基于數字孿生技術的污水處理廠仿真監控設計研究

孫騰 徐希濤 劉欣 郭正揚

摘要：傳統的污水處理廠管道和設備繁瑣復雜且有很多是在地下鋪設，運維人員很難進行檢查和維修，且污水處理的工藝流程較多，對于處理工藝的動態管控難以實施。設計了以數字孿生技術為基礎的污水處理廠仿真監控系統，通過虛擬模型模擬分析物理實體1：1還原、傳感器監測數據與虛擬模型實時掛接、設備運行狀態與污水處理工藝等，達到設備壘生命周期管理、遠程巡檢診斷、可視化智能運維的目的，有效提升了污水處理企業的指揮調度能力和管理水平，為污水處理廠數字化改造提供了新的思路。

關鍵詞：數字孿生；環境保護；污水處理；仿真監測

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A

前言

隨著科技的不斷發展，各個領域的技術發展不斷迎來突破，如虛擬現實、深度學習、全域感知等，于是數字孿生應運而生。數字孿生概念最早由密歇根大學Gneves教授提出，其定義描述最早由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出，即為更精準地分析物理實體，構建和實體等價的虛擬體或數字模型，監控實體運行的機理和狀態，采集數據完善模擬體模型，為后續實體運行提供更精確的決策。應用數字孿生技術，以全三維交互可視化的方式，將相對應的設備全生命周期過程反映出來，構建出生產作業的3D場景、智能系統與工作流程對接，從而達到降低管理難度、提高運行維護和運行效率、提升管理水平、輔助綜合指揮調度等目標，達到提升效率、減輕負擔的目的。

如今，各行業都在嘗試采用數字孿生技術，污水處理廠自然也適用，對于傳統的污水處理廠而言，很多設備都在地下，運維工人無法直觀查看，而且污水處理過程多且復雜，很難實時追蹤到整體的處理過程。通過數字孿生可視化系統將信息系統與數據相互連接，實現管理科學化、維護智能化、診斷遠程，有利于高效提升污水處理廠工作效率。

1數字孿生在污水處理廠監控系統中的應用價值

1.1問題分析

城市污水處理廠一般都包含粗格柵和進水泵房、細格柵和旋流沉砂池、生化池、二沉池、活性砂濾池、紫外消毒渠、生態補水等工藝，每一道工序都由大量的設備來處理工作，大部分設備管道等復雜且大多在地下，而且污水處理的工藝流程較多，對于處理工藝的動態監控很難實施，因此開發一套能夠觀測全場設備物理形體和實時數據信息的數字孿生監測系統有著巨大的應用價值。

1.2數字孿生應用

《國民經濟和社會發展十四五規劃和2035年遠景目標綱要》提出了“完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設，探索數字化雙生城市建設”的建設要求。針對智慧水務建設，《綱要》在數字化應用場景中明確了“以流域為單元，建設提升水情預測和智能調度能力的智慧水利體系”的要求。

數字孿生技術體現在數字和孿生兩個方面，“數字”是指將物理世界的物體模型化、數據化，“孿生”是指在虛擬數字世界中打造一個真實世界的映射，從而能夠模擬仿真真實世界，由此可見數字孿生技術在污水處理廠工藝和設備的仿真監測中有著極大的契合度和優越性。

2系統總體設計

通過虛擬模型將物理實體的1：1還原、傳感器監測數據和虛擬模型的實時掛接、設備運行狀態和污水處理工藝的仿真模擬分析，實現污水處理廠的全生命周期管理、可視化智能運維、遠程巡檢的功能。

數字孿生污水處理廠監控軟件系統采用“模型底板、數據采集、數據處理、功能應用”技術架構。其基礎為三維模型底板、設備數據采集層，關鍵支撐為數據處理層，頂層為基于數據處理的功能應用。框架見圖1。

模型底板層主要表達的是數字孿生項目三維幾何模型的構建。該層主要包括圖紙手工建模、激光點云掃描、傾斜攝影模型生成等技術路線。模型是整個仿真監控系統的基礎，通過各種途徑的建模手段制作出系統所需的模型，可以使模型的效率得到很大的提高，通過不同的建模手段生成的模型能夠相互印證，相互參照，從而保證模型的精確性。其中根據圖紙手工建模可以制作隱藏在地下，人員無法到達處的管線和設備的模型；激光點云可以采用便攜式單人采集設備，采集室內室外的建筑、管道、設備的模型；傾斜攝影建模可以通過無人機拍攝生成廠區周邊2 Km范圍的河流、建筑、樹木等周邊環境模型。

