智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

趙 宇

（深圳市深水龍華水務(wù)有限公司，廣東深圳 518000）

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字空間為依托構(gòu)建相應(yīng)模型，借助傳感技術(shù)及模型算法實現(xiàn)數(shù)字化表達(dá)，這一技術(shù)最大的特點便是數(shù)字化、模擬性、仿真性。特別是最近幾年云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)發(fā)展速度日益加快，海量的數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的系統(tǒng)進(jìn)行存儲與傳輸，數(shù)字孿生技術(shù)便能夠滿足這一要求，并且被廣泛應(yīng)用于智慧水務(wù)領(lǐng)域，取得了非常不錯的成效，為水務(wù)行業(yè)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)[1]。基于此，本文重點針對智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，以具體案例為切入點，結(jié)合相關(guān)理論的闡述，進(jìn)一步明確數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢，旨在為智慧水廠高質(zhì)量發(fā)展提供有價值的建議。

1 智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用價值

在數(shù)字技術(shù)的支持下，數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合水廠的真實環(huán)境構(gòu)建了一個與實體十分相似的模型，借助此技術(shù)不僅可以充分了解到水廠物理實情，而且在對系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的同時，不斷優(yōu)化水廠各個環(huán)節(jié)[2]。在BIM 三維數(shù)字物理模型、傳感技術(shù)的支持下，大量新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理以后儲存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，在數(shù)字化虛擬空間的支持下采用物理效應(yīng)映射出水廠的基礎(chǔ)設(shè)施，實體世界是站在物理角度下形成的，而數(shù)字世界則基于信息維度，兩者看似毫無關(guān)系，實質(zhì)上卻是相互依存、高效交互的。在BIM 三維可視化平臺中將實體轉(zhuǎn)化為虛擬化，由虛擬數(shù)字化對實體進(jìn)行控制，不僅要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且計算方法多樣化，能夠為決策的做出提供技術(shù)支持，通過采用模擬的形式將對象物理化，在虛擬映射基礎(chǔ)之上實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的監(jiān)控，推進(jìn)了水廠日常運作及管理一體化、精細(xì)化。數(shù)據(jù)的采集以工業(yè)通信設(shè)計為基礎(chǔ)，既確保了采集任務(wù)穩(wěn)定且高效地運行，同時又為平臺提供了豐富的數(shù)據(jù)信息。智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)實時收集、整理，根據(jù)業(yè)務(wù)專家知識領(lǐng)域，以數(shù)字孿生的形式為工廠不同類型的決策層提供數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用。在信息流的支持下形成了智能水廠高效運行機(jī)制，具備了全面化感知、設(shè)備的互聯(lián)互通、數(shù)字化高效集成和智能化預(yù)測等多項優(yōu)勢，在水廠運行中數(shù)字孿生技術(shù)成為了智能化發(fā)展的重要手段，特別是在智慧水廠建設(shè)過程中以工藝控制需求為重要依據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮了非常重要的作用，同時也是很多水務(wù)行業(yè)工作人員需要關(guān)注的重點問題，其價值及帶來的影響是非常大的。

2 智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工藝建模與優(yōu)化系統(tǒng)

在智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中專家智能決策系統(tǒng)的運行具備了強(qiáng)大的功能性，不僅可以定制化建模，實現(xiàn)可視配置交互的多樣化，而且水廠運行中能源消耗仿真及工藝優(yōu)化等方面的優(yōu)勢也較為突出。整個系統(tǒng)不僅具備了較好的污水處理優(yōu)勢，而且高級控制軟件的運用將水廠工藝及運行情況仿真建模，在水廠運行管理中發(fā)揮了非常好的效果預(yù)測作用及工藝優(yōu)化功能，同時還給予了方案決策強(qiáng)大的支持力。污水處理工藝優(yōu)化系統(tǒng)的運用基于生物處理技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，運行報表具有強(qiáng)大的記錄功能，可以實時記錄大量進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)形成了重要的輸入?yún)?shù)，對水廠每一個環(huán)節(jié)、細(xì)節(jié)運行狀態(tài)進(jìn)行仿真的同時，快速診斷問題所在，進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)鍵性參數(shù)，保證水廠生產(chǎn)的水資源質(zhì)量與國家標(biāo)準(zhǔn)相符，達(dá)到較好的節(jié)能效果。

