智慧水廠數字孿生技術應用

趙 宇

（深圳市深水龍華水務有限公司，廣東深圳 518000）

數字孿生技術是以數字空間為依托構建相應模型，借助傳感技術及模型算法實現數字化表達，這一技術最大的特點便是數字化、模擬性、仿真性。特別是最近幾年云技術、物聯網、5G 技術發展速度日益加快，海量的數據需要強大的系統進行存儲與傳輸，數字孿生技術便能夠滿足這一要求，并且被廣泛應用于智慧水務領域，取得了非常不錯的成效，為水務行業智能化、數字化、網絡化發展奠定了良好的基礎[1]。基于此，本文重點針對智慧水廠數字孿生技術應用進行分析，以具體案例為切入點，結合相關理論的闡述，進一步明確數字孿生技術應用的優勢，旨在為智慧水廠高質量發展提供有價值的建議。

1 智慧水廠數字孿生技術應用價值

在數字技術的支持下，數字孿生技術結合水廠的真實環境構建了一個與實體十分相似的模型，借助此技術不僅可以充分了解到水廠物理實情，而且在對系統中相關數據進行分析的同時，不斷優化水廠各個環節[2]。在BIM 三維數字物理模型、傳感技術的支持下，大量新舊數據進行收集整理以后儲存在系統數據庫內，在數字化虛擬空間的支持下采用物理效應映射出水廠的基礎設施，實體世界是站在物理角度下形成的，而數字世界則基于信息維度，兩者看似毫無關系，實質上卻是相互依存、高效交互的。在BIM 三維可視化平臺中將實體轉化為虛擬化，由虛擬數字化對實體進行控制，不僅要對數據進行分析，而且計算方法多樣化，能夠為決策的做出提供技術支持，通過采用模擬的形式將對象物理化，在虛擬映射基礎之上實現生產全過程的監控，推進了水廠日常運作及管理一體化、精細化。數據的采集以工業通信設計為基礎，既確保了采集任務穩定且高效地運行，同時又為平臺提供了豐富的數據信息。智慧水廠數字孿生技術的應用以網絡為基礎，對生產過程中的數據實時收集、整理，根據業務專家知識領域，以數字孿生的形式為工廠不同類型的決策層提供數據分析及應用。在信息流的支持下形成了智能水廠高效運行機制，具備了全面化感知、設備的互聯互通、數字化高效集成和智能化預測等多項優勢，在水廠運行中數字孿生技術成為了智能化發展的重要手段，特別是在智慧水廠建設過程中以工藝控制需求為重要依據，數字孿生技術發揮了非常重要的作用，同時也是很多水務行業工作人員需要關注的重點問題，其價值及帶來的影響是非常大的。

2 智慧水廠數字孿生技術應用的關鍵技術

2.1 工藝建模與優化系統

在智慧水廠數字孿生技術應用中專家智能決策系統的運行具備了強大的功能性，不僅可以定制化建模，實現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化等方面的優勢也較為突出。整個系統不僅具備了較好的污水處理優勢，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揮了非常好的效果預測作用及工藝優化功能，同時還給予了方案決策強大的支持力。污水處理工藝優化系統的運用基于生物處理技術，構建了數學模型，運行報表具有強大的記錄功能，可以實時記錄大量進水數據，以此為基礎形成了重要的輸入參數，對水廠每一個環節、細節運行狀態進行仿真的同時，快速診斷問題所在，進一步優化關鍵性參數，保證水廠生產的水資源質量與國家標準相符，達到較好的節能效果。

