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【摘要】數(shù)字孿生作為水廠實(shí)現(xiàn)智慧化的重要使能技術(shù)和手段，如何能在智慧水廠的建設(shè)中結(jié)合工藝控制需求發(fā)揮其巨大的作用，是水處理行業(yè)從業(yè)者需要聚焦解決的重要技術(shù)難題。文章提出基于“數(shù)字孿生”的智慧水廠技術(shù)架構(gòu)體系，并列舉出“數(shù)字孿生”在智慧水廠中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合具體的水廠案例說(shuō)明“數(shù)字孿生”技術(shù)在智慧水廠的巨大運(yùn)用價(jià)值和意義。

【關(guān)鍵詞】智慧水廠；數(shù)字孿生

1智慧水廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的需求

1.1污水處理廠的智慧化現(xiàn)狀

目前的凈水廠建設(shè)發(fā)展存在控制系統(tǒng)繁瑣，易出錯(cuò)，設(shè)備故障率高等問(wèn)題。在水廠運(yùn)營(yíng)管理的過(guò)程中，往往需要配置較多人員，工作協(xié)調(diào)難、效率低，粗放式的管理，對(duì)于日常作業(yè)過(guò)程都以結(jié)果為導(dǎo)向，缺少有效移動(dòng)化過(guò)程監(jiān)管。依賴人工調(diào)整也會(huì)存在過(guò)量的曝氣投藥導(dǎo)致整體能耗和藥耗成本上升，缺乏精細(xì)化調(diào)節(jié)。這些問(wèn)題導(dǎo)致凈水廠的智慧化程度很低，嚴(yán)重影響水廠的生產(chǎn)效率。

1.2數(shù)字孿生對(duì)于智慧水廠的價(jià)值

“數(shù)字孿生”是用數(shù)字化的方法構(gòu)建一個(gè)和現(xiàn)實(shí)污水廠一模一樣的數(shù)字世界的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。充分利用基于BIM的三維數(shù)字物理模型、傳感器協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)行歷史存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)，在數(shù)字化的虛擬空間中完成污水廠設(shè)施的物理映射，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融的格局（見(jiàn)圖1）?；贐IM三維可視化平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)虛、虛控實(shí)的過(guò)程，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對(duì)象的虛擬映射的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的一體化、精細(xì)化管理。數(shù)據(jù)采集依靠可靠的工業(yè)通信設(shè)計(jì)，保證采集任務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行，為平臺(tái)提供完整的數(shù)字化表現(xiàn)基礎(chǔ)?；跀?shù)字孿生的智慧水廠基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用，挖掘大量有效的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合業(yè)務(wù)專家的知識(shí)領(lǐng)域，并通過(guò)數(shù)字孿生的表現(xiàn)形式為工廠各種決策層提供數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。基于信息流的集成，構(gòu)建具有“全面感知、設(shè)備互聯(lián)、數(shù)字集成、智能預(yù)測(cè)”等特征的智能水廠的運(yùn)行體系。數(shù)字孿生作為凈水廠實(shí)現(xiàn)智慧化的重要技術(shù)和手段，如何能在智慧水廠的建設(shè)中結(jié)合工藝控制需求發(fā)揮其巨大的作用，是水處理行業(yè)從業(yè)者需要聚焦解決的重要技術(shù)難題。本文提出基于“數(shù)字孿生”的智慧水廠技術(shù)架構(gòu)體系，列舉出“數(shù)字孿生”在智慧水廠中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合具體案例說(shuō)明“數(shù)字孿生”技術(shù)在智慧水廠的巨大運(yùn)用價(jià)值和意義[1]。