2.2 設(shè)備健康檢測診斷系統(tǒng)

智慧水廠運行全過程中既要全面了解及掌握設(shè)備效率，同時還要對未來發(fā)展趨勢準(zhǔn)確判斷，在故障發(fā)生以后可以及時找到故障部位，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用便可以實現(xiàn)這些，同時能夠達(dá)到較好的檢查、驗收、維修效果，做到設(shè)備故障早知道、早發(fā)現(xiàn)、早診斷，將故障損失降至最低點，及時消除故障的同時，促進(jìn)設(shè)備高效運行，避免長時間停機(jī)導(dǎo)致生產(chǎn)受到影響，大幅度節(jié)省了維修成本。維修周期在制定時主要依據(jù)設(shè)備實際運行情況、預(yù)測情況，并非定期維護(hù)。借助實時監(jiān)測、分析、評價機(jī)、泵等一些重要設(shè)施在線運行情況構(gòu)建操作性較強(qiáng)的系統(tǒng)，具體如圖1 所示，對設(shè)備振動、溫差等數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，有問題發(fā)生時會第一時間啟動報警裝置，避免機(jī)、泵等設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重的事故，另外基于多信息融合技術(shù)的運用，最大限度對重要設(shè)備運行情況進(jìn)行評估，同時合理設(shè)置預(yù)警時間，做到提前防范、及時維修、智能診斷，準(zhǔn)確找到故障原因的同時，保證維修更加精密化，大幅度減少了維修時間，維修時可以參考的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，使設(shè)備始終處于穩(wěn)定、有序運行狀態(tài)，設(shè)備費用降低的同時，達(dá)到了質(zhì)量提升、效率提高的目的。

圖1 智慧水廠的設(shè)備健康檢測診斷系統(tǒng)

2.3 虛擬現(xiàn)實和呈現(xiàn)

在智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中工業(yè)仿真三維引擎借助VR 交互功能，成為了人、機(jī)、環(huán)互融互通的有效方法，實現(xiàn)了工業(yè)仿真的延伸性[3]。其中最基礎(chǔ)性質(zhì)的應(yīng)用便是VR 工廠及時巡視和檢查，通常情況，一些規(guī)模較大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)無法做到全面兼顧，通過工業(yè)仿真技術(shù)與VR 技術(shù)的配合便可以實現(xiàn)水廠多視角、系統(tǒng)化管理，將整個生產(chǎn)過程投影至VR 屏幕中。其中VR 虛擬巡檢設(shè)備以BIM 三維可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)為重要依據(jù)，管理人員無需到達(dá)現(xiàn)場便可以從不同的視角系統(tǒng)化檢查整個工廠設(shè)備、管網(wǎng)布設(shè)要點，實現(xiàn)高效監(jiān)管，強(qiáng)化信息管理及服務(wù)的功能性，生產(chǎn)管理效率大幅度提升。以BIM 三維可視化為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生系統(tǒng)包含多個層面，除了最基礎(chǔ)的廠區(qū)、廠房、車間等一些硬件設(shè)施以外，還涉及到了人體模型等，涵蓋面非常廣泛，采用的比例也較為準(zhǔn)確，在3D 技術(shù)支持下復(fù)原了工廠整個生產(chǎn)環(huán)境，再加之傳感器、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備監(jiān)控等多種技術(shù)相互配合，實現(xiàn)了整個工廠不同元素動態(tài)化生產(chǎn)過程實時反映，不管是生產(chǎn)流程，還是運行狀態(tài)均可呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)之上以VR 形式實現(xiàn)了可視化查看。

3 智慧水廠數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用成功案例

3.1 案例概述

本次研究以某市水環(huán)境系統(tǒng)綜合治理項目為案例，此案例中涉及到了諸多環(huán)節(jié)，主要包含基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、管網(wǎng)的優(yōu)化、工程數(shù)字化和平臺建設(shè)等，采用的是多個模式有效配合管控機(jī)制，既在排水中采用了先進(jìn)的技術(shù)手段，同時又在泥水處理時使用了可再生資源，在對項目地理環(huán)境進(jìn)行深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等多種技術(shù)手段相結(jié)合，以數(shù)據(jù)平臺為依托，快速采集、歸類、運維各平臺多樣數(shù)據(jù)信息，在水務(wù)管理中不斷推進(jìn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化，確保監(jiān)測更加準(zhǔn)確，調(diào)度更具實效，決策更加科學(xué)合理。