2.2 設備健康檢測診斷系統

智慧水廠運行全過程中既要全面了解及掌握設備效率，同時還要對未來發展趨勢準確判斷，在故障發生以后可以及時找到故障部位，數字孿生技術的應用便可以實現這些，同時能夠達到較好的檢查、驗收、維修效果，做到設備故障早知道、早發現、早診斷，將故障損失降至最低點，及時消除故障的同時，促進設備高效運行，避免長時間停機導致生產受到影響，大幅度節省了維修成本。維修周期在制定時主要依據設備實際運行情況、預測情況，并非定期維護。借助實時監測、分析、評價機、泵等一些重要設施在線運行情況構建操作性較強的系統，具體如圖1 所示，對設備振動、溫差等數據動態監測，有問題發生時會第一時間啟動報警裝置，避免機、泵等設備發生嚴重的事故，另外基于多信息融合技術的運用，最大限度對重要設備運行情況進行評估，同時合理設置預警時間，做到提前防范、及時維修、智能診斷，準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據更加準確，使設備始終處于穩定、有序運行狀態，設備費用降低的同時，達到了質量提升、效率提高的目的。

圖1 智慧水廠的設備健康檢測診斷系統

2.3 虛擬現實和呈現

在智慧水廠數字孿生技術應用中工業仿真三維引擎借助VR 交互功能，成為了人、機、環互融互通的有效方法，實現了工業仿真的延伸性[3]。其中最基礎性質的應用便是VR 工廠及時巡視和檢查，通常情況，一些規模較大的生產環節無法做到全面兼顧，通過工業仿真技術與VR 技術的配合便可以實現水廠多視角、系統化管理，將整個生產過程投影至VR 屏幕中。其中VR 虛擬巡檢設備以BIM 三維可視化數字孿生系統為重要依據，管理人員無需到達現場便可以從不同的視角系統化檢查整個工廠設備、管網布設要點，實現高效監管，強化信息管理及服務的功能性，生產管理效率大幅度提升。以BIM 三維可視化為基礎的數字孿生系統包含多個層面，除了最基礎的廠區、廠房、車間等一些硬件設施以外，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確，在3D 技術支持下復原了工廠整個生產環境，再加之傳感器、大數據、物聯網、設備監控等多種技術相互配合，實現了整個工廠不同元素動態化生產過程實時反映，不管是生產流程，還是運行狀態均可呈現，在此基礎之上以VR 形式實現了可視化查看。

3 智慧水廠數字孿生技術應用成功案例

3.1 案例概述

本次研究以某市水環境系統綜合治理項目為案例，此案例中涉及到了諸多環節，主要包含基礎設施建設、管網的優化、工程數字化和平臺建設等，采用的是多個模式有效配合管控機制，既在排水中采用了先進的技術手段，同時又在泥水處理時使用了可再生資源，在對項目地理環境進行深入調研的基礎上，將物聯網、云計算、大數據等多種技術手段相結合，以數據平臺為依托，快速采集、歸類、運維各平臺多樣數據信息，在水務管理中不斷推進自動化、網絡化、規范化，確保監測更加準確，調度更具實效，決策更加科學合理。

3.2 平臺建設內容

此案例項目中基于治理的高效性，積極引進數字孿生技術，構建了以實體及模型為基礎，并融入了物聯網、大數據、云計算等技術，搭建了水力模型，打造了智慧水務管理系統及平臺。在智慧水務平臺支持下，設計了較為完善的技術架構，具體如圖2 所示。

圖2 案例項目智慧水務平臺技術架構

案例項目構建的智慧水務平臺中數字孿生技術是重點，其中數據成為了整個平臺及技術運用的核心部分，實現了資產、項目、系統數字化、網絡化，在物聯網、AI 技術支持下，項目、資產相關信息數據互融互通，同步進行，不僅統一規范，而且可靠度較強，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字孿生對象，目的就是為了實現信息數據統一化管理，同步分享。在對海量歷史及現在數據進行分析時，真實可靠度更高，同時生產力及抗風險能力更強。

3.3 數字環境構建

數字模型是數字孿生技術運用的第一步，核心是數據集。在傳統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時數字化底座以無人機傾斜攝影技術的運用作為重點，準確獲取大量影像資料，并且對項目區域內的地理環境構建了數字化實景模型，具體如圖3 所示，主要運用的是三維技術，以此取代了GIS 二維環境底圖，通過一張清晰的圖片便可以呈現環境整體情況。

