＝1，2，…，k，k为监测位置的个数；sni为第i个监测位置上的水体流量，snavg为水体流量的均值，为其合格标准值，zni为第i个监测位置上的运行噪声，znavg为运行噪声的均值，为其合格标准值；

26、将获取的负荷度ho汇总构建水务运行数据集合；

27、由水务运行数据集合构建水务管网的稳定度wo，若获取的稳定度wo超过稳定度阈值，向外部发出水质监测指令；若相反，向外部发出维护指令。

28、在一种实施方式中，所述由水务管网优化知识图谱为水务管网给出优化方案包括：

29、接收到维护指令后，由水务管网数字孪生模型对水务管网的运行状态进行预测，并获取相应的运行预测数据；对运行预测数据进行识别，获取相应的优化特征；

30、以水务管网为目标词，预先构建水务管网优化知识图谱，依据水务管网的优化方案与优化特征间的对应性，由水务管网优化知识图谱为水务管网给出优化方案。

31、在一种实施方式中，所述依据由若干个稳定度wo构建优化度yo对输出的优化方案进行筛选，并由筛选出的优化方案对水务管网进行优化，包括：

32、获取输出的优化方案后，使用水务管网数字孪生模型对优化方案进行测试，于各个测试节点处获取相应的测试数据，由测试数据再次构建水务管网的稳定度wo；

33、由若干个稳定度wo构建优化度yo，若优化度yo低于优化度阈值，由优化算法构建方案优化模型，使用方案优化模型对优化方案进行优化，获取优化后的优化方案，将其作为目标方案；若优化度不低于优化度阈值，将对应的优化方案作为目标方案。

34、在一种实施方式中，优化度yo的方式如下，在获取各个预测节点上的稳定度wo后，将测试优化方案前后的稳定度wo一一对齐，依据如下公式：

35、

36、其中，tzi为第i个测试节点上的稳定度中间值，tzavg为其均值，i为测试节点序号，i＝1，2，…，n，n为测试节点的个数，awoi及bwoi分别为优化前后第i个节点上的稳定度，awoavg及bwoavg为相应的均值。

37、在一种实施方式中，所述采集与水务管网相关的水体水质数据，由水质数据构建水体的污染度rxs，若污染度rxs超过污染阈值，向外部发出水质调整指令，包括：

38、执行目标方案对水务管网进行优化后，于监测周期内对水体的污染状态进行监测，获取相应的监测数据；在汇总后构建水体监测数据集合；由水体监测数据集合内的监测数据构建水体的污染度rxs，其中，对浊度uo做归一化处理，依照如下公式：

39、

40、其中，i＝1，2，…，m，m为监测节点个数，uoi为第i个监测节点水体的浊度，uoavg为相应的均值，为浊度的合格参考值；权重系数：0≤f1≤1，0≤f2≤1，且f1+f2＝1；依据历史数据及对水质管理预期，预先设置污染阈值；若获取的污染度rxs超过污染阈值，则说明当前的水质存在异常，向外部发出水质调整指令。

41、本发明还提供了一种基于数字孪生的智慧水务动态监管平台，包括：

42、负荷监测单元，监测水务管网的运行状态，并由监测获取的数据构建水务管网运行时的负荷度ho，若水务管网的负荷度超过预期，收集水务管网的相关数据，汇总构建水务数据集合；

43、通信条件评估单元，用于由水务管网及相关数据训练获取水务管网数字孪生模型，监测水务管网数字孪生模型与外部的通信状态，并进而由监测数据构建通信系数txs，若通信系数txs低于预期，采取通信增强措施；

44、稳定性分析单元，用于对水务管网进行仿真分析，并由测试数据构建水务管网的稳定度wo，若稳定度wo不超过稳定度阈值，向外部发出维护指令；

45、方案优化单元，用于由水务管网优化知识图谱为水务管网给出优化方案后，依据由若干个稳定度wo构建优化度yo对输出的优化方案进行筛选，并由筛选出的优化方案对水务管网进行优化；

46、污染预警单元，用于采集与水务管网相关的水体水质数据，由水质数据构建水体的污染度rxs，若污染度超过污染阈值，向外部发出水质调整指令。

47、本发明有益效果：

48、1、由监测数据构建相应的负荷度ho，依据负荷度ho判断当前水务管网当前是否较大，是否在可接受范围内，若已经处于超负荷运行状态，则可以及时地进行处理。

49、2、通过水务管网的数字孪生模型，对水务管网的运行状态实现监控和预测，进而可以提前对水务管网的运行状态进行了解及感知，若是存在问题，能够及时的进行处理。

50、3、水务管网的数字孪生模型处于运行状态时，采集其与外部通信状态数据进行采集和分析，并进而构建通信系数txs，通过通信系数txs能够对模型更新及运行状态进行综合性评估及分析，若判断模型当前的通信状态较差，则可以及时对模型及相应设备的通信能力进行保障。

51、4、依据构建的稳定度ho对水务管网的稳定性进行评估，若水务管网经常处于较高的负荷条件下运行，则说明水务管网的对工作任务的承载能力有限，水务管网的运行稳定性和安全性可能会受到一定程度的影响，通过及时的对水务管网进行检修和维护，能够对水务管网的安全运行形成保障。

52、5、预测获取水务管网的运行状态数据，进而由预先构建的水务管网优化知识图谱针对水务管网的维护给出相应的维护方案，从而在需要时，能够快速的对水务管网进行优化；结合水务管网数字孪生模型的模拟，并依据优化度yo能够对各个优化方案进行筛选，在对水务管网进行优化时，能够对优化效果形成保障，进而使水务管网能够一直处于较佳的运行状态。

53、6、对与水务管网相对应的水体状态进行监测，并由监测数据构建相应的污染度，依据水体污染度对水质是否可用进行评估，从而在水体水质较差时，能够及时进行处理，对水体安全形成保障。