智慧水厂数字孪生技术应用

赵 宇

（深圳市深水龙华水务有限公司，广东深圳 518000）

数字孪生技术是以数字空间为依托构建相应模型，借助传感技术及模型算法实现数字化表达，这一技术最大的特点便是数字化、模拟性、仿真性。特别是最近几年云技术、物联网、5G 技术发展速度日益加快，海量的数据需要强大的系统进行存储与传输，数字孪生技术便能够满足这一要求，并且被广泛应用于智慧水务领域，取得了非常不错的成效，为水务行业智能化、数字化、网络化发展奠定了良好的基础[1]。基于此，本文重点针对智慧水厂数字孪生技术应用进行分析，以具体案例为切入点，结合相关理论的阐述，进一步明确数字孪生技术应用的优势，旨在为智慧水厂高质量发展提供有价值的建议。

1 智慧水厂数字孪生技术应用价值

在数字技术的支持下，数字孪生技术结合水厂的真实环境构建了一个与实体十分相似的模型，借助此技术不仅可以充分了解到水厂物理实情，而且在对系统中相关数据进行分析的同时，不断优化水厂各个环节[2]。在BIM 三维数字物理模型、传感技术的支持下，大量新旧数据进行收集整理以后储存在系统数据库内，在数字化虚拟空间的支持下采用物理效应映射出水厂的基础设施，实体世界是站在物理角度下形成的，而数字世界则基于信息维度，两者看似毫无关系，实质上却是相互依存、高效交互的。在BIM 三维可视化平台中将实体转化为虚拟化，由虚拟数字化对实体进行控制，不仅要对数据进行分析，而且计算方法多样化，能够为决策的做出提供技术支持，通过采用模拟的形式将对象物理化，在虚拟映射基础之上实现生产全过程的监控，推进了水厂日常运作及管理一体化、精细化。数据的采集以工业通信设计为基础，既确保了采集任务稳定且高效地运行，同时又为平台提供了丰富的数据信息。智慧水厂数字孪生技术的应用以网络为基础，对生产过程中的数据实时收集、整理，根据业务专家知识领域，以数字孪生的形式为工厂不同类型的决策层提供数据分析及应用。在信息流的支持下形成了智能水厂高效运行机制，具备了全面化感知、设备的互联互通、数字化高效集成和智能化预测等多项优势，在水厂运行中数字孪生技术成为了智能化发展的重要手段，特别是在智慧水厂建设过程中以工艺控制需求为重要依据，数字孪生技术发挥了非常重要的作用，同时也是很多水务行业工作人员需要关注的重点问题，其价值及带来的影响是非常大的。

2 智慧水厂数字孪生技术应用的关键技术

2.1 工艺建模与优化系统

在智慧水厂数字孪生技术应用中专家智能决策系统的运行具备了强大的功能性，不仅可以定制化建模，实现可视配置交互的多样化，而且水厂运行中能源消耗仿真及工艺优化等方面的优势也较为突出。整个系统不仅具备了较好的污水处理优势，而且高级控制软件的运用将水厂工艺及运行情况仿真建模，在水厂运行管理中发挥了非常好的效果预测作用及工艺优化功能，同时还给予了方案决策强大的支持力。污水处理工艺优化系统的运用基于生物处理技术，构建了数学模型，运行报表具有强大的记录功能，可以实时记录大量进水数据，以此为基础形成了重要的输入参数，对水厂每一个环节、细节运行状态进行仿真的同时，快速诊断问题所在，进一步优化关键性参数，保证水厂生产的水资源质量与国家标准相符，达到较好的节能效果。

