數字孿生技術在水廠運管監控中的設計與實現

楊傳麟

(上海西派埃智能化系統有限公司,上海 200233)

0 引言

在當前數字化驅動轉型的趨勢下，數字孿生技術作為先進、高效的數字化工具在智能制造領域已經有了較為成熟的應用。水廠的日常運管也在借鑒智能制造領域的先進技術和理念，尋求管理上的創新和突破。

數字孿生結合了三維建模、數學建模、信息集成和人機交互等技術，在虛擬三維場景中對真實世界進行數字化投影[1]。數字孿生的應用場景包括對歷史情況的追溯、現實情況的投射乃至未來及假定情況的仿真，并且借助信息化和人機交互技術提供不同于傳統系統的應用和展示手段[2]。

數字孿生已經在眾多領域得到應用，特別在制造業的產品設計、產品制造等方面有很多成熟的應用案例。隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術和應用的崛起，BIM技術為數字孿生系統的建立奠定了堅實的數字基礎。因此，越來越多的行業領域也將關注點聚焦到了數字孿生[3-4]。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含了描述建筑物構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息，還包含了非構件對象(如空間、運動行為等)的狀態信息。基于BIM打造的數字孿生不僅可以應用在設計中，還可以應用在工程建設乃至后期運維的項目全生命周期中。

目前，數字孿生在水行業的應用較少。數字孿生的早期應用主要集中在基于核心工藝段的三維場景工藝仿真教學培訓等,自BIM技術融合之后逐漸出現較為完整的、基于全廠三維場景及多系統集成的數字孿生水廠案例。為了進一步提升數字孿生系統的使用價值并發揮孿生技術的優勢，本文以一典型自來水廠為研究對象，研究數字孿生系統如何在傳統水廠的基礎條件下，針對核心運管內容，在生產管控、設備管理和安全生產等方面的應用場景規劃及具體實現。該水廠已運行多年，自動化和信息化水平在行業內具有普遍代表性。研究過程充分借鑒數字孿生系統在數字化工廠中的成功應用案例[5]。

1 規劃和設計

水廠屬于社會保障型企業，為居民提供日常飲用水，所以生產穩定性和生產環境的安全性至關重要。水廠的日常監管主要為三方面：制水過程監控；生產設備、設施日常運維保障；安全生產管理。

水廠常規配置系統包括：自動化控制系統用于制水過程監控；建立設備一機一卡臺賬輔助設備、設施運維；視頻及周界安防系統用于安全生產管理[6]。

結合以上三大方面監管需求，以及數字孿生系統的應用場景，本文規劃了數字孿生系統五大功能板塊。 數字孿生系統五大功能板塊如圖1所示。

圖1 數字孿生系統五大功能板塊

1.1 數字水廠

數字水廠作為數字孿生應用的基礎，采用現場激光掃描、拍照和查閱圖紙等技術，完成水廠內設施及重點構筑物的三維建模和渲染等基礎工作。在此基礎上，數字水廠模塊提供以下功能。

①數字水廠模塊提供對水廠內設施及重點構筑物的全方位展示，支持用戶使用鼠標進行旋轉和縮放等操作。

②用戶通過點擊構筑物，可以對構筑物內部進行單體細致瀏覽。

③系統提供構筑物的詳細信息，包括長、寬、高和建材等。

④用戶通過點擊設備，可以查看設備的詳細信息，包括臺賬、當前運行數據和運維記錄等。

⑤為了使用戶在龐大的三維虛擬場景中快速、直觀地掌握廠內生產運行情況，系統實時與自動化控制系統進行數據對接，并根據設備實際運行情況對設備外觀進行不同顏色的邊框繪制，從而反映實際運行情況。

以上信息來自上位機監控系統及廠內設備管理系統的對接。

1.2 漫游導覽

孿生系統提供用戶沉浸式全景漫游和水廠介紹導航兩大功能。

①全景漫游。用戶通過鍵盤或者手柄操作虛擬任務，可以在水廠場景中進行仿真走動漫游。通過該方式，用戶可以進行池面、泵房、配電間及加藥間的瀏覽，并且在靠近設備時會收到設備自動彈出的關鍵信息。

②介紹導航。系統播放預設線路和介紹語言的參觀路線，主要用于向參觀者介紹水廠情況。

1.3 廠內管線

根據管線的不同用途，如水管、氣管、藥管和電力管線等，數字孿生系統在管線專題場景中用不同的顏色進行區分，并可按照分類控制對應管線的顯示與隱藏。同時，為了便于展示和介紹，系統在鼠標移動到管線上方時增加動態箭頭效果，展現管道內介質的流動方向。管線顏色的選擇遵循現場顏色標識規范。為了獲得更加直觀、明晰的展現效果，該設計中對場景中的地面和墻面進行透明處理。