3.2 平臺建設(shè)內(nèi)容

此案例項目中基于治理的高效性，積極引進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了以實體及模型為基礎(chǔ)，并融入了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，搭建了水力模型，打造了智慧水務(wù)管理系統(tǒng)及平臺。在智慧水務(wù)平臺支持下，設(shè)計了較為完善的技術(shù)架構(gòu)，具體如圖2 所示。

圖2 案例項目智慧水務(wù)平臺技術(shù)架構(gòu)

案例項目構(gòu)建的智慧水務(wù)平臺中數(shù)字孿生技術(shù)是重點，其中數(shù)據(jù)成為了整個平臺及技術(shù)運用的核心部分，實現(xiàn)了資產(chǎn)、項目、系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在物聯(lián)網(wǎng)、AI 技術(shù)支持下，項目、資產(chǎn)相關(guān)信息數(shù)據(jù)互融互通，同步進(jìn)行，不僅統(tǒng)一規(guī)范，而且可靠度較強(qiáng)，獲取時輕松快捷[4]。此項目的運作全過程中涉及到的所有主體均采用相同的數(shù)字孿生對象，目的就是為了實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一化管理，同步分享。在對海量歷史及現(xiàn)在數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，真實可靠度更高，同時生產(chǎn)力及抗風(fēng)險能力更強(qiáng)。

3.3 數(shù)字環(huán)境構(gòu)建

數(shù)字模型是數(shù)字孿生技術(shù)運用的第一步，核心是數(shù)據(jù)集。在傳統(tǒng)二維管理平臺運用時最為突出的問題便是可視度低，圖像呈現(xiàn)模糊，不具備較好的參考性，為解決此問題，案例項目在平臺建設(shè)時數(shù)字化底座以無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的運用作為重點，準(zhǔn)確獲取大量影像資料，并且對項目區(qū)域內(nèi)的地理環(huán)境構(gòu)建了數(shù)字化實景模型，具體如圖3 所示，主要運用的是三維技術(shù)，以此取代了GIS 二維環(huán)境底圖，通過一張清晰的圖片便可以呈現(xiàn)環(huán)境整體情況。

圖3 案例項目智慧水務(wù)平臺三維實景模型

3.4 數(shù)字模型構(gòu)建

在構(gòu)建數(shù)字環(huán)境基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)運用需求的滿足還需要進(jìn)一步完善平臺設(shè)計，以項目周邊環(huán)境為依據(jù)，結(jié)合設(shè)計圖紙、施工圖紙構(gòu)建更加直觀的數(shù)字模型[5]。將BIM 技術(shù)應(yīng)用于測繪、水機(jī)、給排水設(shè)計中，同時完成污水處理廠廠房結(jié)構(gòu)模型、設(shè)施設(shè)備模型、地形模型的搭建。工程以數(shù)字化為重點，通過數(shù)字孿生技術(shù)的運用，再加上BIM 模型的構(gòu)建，運用i ModC 發(fā)布一些關(guān)鍵信息及數(shù)據(jù)，并及時傳輸至智慧水務(wù)云平臺中，Web 端、移動端多種數(shù)據(jù)均可以在權(quán)限之內(nèi)高效共享與訪問，為BIM 模型、GIS 平臺、物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合奠定了良好的基礎(chǔ)。最后將所有數(shù)據(jù)集合后傳送至智慧水務(wù)總平臺，整個系統(tǒng)中充分利用了“GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)”相結(jié)合的優(yōu)勢。