數據采集層是仿真監測系統的數據信息的獲取部分。該層主要包括智能傳感器、智能儀表（水量、水質、水壓等）、無線射頻、攝像頭、智能終端等，用以實時采集污水處理廠的設備運行狀態、各種儀表的顯示信息、工藝流程的控制調節參數、人員定位信息、現場視頻監控和安全防護等數據，將處理過程中的模電信號轉變為數電信息，對于難以通過儀表數字化采集的數據可采用人工采集的形式，將采集到的數據統一添加到數據庫，完成數據采集層的工作。

數據處理層是污水處理監控系統的核心關鍵部分。該層主要包括幾何模型、數據中臺、智能算法三個部分，幾伺模型是指對模型底板層制作的模型進行處理，系統使用游戲引擎進行模型場景的制作，游戲引擎的實時渲染功能可以制作逼真的三維場景，使用其地形系統、植被系統、動態光照系統、PBR材質系統、Niagara粒子系統、流關卡技術等將模型搭建成真實視覺感的三維場景。數據中臺是指對數據采集層收集到的數據進行統一的存儲、管理和共享，使用數據庫對采集到的數據進行分類和編碼管理，形成一套擁有歷史數據、實時數據、數據傳輸服務的管控平臺。智能算法是指對數據的加工和處理，通過算法實現數據價值的挖掘，例如通過歷史數據智能運算分析設備運行狀態是否良好、根據人員位置信息計算工人檢修最優路線等。

功能應用層是指該數字孿生仿真監測系統實現的功能，主要包括可視化智能運維、遠程巡檢診斷、全生命周期管理等。可視化智能運維是指仿真監測系統界面基于三維畫面進行運行和操作，遠程巡檢診斷是指系統可以實現在仿真系統中定義巡檢路線，對設備運行的狀態進行檢測和判斷，對存在的隱患和異常進行警告顯示。全生命周期管理是對設備的歷史數據和實時數據的信息和過程進行全面管理，可以通過點擊3D畫面中的設備對設備的全過程信息進行調取，包括各類圖片、文檔、圖紙、視頻等信息。

3工程應用案例

某污水處理廠是六安市城市生態保護的重要生活污水處理廠站，設計規模為日處理污水10萬立方米，工程投資近30 000萬元，采用了較為先進的污水處理工藝。針對該項目的設備和工藝監控需求設計了一套基于數字孿生技術的仿真監控系統，系統建設按照模型底板、數據采集、數據處理、功能應用的架構設計。（見圖2）

3.1模型構建

污水處理廠建模的重點和難點在于各個工藝流程中的管道和設備建模，因此為保證模型的準確性和建模的效率，項目模型制作過程中采用激光點云掃描自動建模和圖紙手工建模結合的方式進行，激光點云自動生成的模型將作為圖紙建模的參照，可以大大的提高建模的效率和準確率。在建模之初應充分考慮系統架構和功能，制定相應的建模規范和標準，包括模型文件的存儲和命名、模型的坐標定位基準、模型的LOD精度級別、模型設備層級樹和統一編碼命名標準、模型的材質貼圖采集分辨率標準，對于需要數據驅動展示的三維模型如生化池推進器、二沉池刮泥機、儀表、閥門、指示燈、開關等設備需要單獨對象建模并將模型的樞軸點定位在合理位置，確保測點綁定后數據可以驅動模型的動作。

3.2多源數據監測

廠區已有的傳感器、智能儀表、智能終端等需要統一的調配和升級，對于相對老舊和落后的數據采集設備需要進行升級和替換，基于數字孿生需求新的數據采集設備需要進行添加，保證底層數據的采集和傳輸全面性和準確性。建立及時、全面、準確、穩定的監測、監視和監控，感知對象包括各工藝流程的管道和設施，采集內容包括水質、水量、壓力、沉降、自控設施工況等。

3.3三維場景與數據融合

該項目采用虛幻引擎進行三維場景的制作，通過虛幻引擎制作場景需求的天空、大氣霧、體積云、光照、地形和植被等周邊環境，通過datasmith插件轉化模型數據格式將污水處理廠的建筑、管路和設備模型導入到場景中，以保留模型的命名、材質和層級。污水處理廠可視化效果中對于水材質的效果表現有很高的需求，需要根據各個工藝流程中的實際水質仿真表達，例如在生化池中水質非常渾濁、顏色呈現黃色，二沉池中的水質經過沉降和泥水分離后呈現初步澄清，而在砂濾池處理后的水材質為非常干凈透明的水，為了表現水質從渾濁到清澈的效果轉變，采用虛幻引擎的shader編輯水材質的透明度、顏色、折射、水波紋、反射、泡沫、深淺和水下效果等，通過節點的整合和調整來表現水質效果的變化。