2“數(shù)字孿生”智慧水廠技術(shù)體系

基于“數(shù)字孿生”的智慧水廠具體由基礎(chǔ)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層三層架構(gòu)組成（見(jiàn)圖2），涉及智慧水廠“數(shù)字孿生”體系的數(shù)據(jù)保障、數(shù)據(jù)的融合與仿真以及最終的功能交互。其中，基礎(chǔ)層是基礎(chǔ)條件，平臺(tái)層是核心環(huán)節(jié)，應(yīng)用層是呈現(xiàn)方式。從基礎(chǔ)層開(kāi)始，每一層的實(shí)現(xiàn)都建立在前面各層的基礎(chǔ)之上，是對(duì)前面各層功能的進(jìn)一步豐富和拓展。將建立在BIM等數(shù)字化基礎(chǔ)上的污水廠數(shù)字化模型構(gòu)建于生產(chǎn)管理體系中，在運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)管理的平臺(tái)上對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)度、調(diào)整和優(yōu)化。在設(shè)備管理領(lǐng)域，通過(guò)模型模擬設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電器的聯(lián)動(dòng)。數(shù)字孿生在傳統(tǒng)PLC等控制設(shè)備的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，通過(guò)廠區(qū)內(nèi)部署的數(shù)字傳感器采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，借助智慧水廠管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)原本無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)。由此完成評(píng)估、診斷、分析、模擬、預(yù)測(cè)和決策等一系列操作，從而解決運(yùn)行管理問(wèn)題。該過(guò)程主要包含：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行BIM等數(shù)字化手段建模；對(duì)運(yùn)維階段的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析掌握產(chǎn)品的具體情況；利用同步和交互（VR和AR技術(shù)）等技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)修復(fù)。利用廠區(qū)部署的大量的數(shù)字傳感器采集污水廠運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化結(jié)合智慧水廠專家控制系統(tǒng)避免設(shè)備的故障，改善運(yùn)營(yíng)管理。通過(guò)數(shù)字化呈現(xiàn)形式，將污水廠的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、運(yùn)行規(guī)律等進(jìn)行全方位多維度的反應(yīng)，讓使用系統(tǒng)的管理者能夠全面掌握水廠的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況。通過(guò)讀取流量、壓力、運(yùn)行時(shí)間等常規(guī)過(guò)程儀表及進(jìn)出水TP、TN、COD、氨氮等水質(zhì)儀表數(shù)據(jù)的傳感器或者PLC控制系統(tǒng)的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，構(gòu)建可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并給予采集的歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建層次化的部件、子系統(tǒng)乃至整個(gè)設(shè)備的健康指標(biāo)體系，并使用人工智能實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)?；陬A(yù)測(cè)的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)維修策略以及備品備件的管理策略進(jìn)行優(yōu)化（見(jiàn)圖3），降低和避免客戶因?yàn)榉怯?jì)劃停機(jī)的損失。以實(shí)際污水廠為藍(lán)本，整合靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)理模型分析和大數(shù)據(jù)分析等方法，將水廠過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的狀態(tài)進(jìn)行直觀呈現(xiàn)和預(yù)測(cè)，并結(jié)合智慧水廠專家系統(tǒng)提出建議，為運(yùn)營(yíng)管理提供決策支持，并實(shí)現(xiàn)高度保障、管理高效、成本優(yōu)化和產(chǎn)能挖潛的目的。

3“數(shù)字孿生”智慧水廠關(guān)鍵技術(shù)

3.1工藝建模與優(yōu)化系統(tǒng)

污水廠運(yùn)行專家智能決策系統(tǒng)具有定制化建模、多樣化的可視配置交互、水廠運(yùn)行能耗仿真、工藝優(yōu)化決策等功能。系統(tǒng)采用污水處理工藝優(yōu)化與高級(jí)控制軟件針對(duì)全廠工藝運(yùn)行進(jìn)行建模和仿真，為污水廠的運(yùn)行管理提供運(yùn)行效果預(yù)測(cè)、方案決策支持、工藝優(yōu)化等功能。污水處理工藝優(yōu)化系統(tǒng)基于污水廠生物處理工藝流程建立數(shù)學(xué)模型，以運(yùn)行報(bào)表記錄的進(jìn)水歷史數(shù)據(jù)，或?qū)⒃诰€監(jiān)測(cè)儀表的進(jìn)水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，對(duì)污水廠的各種運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真、診斷，優(yōu)化關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，滿足污水廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)和節(jié)能降耗的要求[1]。

