數字孿生技術在水利設備全生命周期管理中的應用

姜震宇，田 菁，郭殷奇，徐 晶，沈 佳

（1.上海迅翔水利工程有限公司，上海 201100；2.上海市堤防泵閘建設運行中心，上海 200080）

0 引言

液壓啟閉機是水利、水電工程運行中的關鍵設備，能夠借助液體的壓力實現能量的傳遞，有效控制閘門的開啟和關閉，液壓啟閉機因控制精準、運行平穩、安全可靠等優點，在水利工程中被廣泛使用[1]。但由于液壓啟閉機結構較復雜、專業性較強、排故技術難度大，長期以來主要依靠運維人員的管理經驗進行設備的養護和維修，保障水閘的安全運行。

近年來，隨著新興科技與傳統水利融合發展，數字孿生作為新一代數字信息化技術，為水利工程設施設備的感知分析、健康管理、預測維修和安全運行提供了新思路。該技術充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[2]。在液壓啟閉設備管理中，引入數字孿生技術，使運行、維養和培訓由實入虛，通過虛擬空間建模、仿真和演繹，實現虛實交互，增強水利工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學決策能力和精準執行能力，提高智能化運行管理水平。

1 工程背景

上海某泵站樞紐位于上海黃浦江西岸的淀浦河，是青松大控制片唯一的東排口門，也是目前已建成的集排澇、調水、水運功能于一體的最大水利樞紐。泵閘由排澇泵站和節制閘組成，平面布置為“北泵+南閘”，排澇泵站設計流量90 m3/s，采用3 臺30 m3/s 斜式軸流泵，節制閘凈寬24 m（2 孔），采用潛孔式平面直升門，啟閉方式為液壓啟閉。

1.1 液壓啟閉系統構成

泵站液壓系統含4 套油泵電機組和手動變量柱塞泵，其中兩套分別控制兩扇節制閘，一套用于泵站各控制閘門，一套單獨備用，以電機為動力源，電機帶動油泵輸出壓力油，通過油路集成塊、主路的電磁溢流閥和球閥、蝶閥控制來實現節制閘與泵站拍門、快速閘門的啟閉。控制元件由電磁換向閥、電磁球閥、單向調速閥、節流閥的等閥件組成，通過16 根高壓出油管及總路2 路回油管路，連接6 個快速門油缸、6 個拍門油缸、4 個節制閘油缸及若干個高壓球閥控制閘門啟停。主油路和分路裝有17 個壓力表、繼電器、傳感器，用以監測實時狀態。

1.2 管理現狀

工程自投運以來，通過自控實現了泵閘工程的遠程在線操作，但設備運維管理模式仍較為傳統，需投入較多人工在液壓啟閉系統的日常巡視、運行操作、維修養護和數據統計中，在診斷、維護方面較為依賴個人經驗，與智能化管理還存在較大差距。

（1）監測感知網有待加強：目前的液壓系統布設有一些傳感裝置，通過自控系統采集油位、油溫等信號，反映工程運作期間的狀態、特征以及變化過程，能滿足設備管理的基本要求。但由于缺乏對流量、壓力、控制閥件的監測感知，未能實現數據自動采集和安全監測的全覆蓋。

（2）缺少設備級數字孿生模型：在建設過程中，利用BIM 技術，構建泵閘建筑結構的數字化模型，但模型搭設偏重工程整體，缺少設備層級開發。由于缺乏數據分析、交互與感知的模型載體，導致液壓啟閉系統狀態實時展示、故障定位、故障庫匹配等功能沒有得到較好應用。

（3）全生命周期管理不夠完善：目前對液壓啟閉系統的管理，主要依賴運維人員對設備基礎信息、運行信息和維護保養信息進行收集、記錄和統計，在實時性、完整性及延續性方面難以做到全面保證，過程中對海量數據的智能化分析不夠、維修事件間動態關聯度不高，建運環節信息孤立、缺少全流程管理。

2 液壓啟閉系統數字孿生

淀東泵閘液壓數字孿生建設主要包括液壓系統智能化改造、液壓啟閉機數字孿生模型搭建以及智慧場景開發：通過物理世界中的傳感裝置，采集來自物體和環境的信號，基于液壓啟閉系統仿真模型，實現模型與物理實體之間的數據映射與互聯，融合大數據分析、人工智能等新興技術，打造故障庫、故障診斷、故障模擬和預警等應用場景，實現數字驅動下設備全生命周期的智能化管理。

2.1 傳感裝置智能化改造

依據數字孿生模型數據交互、故障診斷、全生命周期管理要求，在原油位、油溫監測基礎上，增設相應傳感器，采集流量、壓力、溫度、閥件狀態監測信息，實現數據自動采集和安全監測的全覆蓋，為模型診斷、分析和預測預警提供數據支撐。

（1）系統流量傳感器。在油泵出口增設PQT 流量傳感器，量程75～300 L/min，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示，監測油泵輸出流量，將電機在不同操作工況下測量到實際電流（對應實際流量）和設計流量比較，判斷是否發出報警/停機信號。