圖3 案例項目智慧水務平臺三維實景模型

3.4 數字模型構建

在構建數字環境基礎上，數字孿生模型數據運用需求的滿足還需要進一步完善平臺設計，以項目周邊環境為依據，結合設計圖紙、施工圖紙構建更加直觀的數字模型[5]。將BIM 技術應用于測繪、水機、給排水設計中，同時完成污水處理廠廠房結構模型、設施設備模型、地形模型的搭建。工程以數字化為重點，通過數字孿生技術的運用，再加上BIM 模型的構建，運用i ModC 發布一些關鍵信息及數據，并及時傳輸至智慧水務云平臺中，Web 端、移動端多種數據均可以在權限之內高效共享與訪問，為BIM 模型、GIS 平臺、物聯網的有機融合奠定了良好的基礎。最后將所有數據集合后傳送至智慧水務總平臺，整個系統中充分利用了“GIS+BIM+物聯網”相結合的優勢。

3.5 物理數據映射

物理實體模型、數字模型構建的同時，為了方便后續模型更好地驅動，同時達到數字孿生體中數據信息的使用率提升目標，案例項目將BIM、GIS 結合使用，映射GIS 物理數據、實體模型、數字模型，工程管理能力明顯提高。在GIS 技術作用下，單個建筑BIM 應用范圍大幅度拓展至工程更為廣闊的領域，同時GIS 與BIM 技術的高效銜接，實現了多樣數據統一化管理，不管是管風、調蓄池管理中涉及到的數據，還是污水廠、監測設備收集到的大量信息，均通過此平臺實現了快速瀏覽、查找與分析，水務設備中的海量數據分析也更加精準且全面。城市水務運行管理中，這些數據將為決策的做出提供更加準確的依據。

3.6 應用效果

案例項目采用數字孿生技術搭建智慧水務平臺，應用效果顯著，具體體現在以下方面：一是推進水務設施數字化，此項目地下管網數據以GIS 技術為基礎，完成了地下排水管線共計460.255 km 的管網GIS 建模。通過傾斜攝影技術的運用實現了多區域廣覆蓋的照片收集任務，其中采集照片80 000 多張，航拍覆蓋面100 km2，精準度較高。在BIM 技術支持下形成了較為完善的地下排水管網，并且此技術始終貫穿整個項目全過程，基于BIM 技術的模型設計、細節檢查中發現了很多細小問題，施工效率提升的同時，成本降低。將GIS 管網數據導入至OpenRoads 中，構建了三維管網模型，GIS+BIM 使得水務基礎設施管理更加規范，數據使用更加方便快捷。二是數字孿生技術應用于資產管理環節，由采集數據開始，直至設計環節，形成了與大量數據密切相關的模板，整個系統在數據處理方面標準化程度提高，數據質量得到保證，基礎信息、數字模型通過精密的編碼操作有效銜接，打造的數字孿生模型能夠儲存、管理大量數據，借助Web 端完成模型輕量化轉換，實現水務設施設備資產可視化管理。三是水力模型和三維實景共同形成數字孿生業務動態模擬，借助SewerGEMS、Opentows Flood 搭建動態水動力模型，不同類型模型管理是統一化的，此模型結合監測到的數據及時進行在線動態模擬并完成計算，在三維實景模型的配合下，共同完成可視化實景動態操作。

4 結束語

在數字孿生技術的支持下，智慧水廠構建智慧化水資源處理控制系統，將各個生產環節集約化，形成了較為完善的運行管理中心體系，整個生產、管理過程實現了可追溯性、可視化，再加之BIM、傳感、VR 等多種技術的綜合運用，水廠每一項生產任務均可以實時跟蹤、高效管理，設備運維全過程監控，可以說數字孿生技術在智慧水廠建設中具有非常好的應用前景，構建數字孿生模型并非是目的，而是一種有效的方法，能夠推進智慧水廠系統實現高質量發展，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、設計、處理工藝、水價標定等綜合管理決策提供重要的數據信息；在技術支持下實現設備智能化監測及遠程運維；以工藝機理為基礎，結合大數據技術與AI算法，搭建符合業務特征的智能模型[6]。先進的技術、信息網絡為水務行業數字化、智能化發展奠定了良好的基礎，這也是未來發展的必然趨勢。