智慧水廠數(shù)字孿生技術的應用

鄭宇祺

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司）

1 智慧水廠實現(xiàn)數(shù)字孿生的需求

1.1 污水處理廠的智慧化現(xiàn)狀

目前的凈水廠建設發(fā)展存在控制系統(tǒng)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(xié)調難、效率低，粗放式的管理，對于日常作業(yè)過程都以結果為導向，缺少有效移動化過程監(jiān)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(jié)。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(chǎn)效率。

1.2 數(shù)字孿生對于智慧水廠的價值

“數(shù)字孿生”是用數(shù)字化的方法構建一個和現(xiàn)實污水廠一模一樣的數(shù)字世界的技術，通過該技術實現(xiàn)對污水廠物理實體的了解、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、運行歷史存儲等數(shù)據(jù)，在數(shù)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(shù)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(xiàn)實轉虛、虛控實的過程，將數(shù)據(jù)、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(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的一體化、精細化管理。數(shù)據(jù)采集依靠可靠的工業(yè)通信設計，保證采集任務的穩(wěn)定運行，為平臺提供完整的數(shù)字化表現(xiàn)基礎。

圖1 數(shù)字孿生水廠的虛實交融示意圖

基于數(shù)字孿生的智慧水廠基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應用，挖掘大量有效的生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，結合業(yè)務專家的知識領域，并通過數(shù)字孿生的表現(xiàn)形式為工廠各種決策層提供數(shù)據(jù)分析和應用。基于信息流的集成，構建具有“全面感知、設備互聯(lián)、數(shù)字集成、智能預測”等特征的智能水廠的運行體系。

數(shù)字孿生作為凈水廠實現(xiàn)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(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難題。本文提出基于“數(shù)字孿生”的智慧水廠技術架構體系，列舉出“數(shù)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(shù)字孿生”技術在智慧水廠的巨大運用價值和意義[1]。

2 “數(shù)字孿生”智慧水廠技術體系

基于“數(shù)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(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，基礎層是基礎條件，平臺層是核心環(huán)節(jié)，應用層是呈現(xiàn)方式。從基礎層開始，每一層的實現(xiàn)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。

圖2 數(shù)字孿生水廠系統(tǒng)架構圖

將建立在BIM等數(shù)字化基礎上的污水廠數(shù)字化模型構建于生產(chǎn)管理體系中，在運營和生產(chǎn)管理的平臺上對生產(chǎn)進行調度、調整和優(yōu)化。在設備管理領域，通過模型模擬設備的運動和工作狀態(tài)，實現(xiàn)機械和電器的聯(lián)動。

數(shù)字孿生在傳統(tǒng)PLC等控制設備的基礎上更進一步，通過廠區(qū)內(nèi)部署的數(shù)字傳感器采集各種實時數(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(chǎn)品進行BIM等數(shù)字化手段建模；對運維階段的關鍵指標進行分析掌握產(chǎn)品的具體情況；利用同步和交互（VR和AR技術）等技術，提前發(fā)現(xiàn)問題并及時修復。利用廠區(qū)部署的大量的數(shù)字傳感器采集污水廠運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化結合智慧水廠專家控制系統(tǒng)避免設備的故障，改善運營管理。通過數(shù)字化呈現(xiàn)形式，將污水廠的運營狀態(tài)、運行規(guī)律等進行全方位多維度的反應，讓使用系統(tǒng)的管理者能夠全面掌握水廠的現(xiàn)實運行情況。

通過讀取流量、壓力、運行時間等常規(guī)過程儀表及進出水TP、TN、COD、氨氮等水質儀表數(shù)據(jù)的傳感器或者PLC控制系統(tǒng)的各種實時參數(shù)，構建可視化的遠程監(jiān)控，并給予采集的歷史數(shù)據(jù)，構建層次化的部件、子系統(tǒng)乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現(xiàn)趨勢預測。基于預測的結果，對系統(tǒng)維修策略以及備品備件的管理策略進行優(yōu)化（見圖3），降低和避免客戶因為非計劃停機的損失。

圖3 數(shù)字孿生水廠的預測性維護系統(tǒng)

以實際污水廠為藍本，整合靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，通過機理模型分析和大數(shù)據(jù)分析等方法，將水廠過去、現(xiàn)在和未來的狀態(tài)進行直觀呈現(xiàn)和預測，并結合智慧水廠專家系統(tǒng)提出建議，為運營管理提供決策支持，并實現(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”智慧水廠關鍵技術

3.1 工藝建模與優(yōu)化系統(tǒng)

污水廠運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(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)學模型，以運行報表記錄的進水歷史數(shù)據(jù)，或將在線監(jiān)測儀表的進水實時數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，對污水廠的各種運行狀況進行仿真、診斷，優(yōu)化關鍵運行參數(shù)，滿足污水廠出水水質達標和節(jié)能降耗的要求[1]。

3.2 設備健康檢測診斷系統(tǒng)

實時了解設備當前的運行狀況、判斷未來的發(fā)展趨勢（提供運行的安全周期數(shù)據(jù)）、診斷故障發(fā)生的部位，以及檢查和驗收大修或臨時維修的效果，實現(xiàn)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(jù)設備的實際狀態(tài)或預測狀態(tài)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(jiān)測與分析評價系統(tǒng)（見圖4），實時監(jiān)控設備振動、溫度等參量狀態(tài)，及時準確地通過報警，防止機、泵設備等關鍵設備事故的發(fā)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(tài)、延長設備預警時間，從而實現(xiàn)預知維修，并通過智能診斷，精確診斷故障源，實現(xiàn)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(shù)據(jù)基礎，從而有效保證設備長期穩(wěn)定運行。降低備品備件費用，提質增效。

圖4 數(shù)字孿生水廠的設備健康檢測診斷系統(tǒng)

3.3 虛擬現(xiàn)實和呈現(xiàn)

工業(yè)仿真三維引擎融合VR交互，是實現(xiàn)“人—機—環(huán)”互通最直接有效的方式，是工業(yè)仿真的有效延伸。最基礎的應用便是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，將現(xiàn)實工廠以多角度、全方位地投影到VR世界中（見圖5）。

圖5 數(shù)字孿生水廠的三維可視化系統(tǒng)

VR虛擬巡檢設備結合基于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角度身臨其境、鳥瞰整個工廠設備及管網(wǎng)布置細節(jié)，監(jiān)控、管理整個生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)、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(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、車間、設備、人體模型等，按照1：1的比例3D復原數(shù)字化工廠的整個生產(chǎn)環(huán)境，結合傳感器、數(shù)據(jù)可視化、物聯(lián)網(wǎng)和設備監(jiān)控等技術，將整個工廠的各種元素動態(tài)生產(chǎn)過程實時反映其生產(chǎn)流程和運行狀態(tài)，再以虛擬現(xiàn)實（VR）的形式可視化呈現(xiàn)[2]。

4 總結與展望

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)，實現(xiàn)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(chǎn)工藝可視化管理模式，基于移動端的生產(chǎn)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(shù)據(jù)的廠級KPI運營指數(shù)分析，展示了水務企業(yè)運營的良好企業(yè)形象。