智慧水廠數字孿生技術分析

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【摘要】數字孿生作為水廠實現智慧化的重要使能技術和手段，如何能在智慧水廠的建設中結合工藝控制需求發揮其巨大的作用，是水處理行業從業者需要聚焦解決的重要技術難題。文章提出基于“數字孿生”的智慧水廠技術架構體系，并列舉出“數字孿生”在智慧水廠中涉及的關鍵技術，結合具體的水廠案例說明“數字孿生”技術在智慧水廠的巨大運用價值和意義。

【關鍵詞】智慧水廠；數字孿生

1智慧水廠實現數字孿生的需求

1.1污水處理廠的智慧化現狀

目前的凈水廠建設發展存在控制系統繁瑣，易出錯，設備故障率高等問題。在水廠運營管理的過程中，往往需要配置較多人員，工作協調難、效率低，粗放式的管理，對于日常作業過程都以結果為導向，缺少有效移動化過程監管。依賴人工調整也會存在過量的曝氣投藥導致整體能耗和藥耗成本上升，缺乏精細化調節。這些問題導致凈水廠的智慧化程度很低，嚴重影響水廠的生產效率。

1.2數字孿生對于智慧水廠的價值

“數字孿生”是用數字化的方法構建一個和現實污水廠一模一樣的數字世界的技術，通過該技術實現對污水廠物理實體的了解、分析和優化。充分利用基于BIM的三維數字物理模型、傳感器協議數據傳輸、運行歷史存儲等數據，在數字化的虛擬空間中完成污水廠設施的物理映射，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的數字世界同生共存、虛實交融的格局（見圖1）。基于BIM三維可視化平臺可實現實轉虛、虛控實的過程，將數據、算法和決策分析結合在一起，建立模擬，即物理對象的虛擬映射的過程，實現生產監控的一體化、精細化管理。數據采集依靠可靠的工業通信設計，保證采集任務的穩定運行，為平臺提供完整的數字化表現基礎。基于數字孿生的智慧水廠基于工業互聯網平臺的應用，挖掘大量有效的生產實時數據，結合業務專家的知識領域，并通過數字孿生的表現形式為工廠各種決策層提供數據分析和應用。基于信息流的集成，構建具有“全面感知、設備互聯、數字集成、智能預測”等特征的智能水廠的運行體系。數字孿生作為凈水廠實現智慧化的重要技術和手段，如何能在智慧水廠的建設中結合工藝控制需求發揮其巨大的作用，是水處理行業從業者需要聚焦解決的重要技術難題。本文提出基于“數字孿生”的智慧水廠技術架構體系，列舉出“數字孿生”在智慧水廠中涉及的關鍵技術，結合具體案例說明“數字孿生”技術在智慧水廠的巨大運用價值和意義[1]。

2“數字孿生”智慧水廠技術體系

基于“數字孿生”的智慧水廠具體由基礎層、平臺層、應用層三層架構組成（見圖2），涉及智慧水廠“數字孿生”體系的數據保障、數據的融合與仿真以及最終的功能交互。其中，基礎層是基礎條件，平臺層是核心環節，應用層是呈現方式。從基礎層開始，每一層的實現都建立在前面各層的基礎之上，是對前面各層功能的進一步豐富和拓展。將建立在BIM等數字化基礎上的污水廠數字化模型構建于生產管理體系中，在運營和生產管理的平臺上對生產進行調度、調整和優化。在設備管理領域，通過模型模擬設備的運動和工作狀態，實現機械和電器的聯動。數字孿生在傳統PLC等控制設備的基礎上更進一步，通過廠區內部署的數字傳感器采集各種實時數據，借助智慧水廠管理系統的大數據分析，通過機器學習預測原本無法直接測量的指標。由此完成評估、診斷、分析、模擬、預測和決策等一系列操作，從而解決運行管理問題。該過程主要包含：對產品進行BIM等數字化手段建模；對運維階段的關鍵指標進行分析掌握產品的具體情況；利用同步和交互（VR和AR技術）等技術，提前發現問題并及時修復。利用廠區部署的大量的數字傳感器采集污水廠運行階段的環境和工作狀態，并通過數據分析和優化結合智慧水廠專家控制系統避免設備的故障，改善運營管理。通過數字化呈現形式，將污水廠的運營狀態、運行規律等進行全方位多維度的反應，讓使用系統的管理者能夠全面掌握水廠的現實運行情況。通過讀取流量、壓力、運行時間等常規過程儀表及進出水TP、TN、COD、氨氮等水質儀表數據的傳感器或者PLC控制系統的各種實時參數，構建可視化的遠程監控，并給予采集的歷史數據，構建層次化的部件、子系統乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現趨勢預測。基于預測的結果，對系統維修策略以及備品備件的管理策略進行優化（見圖3），降低和避免客戶因為非計劃停機的損失。以實際污水廠為藍本，整合靜態數據、動態數據和生產管理數據，通過機理模型分析和大數據分析等方法，將水廠過去、現在和未來的狀態進行直觀呈現和預測，并結合智慧水廠專家系統提出建議，為運營管理提供決策支持，并實現高度保障、管理高效、成本優化和產能挖潛的目的。

