孫騰 徐希濤 劉欣 郭正揚

摘要：傳統(tǒng)的污水處理廠管道和設(shè)備繁瑣復(fù)雜且有很多是在地下鋪設(shè)，運維人員很難進行檢查和維修，且污水處理的工藝流程較多，對于處理工藝的動態(tài)管控難以實施。設(shè)計了以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的污水處理廠仿真監(jiān)控系統(tǒng)，通過虛擬模型模擬分析物理實體1：1還原、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與虛擬模型實時掛接、設(shè)備運行狀態(tài)與污水處理工藝等，達到設(shè)備壘生命周期管理、遠程巡檢診斷、可視化智能運維的目的，有效提升了污水處理企業(yè)的指揮調(diào)度能力和管理水平，為污水處理廠數(shù)字化改造提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；環(huán)境保護；污水處理；仿真監(jiān)測

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A

前言

隨著科技的不斷發(fā)展，各個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展不斷迎來突破，如虛擬現(xiàn)實、深度學(xué)習(xí)、全域感知等，于是數(shù)字孿生應(yīng)運而生。數(shù)字孿生概念最早由密歇根大學(xué)Gneves教授提出，其定義描述最早由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出，即為更精準地分析物理實體，構(gòu)建和實體等價的虛擬體或數(shù)字模型，監(jiān)控實體運行的機理和狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)完善模擬體模型，為后續(xù)實體運行提供更精確的決策。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，以全三維交互可視化的方式，將相對應(yīng)的設(shè)備全生命周期過程反映出來，構(gòu)建出生產(chǎn)作業(yè)的3D場景、智能系統(tǒng)與工作流程對接，從而達到降低管理難度、提高運行維護和運行效率、提升管理水平、輔助綜合指揮調(diào)度等目標，達到提升效率、減輕負擔(dān)的目的。

如今，各行業(yè)都在嘗試采用數(shù)字孿生技術(shù)，污水處理廠自然也適用，對于傳統(tǒng)的污水處理廠而言，很多設(shè)備都在地下，運維工人無法直觀查看，而且污水處理過程多且復(fù)雜，很難實時追蹤到整體的處理過程。通過數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)將信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)相互連接，實現(xiàn)管理科學(xué)化、維護智能化、診斷遠程，有利于高效提升污水處理廠工作效率。

1數(shù)字孿生在污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用價值

1.1問題分析

城市污水處理廠一般都包含粗格柵和進水泵房、細格柵和旋流沉砂池、生化池、二沉池、活性砂濾池、紫外消毒渠、生態(tài)補水等工藝，每一道工序都由大量的設(shè)備來處理工作，大部分設(shè)備管道等復(fù)雜且大多在地下，而且污水處理的工藝流程較多，對于處理工藝的動態(tài)監(jiān)控很難實施，因此開發(fā)一套能夠觀測全場設(shè)備物理形體和實時數(shù)據(jù)信息的數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)有著巨大的應(yīng)用價值。

1.2數(shù)字孿生應(yīng)用

《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出了“完善城市信息模型平臺和運行管理服務(wù)平臺，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進城市數(shù)據(jù)大腦建設(shè)，探索數(shù)字化雙生城市建設(shè)”的建設(shè)要求。針對智慧水務(wù)建設(shè)，《綱要》在數(shù)字化應(yīng)用場景中明確了“以流域為單元，建設(shè)提升水情預(yù)測和智能調(diào)度能力的智慧水利體系”的要求。

數(shù)字孿生技術(shù)體現(xiàn)在數(shù)字和孿生兩個方面，“數(shù)字”是指將物理世界的物體模型化、數(shù)據(jù)化，“孿生”是指在虛擬數(shù)字世界中打造一個真實世界的映射，從而能夠模擬仿真真實世界，由此可見數(shù)字孿生技術(shù)在污水處理廠工藝和設(shè)備的仿真監(jiān)測中有著極大的契合度和優(yōu)越性。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

通過虛擬模型將物理實體的1：1還原、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和虛擬模型的實時掛接、設(shè)備運行狀態(tài)和污水處理工藝的仿真模擬分析，實現(xiàn)污水處理廠的全生命周期管理、可視化智能運維、遠程巡檢的功能。