3.2設(shè)備健康檢測(cè)診斷系統(tǒng)

實(shí)時(shí)了解設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況、判斷未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)（提供運(yùn)行的安全周期數(shù)據(jù)）、診斷故障發(fā)生的部位，以及檢查和驗(yàn)收大修或臨時(shí)維修的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障早知道、早預(yù)報(bào)、早診斷，把故障消滅在萌芽之中，提高設(shè)備運(yùn)行的完好率、減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間及降低維修成本。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)或預(yù)測(cè)狀態(tài)制定最佳的維修周期，而不是定期進(jìn)行維修。通過(guò)建立機(jī)、泵等關(guān)鍵設(shè)備的在線健康狀況監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備振動(dòng)、溫度等參量狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確地通過(guò)報(bào)警，防止機(jī)、泵設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備事故的發(fā)生，同時(shí)采用先進(jìn)的多信息融合技術(shù)，最大程度的評(píng)估機(jī)泵等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、延長(zhǎng)設(shè)備預(yù)警時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修，并通過(guò)智能診斷，精確診斷故障源，實(shí)現(xiàn)精密維修，縮短維修用時(shí)，為檢測(cè)維修合理化提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而有效保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。降低備品備件費(fèi)用，提質(zhì)增效。圖4數(shù)字孿生水廠的設(shè)備健康檢測(cè)診斷系統(tǒng)

3.3虛擬現(xiàn)實(shí)和呈現(xiàn)

工業(yè)仿真三維引擎融合VR交互，是實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)—環(huán)”互通最直接有效的方式，是工業(yè)仿真的有效延伸。最基礎(chǔ)的應(yīng)用便是VR工廠巡檢，通常大型工業(yè)生產(chǎn)流程很難一窺全貌，采用工業(yè)仿真+VR技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)工廠以多角度、全方位地投影到VR世界中（見(jiàn)圖5）。圖5數(shù)字孿生水廠的三維可視化系統(tǒng)VR虛擬巡檢設(shè)備結(jié)合基于BIM的三維可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)，使管理者足不出戶就能從各個(gè)角度身臨其境、鳥(niǎo)瞰整個(gè)工廠設(shè)備及管網(wǎng)布置細(xì)節(jié)，監(jiān)控、管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)空間、每一臺(tái)設(shè)備，甚至每一個(gè)人，以加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，提高生產(chǎn)和管理效率。基于BIM的三維可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)將廠區(qū)廠房、車(chē)間、設(shè)備、人體模型等，按照1：1的比例3D復(fù)原數(shù)字化工廠的整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境，結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)可視化、物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備監(jiān)控等技術(shù)，將整個(gè)工廠的各種元素動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)反映其生產(chǎn)流程和運(yùn)行狀態(tài)，再以虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的形式可視化呈現(xiàn)[2]。

4總結(jié)與展望

基于“數(shù)字孿生”的智慧水廠建立了智慧化的污水處理控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建立資源集約化的運(yùn)營(yíng)中心管理體系，打造全過(guò)程、可追溯的廠級(jí)生產(chǎn)工藝可視化管理模式，基于移動(dòng)端的生產(chǎn)任務(wù)跟蹤管理機(jī)制，建立完善的設(shè)備運(yùn)維管理體系，建立基于大數(shù)據(jù)的廠級(jí)KPI運(yùn)營(yíng)指數(shù)分析，展示了水務(wù)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的良好企業(yè)形象。

參考文獻(xiàn)

[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．?dāng)?shù)字孿生凈水廠運(yùn)維管控一體化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（2）：432-444.

[2]張鶴，陳馨，朱志斌．打造數(shù)字孿生工廠實(shí)現(xiàn)三維可視化全過(guò)程管理[J]．中國(guó)勘察設(shè)計(jì)，2021（8）：86-89.

作者：鄭宇祺 單位：廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司