1.4 工藝巡檢

工藝巡檢以廠內工藝構筑單體為單元進行虛擬環境中的巡檢。系統在每個工藝構筑單體中根據預設的點位供用戶漫游，并在關鍵區域展示所在區域的各類數據，包括重要的儀器儀表數據、設備臺賬及實時運行情況等；同時，結合與安防視頻的接口，系統自動顯示所在位置的攝像頭視頻信息，達到虛實結合的效果。在虛擬場景中，當用戶選中重要的提升泵組，則在信息平臺和安防系統中與之關聯的信號點位和監控視頻會同步展示。

1.5 安防視頻

在三維虛擬場景中，系統除了展現構筑物和重要設備之外，也對視頻攝像頭在虛擬場景中進行展現，并使用戶實時獲取視頻圖像流。通過攝像頭的引入起到了虛實結合的效果，大大拉近了系統和現場環境的距離。同時，攝像頭與視角范圍內的重要設備和關鍵安全區域相關聯，起到了針對性的聯動和互動的效果。

2 系統實現

2.1 建立數據基礎

數據是整個系統的基礎。準確、時效性強的數據是確保系統應用價值的前提。數據基礎的建立包括數據分類、數據編制和數據收集三部分。

2.1.1 數據分類

廠內的管理需要將數據分成靜態和動態兩大類。靜態數據主要包括廠內構筑物、管線、設備臺賬和設備安裝位置等相對固定的信息。這些信息是構建虛擬場景的基礎信息。動態信息主要指生產運行、設備維護和安全生產管理過程中的數據。核心內容包括設備實時運行狀態、儀器儀表的采集數據、視頻監控系統中的視頻圖像以及設備運維過程中記錄的數據。以上信息的完整性直接影響后續應用場景功能規劃所涉及的內容。

2.1.2 數據編制

從數據分類可以看到有很多的數據來源，甚至有多媒體數據。為了更好地滿足系統使用時的信息綜合檢索需求，要避免數據孤島的出現。這就必須在數據機制運作之前完成不同數據之間關系的梳理。主要內容包括編碼規則的統一、不同系統之間編碼的統一、不同來源之間相互關系的匹配等。

廠內已經存在生產自控系統、綜合安防系統和生產運營管理系統，各系統均有自己的編碼規則。而數字孿生系統需要與各系統都產生基于編碼的信息檢索。綜合分析之后，本設計以生產運營管理系統為編碼體系的核心，并由其完成其余系統編碼的匯總和對應關系的編織，為數字孿生系統提供唯一的編碼目錄。例如，自控系統定義了一系列信號點，但是僅通過信號點的定義信息無法獲得其與對應設備之間的從屬關系。因此，需要建立信號點與設備之間的對應關系表，通過規范化的編碼以及編碼之間的關聯建立信息線索。所定義的編碼表和梳理的信息線索會貫穿落實到所有相關的系統中，如生產自控、同界安防和生產運營等。

通過數據基礎的建立，數字孿生系統及其相關系統(如自動化控制系統等)在數據描述和定義方面達到了全局一致且規范的目標，實現了從某一維度數據可以快速檢索其余維度關聯數據的效果。

2.1.3 數據收集

在確定了數據內容和來源之后，系統需要針對各來源和內容確定數據收集方式。數字孿生系統數據分類及來源如表1所示。

表1 數據分類及來源

2.2 系統開發實施

根據以上分析和規劃，數字孿生系統并非一個獨立的系統，而是水廠自動化和信息化達到一定水平之后的綜合產物。基礎系統的缺失或者功能不完善都將使數字孿生系統的實用價值受到影響。數字孿生系統對于基礎系統完整性、功能和接口都提出了必要的標準。基礎系統的完善與升級也將為數字孿生系統的進一步提升提供可能性。結合廠內常規系統配置，數字孿生對接三大數據源如圖2所示。

圖2 數字孿生對接三大數據源

數字孿生平臺與三大數據來源對接過程中涉及的技術關鍵點如下。

①生產自控。

孿生系統需要實時、快速地獲取生產自控系統中的生產過程數據與報警信息。現場生產自控系統采用了通信服務器(input output server，I/O Server)、客戶端、工業實時歷史數據庫的模式。自控系統數據流拓撲及數字孿生數據流向如圖3 所示。