數(shù)字孿生污水處理廠監(jiān)控軟件系統(tǒng)采用“模型底板、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能應(yīng)用”技術(shù)架構(gòu)。其基礎(chǔ)為三維模型底板、設(shè)備數(shù)據(jù)采集層，關(guān)鍵支撐為數(shù)據(jù)處理層，頂層為基于數(shù)據(jù)處理的功能應(yīng)用?？蚣芤妶D1。

模型底板層主要表達的是數(shù)字孿生項目三維幾何模型的構(gòu)建。該層主要包括圖紙手工建模、激光點云掃描、傾斜攝影模型生成等技術(shù)路線。模型是整個仿真監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過各種途徑的建模手段制作出系統(tǒng)所需的模型，可以使模型的效率得到很大的提高，通過不同的建模手段生成的模型能夠相互印證，相互參照，從而保證模型的精確性。其中根據(jù)圖紙手工建?？梢灾谱麟[藏在地下，人員無法到達處的管線和設(shè)備的模型；激光點云可以采用便攜式單人采集設(shè)備，采集室內(nèi)室外的建筑、管道、設(shè)備的模型；傾斜攝影建?？梢酝ㄟ^無人機拍攝生成廠區(qū)周邊2 Km范圍的河流、建筑、樹木等周邊環(huán)境模型。

數(shù)據(jù)采集層是仿真監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息的獲取部分。該層主要包括智能傳感器、智能儀表（水量、水質(zhì)、水壓等）、無線射頻、攝像頭、智能終端等，用以實時采集污水處理廠的設(shè)備運行狀態(tài)、各種儀表的顯示信息、工藝流程的控制調(diào)節(jié)參數(shù)、人員定位信息、現(xiàn)場視頻監(jiān)控和安全防護等數(shù)據(jù)，將處理過程中的模電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)電信息，對于難以通過儀表數(shù)字化采集的數(shù)據(jù)可采用人工采集的形式，將采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一添加到數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)采集層的工作。

數(shù)據(jù)處理層是污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部分。該層主要包括幾何模型、數(shù)據(jù)中臺、智能算法三個部分，幾伺模型是指對模型底板層制作的模型進行處理，系統(tǒng)使用游戲引擎進行模型場景的制作，游戲引擎的實時渲染功能可以制作逼真的三維場景，使用其地形系統(tǒng)、植被系統(tǒng)、動態(tài)光照系統(tǒng)、PBR材質(zhì)系統(tǒng)、Niagara粒子系統(tǒng)、流關(guān)卡技術(shù)等將模型搭建成真實視覺感的三維場景。數(shù)據(jù)中臺是指對數(shù)據(jù)采集層收集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲、管理和共享，使用數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行分類和編碼管理，形成一套擁有歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的管控平臺。智能算法是指對數(shù)據(jù)的加工和處理，通過算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的挖掘，例如通過歷史數(shù)據(jù)智能運算分析設(shè)備運行狀態(tài)是否良好、根據(jù)人員位置信息計算工人檢修最優(yōu)路線等。

功能應(yīng)用層是指該數(shù)字孿生仿真監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，主要包括可視化智能運維、遠程巡檢診斷、全生命周期管理等。可視化智能運維是指仿真監(jiān)測系統(tǒng)界面基于三維畫面進行運行和操作，遠程巡檢診斷是指系統(tǒng)可以實現(xiàn)在仿真系統(tǒng)中定義巡檢路線，對設(shè)備運行的狀態(tài)進行檢測和判斷，對存在的隱患和異常進行警告顯示。全生命周期管理是對設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的信息和過程進行全面管理，可以通過點擊3D畫面中的設(shè)備對設(shè)備的全過程信息進行調(diào)取，包括各類圖片、文檔、圖紙、視頻等信息。

3工程應(yīng)用案例

某污水處理廠是六安市城市生態(tài)保護的重要生活污水處理廠站，設(shè)計規(guī)模為日處理污水10萬立方米，工程投資近30 000萬元，采用了較為先進的污水處理工藝。針對該項目的設(shè)備和工藝監(jiān)控需求設(shè)計了一套基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)按照模型底板、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計。（見圖2）