3.5 物理數(shù)據(jù)映射

物理實體模型、數(shù)字模型構(gòu)建的同時，為了方便后續(xù)模型更好地驅(qū)動，同時達(dá)到數(shù)字孿生體中數(shù)據(jù)信息的使用率提升目標(biāo)，案例項目將BIM、GIS 結(jié)合使用，映射GIS 物理數(shù)據(jù)、實體模型、數(shù)字模型，工程管理能力明顯提高。在GIS 技術(shù)作用下，單個建筑BIM 應(yīng)用范圍大幅度拓展至工程更為廣闊的領(lǐng)域，同時GIS 與BIM 技術(shù)的高效銜接，實現(xiàn)了多樣數(shù)據(jù)統(tǒng)一化管理，不管是管風(fēng)、調(diào)蓄池管理中涉及到的數(shù)據(jù)，還是污水廠、監(jiān)測設(shè)備收集到的大量信息，均通過此平臺實現(xiàn)了快速瀏覽、查找與分析，水務(wù)設(shè)備中的海量數(shù)據(jù)分析也更加精準(zhǔn)且全面。城市水務(wù)運行管理中，這些數(shù)據(jù)將為決策的做出提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.6 應(yīng)用效果

案例項目采用數(shù)字孿生技術(shù)搭建智慧水務(wù)平臺，應(yīng)用效果顯著，具體體現(xiàn)在以下方面：一是推進(jìn)水務(wù)設(shè)施數(shù)字化，此項目地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)以GIS 技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了地下排水管線共計460.255 km 的管網(wǎng)GIS 建模。通過傾斜攝影技術(shù)的運用實現(xiàn)了多區(qū)域廣覆蓋的照片收集任務(wù)，其中采集照片80 000 多張，航拍覆蓋面100 km2，精準(zhǔn)度較高。在BIM 技術(shù)支持下形成了較為完善的地下排水管網(wǎng)，并且此技術(shù)始終貫穿整個項目全過程，基于BIM 技術(shù)的模型設(shè)計、細(xì)節(jié)檢查中發(fā)現(xiàn)了很多細(xì)小問題，施工效率提升的同時，成本降低。將GIS 管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至OpenRoads 中，構(gòu)建了三維管網(wǎng)模型，GIS+BIM 使得水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施管理更加規(guī)范，數(shù)據(jù)使用更加方便快捷。二是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于資產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，由采集數(shù)據(jù)開始，直至設(shè)計環(huán)節(jié)，形成了與大量數(shù)據(jù)密切相關(guān)的模板，整個系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方面標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到保證，基礎(chǔ)信息、數(shù)字模型通過精密的編碼操作有效銜接，打造的數(shù)字孿生模型能夠儲存、管理大量數(shù)據(jù)，借助Web 端完成模型輕量化轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)水務(wù)設(shè)施設(shè)備資產(chǎn)可視化管理。三是水力模型和三維實景共同形成數(shù)字孿生業(yè)務(wù)動態(tài)模擬，借助SewerGEMS、Opentows Flood 搭建動態(tài)水動力模型，不同類型模型管理是統(tǒng)一化的，此模型結(jié)合監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時進(jìn)行在線動態(tài)模擬并完成計算，在三維實景模型的配合下，共同完成可視化實景動態(tài)操作。

4 結(jié)束語

在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，智慧水廠構(gòu)建智慧化水資源處理控制系統(tǒng)，將各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)集約化，形成了較為完善的運行管理中心體系，整個生產(chǎn)、管理過程實現(xiàn)了可追溯性、可視化，再加之BIM、傳感、VR 等多種技術(shù)的綜合運用，水廠每一項生產(chǎn)任務(wù)均可以實時跟蹤、高效管理，設(shè)備運維全過程監(jiān)控，可以說數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水廠建設(shè)中具有非常好的應(yīng)用前景，構(gòu)建數(shù)字孿生模型并非是目的，而是一種有效的方法，能夠推進(jìn)智慧水廠系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，在智能化平臺的支持下可以快速收集更多的水文信息，同時為水廠選址、設(shè)計、處理工藝、水價標(biāo)定等綜合管理決策提供重要的數(shù)據(jù)信息；在技術(shù)支持下實現(xiàn)設(shè)備智能化監(jiān)測及遠(yuǎn)程運維；以工藝機(jī)理為基礎(chǔ)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)與AI算法，搭建符合業(yè)務(wù)特征的智能模型[6]。先進(jìn)的技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)為水務(wù)行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，這也是未來發(fā)展的必然趨勢。