對于采集到的數據通過數據中臺進行統一的存儲、管理、計算和分析，對污水處理廠現有和新增的數據處理子系統進行信息標準化處理，打通設備通訊協議，統一數據存儲傳輸格式，實現全廠數據的互聯互通，一體化處理和加工。將數據通過數據中臺進行統一的管理和調度后形成標準的測點數據格式，同時為了便于虛幻引擎和數據中臺的測點數據進行訪問和存儲，開發獨立的接口提供給虛幻引擎使用，采用TCP/IP的數據傳輸協議進行數據的傳輸，從而實現數據和模型聯動，比如設備三維模型中指示燈顏色、開關的啟停狀態、表計的指針擺動等、電動機啟停狀態等，都可以實現數據驅動。

使用人工智能算法對設備進行運行狀態趨勢分析、潛在失效模式分析、后果分析等設備的健康狀態在線分析，利用設備歷史、實時狀態數據、故障報表、設備缺陷信息等，結合設備故障評估導則等相關標準，分析故障發生的概率，對設備的運行狀態評估，智能生成評估報告。評估報告中包括設備可能發生故障、性能劣化等級以及可能原因，優化設備檢修位置與頻率。主要評估對象包括過濾器、污水泵、曝氣設施、加藥設施、調速器、消毒設施等主要設備。（見圖3）

3.4數字孿生業務實現

3.4.1可視化智能運維

提供可視化的操作界面，提供第一人稱和第三人稱兩種軟件操作模式，用戶通過鼠標操作即可實現整個三維場景的查看，同時提供模型定位、興趣點定位、路線漫游、日夜場景變換、模型虛化、模型剖切等模型場景查看功能，便于用戶更好更快的查看三維模型。在三維場景的基礎上疊加二維的圖元信息，在圖元信息中可以動態展示各種設備狀態信息，比如折線圖柱狀圖等圖表、pdf文檔、測點數值等。（見圖4）

通過調用數據中臺接口可以將測點數據和三維模型進行綁定和聯動，實現數據驅動模型的位移、變色、旋轉等動作，從而在三維虛擬污水廠中實現孿生功能，達到可視化運維的目的。同時在設備旁邊添加三維數據展示牌，在展示牌中動態顯示設備的測點數值，實現設備運行狀態的三維實時展示，極大的方便了設備運行狀態的展示。

如圖5所示低速推進器發生故障時在數字孿生系統中進行可視化運維的方法，通過點擊設備列表或者設備模型可以快速定位至該設備并進行高亮閃爍顯示，設備旁的告警嘆號可以喚出運維詳情面板，該面板描述了設備的基礎信息和主要技術參數，記錄了設備發生故障的時間、設備的維修進度、設備完成維修的預計完成時間等，實現在數字孿生系統中對設備進行可視化運維的功能。

3.4.2遠程巡檢診斷

在三維可視化系統中添加巡檢的功能，巡檢功能可以自定義繪制巡檢路線，可在巡檢路線中添加興趣點并對興趣點的停留時間和關注設備進行編輯，也可以將智能算法運算得出的最優巡檢路線和巡檢點數據通過數據中臺接口綁定聯動到虛幻引擎中，每次巡檢完成后，將獲取的狀態信息進行評估，生成分析評價報告，并將該報告顯示在圖元中，同時將評價數據返回到數據中臺，通過算法生成新的最優巡檢線路，從而實現遠程巡檢診斷的功能。

3.4.3設備全生命周期

三維模型按照污水廠設備的拓撲結構、物理位置、外形尺寸建立，通過三維模型可以清晰展示設備的外觀結構、設備零件的組成和裝配關系；三維模型中關聯設備運行相關參數數據、圖紙資料、歷史運行數據圖標等信息，可以對設備信息進行實時展示，對運行狀態異常、超壽命服役設備進行告警提示并高亮度顯示。三維檢修工序卡、三維檢修圖冊均是三維模型設備結構和數據的展示功能的應用。（見圖6）

4結論

污水處理廠設備管道復雜且大多處于地下，難以進行直觀的查看和檢修，而且污水處理工藝流程較多，傳統二維平面或者表格數據方式的監控系統難以對污水處理廠進行直觀的和全面的監控。設計了一套基于數據底板、數據采集、數據處理、功能應用框架的數字孿生監控仿真系統，通過虛擬模型模擬分析物理實體1：1還原、傳感器監測數據與虛擬模型實時掛接、設備運行狀態與污水處理工藝等，達到設備全生命周期管理、遠程巡檢診斷、可視化智能運維的目的，有效提升了污水處理企業的指揮調度能力和管理水平，為污水處理廠數字化改造提供了新的思路。