3“數字孿生”智慧水廠關鍵技術

3.1工藝建模與優化系統

污水廠運行專家智能決策系統具有定制化建模、多樣化的可視配置交互、水廠運行能耗仿真、工藝優化決策等功能。系統采用污水處理工藝優化與高級控制軟件針對全廠工藝運行進行建模和仿真，為污水廠的運行管理提供運行效果預測、方案決策支持、工藝優化等功能。污水處理工藝優化系統基于污水廠生物處理工藝流程建立數學模型，以運行報表記錄的進水歷史數據，或將在線監測儀表的進水實時數據作為模型的輸入參數，對污水廠的各種運行狀況進行仿真、診斷，優化關鍵運行參數，滿足污水廠出水水質達標和節能降耗的要求[1]。

3.2設備健康檢測診斷系統

實時了解設備當前的運行狀況、判斷未來的發展趨勢（提供運行的安全周期數據）、診斷故障發生的部位，以及檢查和驗收大修或臨時維修的效果，實現對設備故障早知道、早預報、早診斷，把故障消滅在萌芽之中，提高設備運行的完好率、減少設備停機時間及降低維修成本。根據設備的實際狀態或預測狀態制定最佳的維修周期，而不是定期進行維修。通過建立機、泵等關鍵設備的在線健康狀況監測與分析評價系統（見圖4），實時監控設備振動、溫度等參量狀態，及時準確地通過報警，防止機、泵設備等關鍵設備事故的發生，同時采用先進的多信息融合技術，最大程度的評估機泵等關鍵設備運行狀態、延長設備預警時間，從而實現預知維修，并通過智能診斷，精確診斷故障源，實現精密維修，縮短維修用時，為檢測維修合理化提供及時準確的數據基礎，從而有效保證設備長期穩定運行。降低備品備件費用，提質增效。圖4數字孿生水廠的設備健康檢測診斷系統

3.3虛擬現實和呈現

工業仿真三維引擎融合VR交互，是實現“人—機—環”互通最直接有效的方式，是工業仿真的有效延伸。最基礎的應用便是VR工廠巡檢，通常大型工業生產流程很難一窺全貌，采用工業仿真+VR技術，將現實工廠以多角度、全方位地投影到VR世界中（見圖5）。圖5數字孿生水廠的三維可視化系統VR虛擬巡檢設備結合基于BIM的三維可視化數字孿生系統，使管理者足不出戶就能從各個角度身臨其境、鳥瞰整個工廠設備及管網布置細節，監控、管理整個生產過程的每一個環節、每一個空間、每一臺設備，甚至每一個人，以加強信息管理和服務，提高生產和管理效率。基于BIM的三維可視化數字孿生系統將廠區廠房、車間、設備、人體模型等，按照1：1的比例3D復原數字化工廠的整個生產環境，結合傳感器、數據可視化、物聯網和設備監控等技術，將整個工廠的各種元素動態生產過程實時反映其生產流程和運行狀態，再以虛擬現實（VR）的形式可視化呈現[2]。

4總結與展望

基于“數字孿生”的智慧水廠建立了智慧化的污水處理控制系統，實現了建立資源集約化的運營中心管理體系，打造全過程、可追溯的廠級生產工藝可視化管理模式，基于移動端的生產任務跟蹤管理機制，建立完善的設備運維管理體系，建立基于大數據的廠級KPI運營指數分析，展示了水務企業運營的良好企業形象。

參考文獻

[1]周圣文，郭順生，杜百崗，郭鈞，李益兵，王磊，查大虎，張富江，于磊．數字孿生凈水廠運維管控一體化平臺關鍵技術及應用[J]．計算機集成制造系統，2021，27（2）：432-444.

[2]張鶴，陳馨，朱志斌．打造數字孿生工廠實現三維可視化全過程管理[J]．中國勘察設計，2021（8）：86-89.

作者：鄭宇祺 單位：廣州市市政工程設計研究總院有限公司