圖3 自控系統數據流拓撲及數字孿生數據流向

由圖3 可知，I/O Server承擔與現場可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)或分布式控制系統(distributed control system，DCS)等與數據采集網關或遠程終端單元(remote terminal unit，RTU)之間的通信，可以向客戶端或者工業數據庫提供所獲取的數據。雖然圖3中的各個節點都可以作為數據獲取的切入點，但是綜合考慮數據的完整性、通信的穩定性以及對工業控制環境影響最小等因素，技術上選擇從工業實時歷史數據庫獲取數據。

從工業實時歷史數據庫獲取數據時，系統采用了從應用程序接口(application programming interface，API)和從關系數據庫直接查詢相結合的方式。兩種數據獲取方式各有特點，可以滿足不同特征的數據需求。對于少量高頻數據的采集，系統采用API的方式。對于大量低頻數據的采集，采用系統關系數據庫直接查詢的方式[7]。

②視頻及周界安防。

獲取視頻流的方式一般為從攝像頭直接獲取或者從硬盤錄像機獲取。從攝像頭獲取需要與每個攝像頭建立界面，對于獲取端來說網絡開銷大、配置復雜，在跨網段的情況下甚至需要在各個攝像頭上進行網絡設置，可操作性差。相對而言，從硬盤錄像機獲取視頻流可以大大簡化操作。

通過對現場情況的深入調研，現場配置有綜合安防平臺。該平臺在構架上處于網絡視頻錄像機(nnetwork video recorder，NVR)的上層，可以同時鏈接和管理多個NVR，甚至直接鏈接和管理攝像頭。這就進一步簡化了現場拓撲的復雜性。安防系統數據流拓撲及數字孿生數據流向如圖4所示。

圖4 安防系統數據流拓撲及數字孿生數據流向

因此，在技術上可直接通過流媒體協議與綜合安防平臺對接獲取視頻圖像數據。目前常用的流媒體協議包括實時流協議(real-time stream protocol，RTSP)和基于超文本傳輸協議(hyper text transfer protocol,HTTP)的自適應碼率流媒體傳輸協議(HTTP live streaming，HLS)等。考慮到協議普適性，主要采用RTSP協議獲取流媒體數據。當用戶在三維場景點擊攝像頭對象時，系統首先查詢配置信息，確定攝像頭在綜合安防平臺中的通道編碼；然后將編碼作為請求參數，完成對RTSP流媒體地址的拼接，類似rtsp://10.10.10.125:9090/dss/monitor/param?cameraid=1000068%240&substream=1[8]，并以此地址向綜合安防平臺獲取視頻圖像流。

③生產運營。

生產運營平臺除了作為設備臺賬和運維的基礎數據來源之外，在系統定位中還起到了十分重要的數據樞紐的作用。數字孿生系統并不直接與生產控制和視頻及周界安防系統進行數據獲取，所有的數據交互均以生產運營平臺為中間代理進行。這樣的設計可以使得現場系統的復雜性、多樣性對數據孿生系統透明，只要在約定的接口條件下數字孿生系統即可運行，確保了數字孿生系統的可復用性和可推廣性。生產運營平臺與數字孿生之間采用了如消息隊列、WebSocket[9]等技術進行通信。

典型應用場景如下：用戶在三維場景中點擊設備；數字孿生系統通過與生產運管平臺之間的數據接口獲取設備的基礎臺賬信息(如生產廠家、規格型號等)、當前運行狀態(如開停機狀態、電流、電壓和頻率等)。以上場景的數據獲取基于用戶交互點擊的形式觸發，因此采用HTTP請求接口的方式獲可得最佳性能效果。

3 結論

本文基于數字孿生技術的發展與應用現狀，結合水廠數字化升級轉型的需求，研究了針對水廠日常運管內容，構建多應用場景的數字孿生系統。本文在研究過程中使用了數據規范化、網絡編程、流媒體等技術，最終完成了水廠數字孿生系統規劃設計、編程實現和現場布署。水廠數字孿生系統的投用，給基層操作人員和管理人員都提供了新的生產工具。各基礎系統在應用層面得到了高效整合，提高了人員的監管效率以及異常情況下相關信息的追溯便捷性。本次研究完成了水廠數字孿生應用的初步探索，下一步將在此基礎上，針對廠內更多系統進行建設和完善，如人員定位、工藝仿真和自動化產線等，進一步提升數字孿生系統的管理能力[10]。