3.1模型構(gòu)建

污水處理廠建模的重點和難點在于各個工藝流程中的管道和設(shè)備建模，因此為保證模型的準確性和建模的效率，項目模型制作過程中采用激光點云掃描自動建模和圖紙手工建模結(jié)合的方式進行，激光點云自動生成的模型將作為圖紙建模的參照，可以大大的提高建模的效率和準確率。在建模之初應(yīng)充分考慮系統(tǒng)架構(gòu)和功能，制定相應(yīng)的建模規(guī)范和標準，包括模型文件的存儲和命名、模型的坐標定位基準、模型的LOD精度級別、模型設(shè)備層級樹和統(tǒng)一編碼命名標準、模型的材質(zhì)貼圖采集分辨率標準，對于需要數(shù)據(jù)驅(qū)動展示的三維模型如生化池推進器、二沉池刮泥機、儀表、閥門、指示燈、開關(guān)等設(shè)備需要單獨對象建模并將模型的樞軸點定位在合理位置，確保測點綁定后數(shù)據(jù)可以驅(qū)動模型的動作。

3.2多源數(shù)據(jù)監(jiān)測

廠區(qū)已有的傳感器、智能儀表、智能終端等需要統(tǒng)一的調(diào)配和升級，對于相對老舊和落后的數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要進行升級和替換，基于數(shù)字孿生需求新的數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要進行添加，保證底層數(shù)據(jù)的采集和傳輸全面性和準確性。建立及時、全面、準確、穩(wěn)定的監(jiān)測、監(jiān)視和監(jiān)控，感知對象包括各工藝流程的管道和設(shè)施，采集內(nèi)容包括水質(zhì)、水量、壓力、沉降、自控設(shè)施工況等。

3.3三維場景與數(shù)據(jù)融合

該項目采用虛幻引擎進行三維場景的制作，通過虛幻引擎制作場景需求的天空、大氣霧、體積云、光照、地形和植被等周邊環(huán)境，通過datasmith插件轉(zhuǎn)化模型數(shù)據(jù)格式將污水處理廠的建筑、管路和設(shè)備模型導(dǎo)入到場景中，以保留模型的命名、材質(zhì)和層級。污水處理廠可視化效果中對于水材質(zhì)的效果表現(xiàn)有很高的需求，需要根據(jù)各個工藝流程中的實際水質(zhì)仿真表達，例如在生化池中水質(zhì)非常渾濁、顏色呈現(xiàn)黃色，二沉池中的水質(zhì)經(jīng)過沉降和泥水分離后呈現(xiàn)初步澄清，而在砂濾池處理后的水材質(zhì)為非常干凈透明的水，為了表現(xiàn)水質(zhì)從渾濁到清澈的效果轉(zhuǎn)變，采用虛幻引擎的shader編輯水材質(zhì)的透明度、顏色、折射、水波紋、反射、泡沫、深淺和水下效果等，通過節(jié)點的整合和調(diào)整來表現(xiàn)水質(zhì)效果的變化。

對于采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中臺進行統(tǒng)一的存儲、管理、計算和分析，對污水處理廠現(xiàn)有和新增的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進行信息標準化處理，打通設(shè)備通訊協(xié)議，統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲傳輸格式，實現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，一體化處理和加工。將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中臺進行統(tǒng)一的管理和調(diào)度后形成標準的測點數(shù)據(jù)格式，同時為了便于虛幻引擎和數(shù)據(jù)中臺的測點數(shù)據(jù)進行訪問和存儲，開發(fā)獨立的接口提供給虛幻引擎使用，采用TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型聯(lián)動，比如設(shè)備三維模型中指示燈顏色、開關(guān)的啟停狀態(tài)、表計的指針擺動等、電動機啟停狀態(tài)等，都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動。

使用人工智能算法對設(shè)備進行運行狀態(tài)趨勢分析、潛在失效模式分析、后果分析等設(shè)備的健康狀態(tài)在線分析，利用設(shè)備歷史、實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報表、設(shè)備缺陷信息等，結(jié)合設(shè)備故障評估導(dǎo)則等相關(guān)標準，分析故障發(fā)生的概率，對設(shè)備的運行狀態(tài)評估，智能生成評估報告。評估報告中包括設(shè)備可能發(fā)生故障、性能劣化等級以及可能原因，優(yōu)化設(shè)備檢修位置與頻率。主要評估對象包括過濾器、污水泵、曝氣設(shè)施、加藥設(shè)施、調(diào)速器、消毒設(shè)施等主要設(shè)備。（見圖3）