（2）系統壓力傳感器。在油泵出口增設壓力傳感器PE1，量程0～25 MPa，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示。在系統加壓后，監測液壓系統泵源的壓力，當油壓低于警戒值時報警停機。

（3）系統溫度傳感器。在油泵出口設置溫度傳感器，量程-50～200 ℃，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示，監測液壓系統液壓油的溫度，當油溫低于或超過警戒值時報警停機。

（4）系統油缸有桿腔壓力傳感器。在液壓系統通往油缸有桿腔出口設置壓力傳感器，量程0～25 MPa，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示。在系統加壓后，閘門活塞桿縮回過程中，監測管路出口壓力，當油壓低于或超過警戒值時報警停機。

（5）將原電磁球閥和電磁換向閥更換成帶閥芯反饋的電磁球閥，使閥件得電后電氣控制系統能接收到電磁閥芯位置反饋（開關量信號）。

2.2 液壓啟閉系統數字孿生模型建設

數字孿生技術具有對物理實體的高保真建模、對運行數據采集與分析、模型與數據相交互等特點，數字孿生液壓啟閉模型，通過在數字空間創造一個與物理實體設備匹配對應的數字模型，通過全息映射、動態監測、實時診斷、精準預測反映物理實體設備在現實環境中的狀態[4]，實現液壓啟閉系統全要素數字化、全過程可視化、全壽命智能化管理。液壓啟閉系統數字孿生模型如圖1 所示。

圖1 液壓啟閉系統數字孿生模型

根據液壓啟閉系統圖紙、相關技術參數和現場調研情況，對建模目標進行分析后，提取單獨制作的模型，包括有油箱、油泵電機組、液位控制器、吸濕性空氣濾清器、回油濾油器、電磁溢流閥、油表等重要零部件，以及多種形態的管道與線路。最終將全部相關模型資源導入Unity 中，根據貼圖調整模型材質并再次調整模型位置與比例，完成啟閉機模型的搭建。

2.3 基于數字孿生模型的場景建設

（1）基于數字孿生模型的虛實交互。可實時獲得設備的運行數據、健康狀態，查詢設備全生命周期數據，結合AR 場景，實現現場及遠程設備的交互協同管理。①場景交互。添加控制器，通過鼠標點擊拖拽或移動滾輪來方便地調整觀察視角與縮放，對三維模型進行觀察；②模型交互。系統可以監測鼠標點擊事件，當鼠標點擊后通過射線檢測得到鼠標所點擊的位置的物體，若其為觸發器，則觸發對應的事件。在該系統中，點擊模型會觸發顯示該零件運行數據的UI 標簽出現；③數據交互。傳感器運行數據可以使用urllib 實時從對應的網址獲取。使用Python的Dataframe 庫對讀取到的json 數據進行處理，通過傳感器的序號快速讀取其相關數據，同步展示在模型上。

（2）故障知識庫。建立設備故障知識庫，內容覆蓋重點設備目錄、常見故障、發生情況、處理方案、排故方法、預警方案、報廢標準等，基于液壓啟閉系統數字孿生模型，實現三維模型和故障庫知識點匹配，通過模式匹配得到從故障特征到故障之間的映射，排查故障原因并提供維修策略。

（3）故障診斷、模擬和預警。①故障診斷：在液壓啟閉系統數字孿生模型中，結合集控中心海量歷史數據，構建設備狀態量與故障模式之間的映射關系，將設備運行特征狀態量與故障知識庫中提取的故障閾值進行匹配，判斷可能發生的故障類型，分析故障原因，以實時監測數據驅動診斷模型獲取診斷結果，判斷設備運行是否正常、是否處于亞健康狀態或進入需維保狀態；②故障模擬：結合液壓啟閉系統數字孿生模型模型，通過AR 增強現實技術，實景疊加虛擬影像，結合設備工作機理、健康指標、診斷規則、排故流程，以三維動態形式對該部件及系統整體進行故障模擬和推演，對維修方案進行驗證和比較，利用推演結果指導物理系統的運維，幫助運維人員提升對排故邏輯、運維決策的理解，提高運維能力；③預警預報：當監測數據或趨勢預測超過閾值時將觸發預警，結合數字孿生模型進行風險提示，同步顯示故障定位，匹配維修方案，并轉入維修管理流程，實現風險在線全閉環管理。

（4）全生命周期管理。可通過數字孿生模型與基礎信息、監測信息、歷史維修信息的掛接，打通從設計階段到施工階段，再到運維階段，直至報廢的全鏈路數據銜接，實現設備實時狀態展示和歷史維修記錄回溯，形成設備全生命周期管理。

3 結束語

在傳統水利設備管理中引入數字孿生技術，提出液壓啟閉系統自學習、自診斷及全生命周期的智慧管理模式，通過數字賦能，實現液壓啟閉系統在線監測、健康評價、故障診斷及預警預報等功能，后續階段將繼續探索數字孿生技術在運維管理中的應用，為水利工程智慧化發展提供新的思路。