2.2 设备健康检测诊断系统

智慧水厂运行全过程中既要全面了解及掌握设备效率，同时还要对未来发展趋势准确判断，在故障发生以后可以及时找到故障部位，数字孪生技术的应用便可以实现这些，同时能够达到较好的检查、验收、维修效果，做到设备故障早知道、早发现、早诊断，将故障损失降至最低点，及时消除故障的同时，促进设备高效运行，避免长时间停机导致生产受到影响，大幅度节省了维修成本。维修周期在制定时主要依据设备实际运行情况、预测情况，并非定期维护。借助实时监测、分析、评价机、泵等一些重要设施在线运行情况构建操作性较强的系统，具体如图1 所示，对设备振动、温差等数据动态监测，有问题发生时会第一时间启动报警装置，避免机、泵等设备发生严重的事故，另外基于多信息融合技术的运用，最大限度对重要设备运行情况进行评估，同时合理设置预警时间，做到提前防范、及时维修、智能诊断，准确找到故障原因的同时，保证维修更加精密化，大幅度减少了维修时间，维修时可以参考的数据更加准确，使设备始终处于稳定、有序运行状态，设备费用降低的同时，达到了质量提升、效率提高的目的。

图1 智慧水厂的设备健康检测诊断系统

2.3 虚拟现实和呈现

在智慧水厂数字孪生技术应用中工业仿真三维引擎借助VR 交互功能，成为了人、机、环互融互通的有效方法，实现了工业仿真的延伸性[3]。其中最基础性质的应用便是VR 工厂及时巡视和检查，通常情况，一些规模较大的生产环节无法做到全面兼顾，通过工业仿真技术与VR 技术的配合便可以实现水厂多视角、系统化管理，将整个生产过程投影至VR 屏幕中。其中VR 虚拟巡检设备以BIM 三维可视化数字孪生系统为重要依据，管理人员无需到达现场便可以从不同的视角系统化检查整个工厂设备、管网布设要点，实现高效监管，强化信息管理及服务的功能性，生产管理效率大幅度提升。以BIM 三维可视化为基础的数字孪生系统包含多个层面，除了最基础的厂区、厂房、车间等一些硬件设施以外，还涉及到了人体模型等，涵盖面非常广泛，采用的比例也较为准确，在3D 技术支持下复原了工厂整个生产环境，再加之传感器、大数据、物联网、设备监控等多种技术相互配合，实现了整个工厂不同元素动态化生产过程实时反映，不管是生产流程，还是运行状态均可呈现，在此基础之上以VR 形式实现了可视化查看。

3 智慧水厂数字孪生技术应用成功案例

3.1 案例概述

本次研究以某市水环境系统综合治理项目为案例，此案例中涉及到了诸多环节，主要包含基础设施建设、管网的优化、工程数字化和平台建设等，采用的是多个模式有效配合管控机制，既在排水中采用了先进的技术手段，同时又在泥水处理时使用了可再生资源，在对项目地理环境进行深入调研的基础上，将物联网、云计算、大数据等多种技术手段相结合，以数据平台为依托，快速采集、归类、运维各平台多样数据信息，在水务管理中不断推进自动化、网络化、规范化，确保监测更加准确，调度更具实效，决策更加科学合理。

3.2 平台建设内容

此案例项目中基于治理的高效性，积极引进数字孪生技术，构建了以实体及模型为基础，并融入了物联网、大数据、云计算等技术，搭建了水力模型，打造了智慧水务管理系统及平台。在智慧水务平台支持下，设计了较为完善的技术架构，具体如图2 所示。

图2 案例项目智慧水务平台技术架构

案例项目构建的智慧水务平台中数字孪生技术是重点，其中数据成为了整个平台及技术运用的核心部分，实现了资产、项目、系统数字化、网络化，在物联网、AI 技术支持下，项目、资产相关信息数据互融互通，同步进行，不仅统一规范，而且可靠度较强，获取时轻松快捷[4]。此项目的运作全过程中涉及到的所有主体均采用相同的数字孪生对象，目的就是为了实现信息数据统一化管理，同步分享。在对海量历史及现在数据进行分析时，真实可靠度更高，同时生产力及抗风险能力更强。

3.3 数字环境构建

数字模型是数字孪生技术运用的第一步，核心是数据集。在传统二维管理平台运用时最为突出的问题便是可视度低，图像呈现模糊，不具备较好的参考性，为解决此问题，案例项目在平台建设时数字化底座以无人机倾斜摄影技术的运用作为重点，准确获取大量影像资料，并且对项目区域内的地理环境构建了数字化实景模型，具体如图3 所示，主要运用的是三维技术，以此取代了GIS 二维环境底图，通过一张清晰的图片便可以呈现环境整体情况。