3.4數(shù)字孿生業(yè)務(wù)實現(xiàn)

3.4.1可視化智能運維

提供可視化的操作界面，提供第一人稱和第三人稱兩種軟件操作模式，用戶通過鼠標操作即可實現(xiàn)整個三維場景的查看，同時提供模型定位、興趣點定位、路線漫游、日夜場景變換、模型虛化、模型剖切等模型場景查看功能，便于用戶更好更快的查看三維模型。在三維場景的基礎(chǔ)上疊加二維的圖元信息，在圖元信息中可以動態(tài)展示各種設(shè)備狀態(tài)信息，比如折線圖柱狀圖等圖表、pdf文檔、測點數(shù)值等。（見圖4）

通過調(diào)用數(shù)據(jù)中臺接口可以將測點數(shù)據(jù)和三維模型進行綁定和聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的位移、變色、旋轉(zhuǎn)等動作，從而在三維虛擬污水廠中實現(xiàn)孿生功能，達到可視化運維的目的。同時在設(shè)備旁邊添加三維數(shù)據(jù)展示牌，在展示牌中動態(tài)顯示設(shè)備的測點數(shù)值，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的三維實時展示，極大的方便了設(shè)備運行狀態(tài)的展示。

如圖5所示低速推進器發(fā)生故障時在數(shù)字孿生系統(tǒng)中進行可視化運維的方法，通過點擊設(shè)備列表或者設(shè)備模型可以快速定位至該設(shè)備并進行高亮閃爍顯示，設(shè)備旁的告警嘆號可以喚出運維詳情面板，該面板描述了設(shè)備的基礎(chǔ)信息和主要技術(shù)參數(shù)，記錄了設(shè)備發(fā)生故障的時間、設(shè)備的維修進度、設(shè)備完成維修的預(yù)計完成時間等，實現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)中對設(shè)備進行可視化運維的功能。

3.4.2遠程巡檢診斷

在三維可視化系統(tǒng)中添加巡檢的功能，巡檢功能可以自定義繪制巡檢路線，可在巡檢路線中添加興趣點并對興趣點的停留時間和關(guān)注設(shè)備進行編輯，也可以將智能算法運算得出的最優(yōu)巡檢路線和巡檢點數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中臺接口綁定聯(lián)動到虛幻引擎中，每次巡檢完成后，將獲取的狀態(tài)信息進行評估，生成分析評價報告，并將該報告顯示在圖元中，同時將評價數(shù)據(jù)返回到數(shù)據(jù)中臺，通過算法生成新的最優(yōu)巡檢線路，從而實現(xiàn)遠程巡檢診斷的功能。

3.4.3設(shè)備全生命周期

三維模型按照污水廠設(shè)備的拓撲結(jié)構(gòu)、物理位置、外形尺寸建立，通過三維模型可以清晰展示設(shè)備的外觀結(jié)構(gòu)、設(shè)備零件的組成和裝配關(guān)系；三維模型中關(guān)聯(lián)設(shè)備運行相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、圖紙資料、歷史運行數(shù)據(jù)圖標等信息，可以對設(shè)備信息進行實時展示，對運行狀態(tài)異常、超壽命服役設(shè)備進行告警提示并高亮度顯示。三維檢修工序卡、三維檢修圖冊均是三維模型設(shè)備結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的展示功能的應(yīng)用。（見圖6）

4結(jié)論

污水處理廠設(shè)備管道復(fù)雜且大多處于地下，難以進行直觀的查看和檢修，而且污水處理工藝流程較多，傳統(tǒng)二維平面或者表格數(shù)據(jù)方式的監(jiān)控系統(tǒng)難以對污水處理廠進行直觀的和全面的監(jiān)控。設(shè)計了一套基于數(shù)據(jù)底板、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能應(yīng)用框架的數(shù)字孿生監(jiān)控仿真系統(tǒng)，通過虛擬模型模擬分析物理實體1：1還原、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與虛擬模型實時掛接、設(shè)備運行狀態(tài)與污水處理工藝等，達到設(shè)備全生命周期管理、遠程巡檢診斷、可視化智能運維的目的，有效提升了污水處理企業(yè)的指揮調(diào)度能力和管理水平，為污水處理廠數(shù)字化改造提供了新的思路。