图3 案例项目智慧水务平台三维实景模型

3.4 数字模型构建

在构建数字环境基础上，数字孪生模型数据运用需求的满足还需要进一步完善平台设计，以项目周边环境为依据，结合设计图纸、施工图纸构建更加直观的数字模型[5]。将BIM 技术应用于测绘、水机、给排水设计中，同时完成污水处理厂厂房结构模型、设施设备模型、地形模型的搭建。工程以数字化为重点，通过数字孪生技术的运用，再加上BIM 模型的构建，运用i ModC 发布一些关键信息及数据，并及时传输至智慧水务云平台中，Web 端、移动端多种数据均可以在权限之内高效共享与访问，为BIM 模型、GIS 平台、物联网的有机融合奠定了良好的基础。最后将所有数据集合后传送至智慧水务总平台，整个系统中充分利用了“GIS+BIM+物联网”相结合的优势。

3.5 物理数据映射

物理实体模型、数字模型构建的同时，为了方便后续模型更好地驱动，同时达到数字孪生体中数据信息的使用率提升目标，案例项目将BIM、GIS 结合使用，映射GIS 物理数据、实体模型、数字模型，工程管理能力明显提高。在GIS 技术作用下，单个建筑BIM 应用范围大幅度拓展至工程更为广阔的领域，同时GIS 与BIM 技术的高效衔接，实现了多样数据统一化管理，不管是管风、调蓄池管理中涉及到的数据，还是污水厂、监测设备收集到的大量信息，均通过此平台实现了快速浏览、查找与分析，水务设备中的海量数据分析也更加精准且全面。城市水务运行管理中，这些数据将为决策的做出提供更加准确的依据。

3.6 应用效果

案例项目采用数字孪生技术搭建智慧水务平台，应用效果显著，具体体现在以下方面：一是推进水务设施数字化，此项目地下管网数据以GIS 技术为基础，完成了地下排水管线共计460.255 km 的管网GIS 建模。通过倾斜摄影技术的运用实现了多区域广覆盖的照片收集任务，其中采集照片80 000 多张，航拍覆盖面100 km2，精准度较高。在BIM 技术支持下形成了较为完善的地下排水管网，并且此技术始终贯穿整个项目全过程，基于BIM 技术的模型设计、细节检查中发现了很多细小问题，施工效率提升的同时，成本降低。将GIS 管网数据导入至OpenRoads 中，构建了三维管网模型，GIS+BIM 使得水务基础设施管理更加规范，数据使用更加方便快捷。二是数字孪生技术应用于资产管理环节，由采集数据开始，直至设计环节，形成了与大量数据密切相关的模板，整个系统在数据处理方面标准化程度提高，数据质量得到保证，基础信息、数字模型通过精密的编码操作有效衔接，打造的数字孪生模型能够储存、管理大量数据，借助Web 端完成模型轻量化转换，实现水务设施设备资产可视化管理。三是水力模型和三维实景共同形成数字孪生业务动态模拟，借助SewerGEMS、Opentows Flood 搭建动态水动力模型，不同类型模型管理是统一化的，此模型结合监测到的数据及时进行在线动态模拟并完成计算，在三维实景模型的配合下，共同完成可视化实景动态操作。

4 结束语

在数字孪生技术的支持下，智慧水厂构建智慧化水资源处理控制系统，将各个生产环节集约化，形成了较为完善的运行管理中心体系，整个生产、管理过程实现了可追溯性、可视化，再加之BIM、传感、VR 等多种技术的综合运用，水厂每一项生产任务均可以实时跟踪、高效管理，设备运维全过程监控，可以说数字孪生技术在智慧水厂建设中具有非常好的应用前景，构建数字孪生模型并非是目的，而是一种有效的方法，能够推进智慧水厂系统实现高质量发展，在智能化平台的支持下可以快速收集更多的水文信息，同时为水厂选址、设计、处理工艺、水价标定等综合管理决策提供重要的数据信息；在技术支持下实现设备智能化监测及远程运维；以工艺机理为基础，结合大数据技术与AI算法，搭建符合业务特征的智能模型[6]。先进的技术、信息网络为水务行业数字化、智能化发展奠定了良好的基础，这也是未来发展的必然趋势。