数字孪生技术在水厂运管监控中的设计与实现

杨传麟

(上海西派埃智能化系统有限公司,上海 200233)

0 引言

在当前数字化驱动转型的趋势下，数字孪生技术作为先进、高效的数字化工具在智能制造领域已经有了较为成熟的应用。水厂的日常运管也在借鉴智能制造领域的先进技术和理念，寻求管理上的创新和突破。

数字孪生结合了三维建模、数学建模、信息集成和人机交互等技术，在虚拟三维场景中对真实世界进行数字化投影[1]。数字孪生的应用场景包括对历史情况的追溯、现实情况的投射乃至未来及假定情况的仿真，并且借助信息化和人机交互技术提供不同于传统系统的应用和展示手段[2]。

数字孪生已经在众多领域得到应用，特别在制造业的产品设计、产品制造等方面有很多成熟的应用案例。随着建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术和应用的崛起，BIM技术为数字孪生系统的建立奠定了坚实的数字基础。因此，越来越多的行业领域也将关注点聚焦到了数字孪生[3-4]。BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含了描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象(如空间、运动行为等)的状态信息。基于BIM打造的数字孪生不仅可以应用在设计中，还可以应用在工程建设乃至后期运维的项目全生命周期中。

目前，数字孪生在水行业的应用较少。数字孪生的早期应用主要集中在基于核心工艺段的三维场景工艺仿真教学培训等,自BIM技术融合之后逐渐出现较为完整的、基于全厂三维场景及多系统集成的数字孪生水厂案例。为了进一步提升数字孪生系统的使用价值并发挥孪生技术的优势，本文以一典型自来水厂为研究对象，研究数字孪生系统如何在传统水厂的基础条件下，针对核心运管内容，在生产管控、设备管理和安全生产等方面的应用场景规划及具体实现。该水厂已运行多年，自动化和信息化水平在行业内具有普遍代表性。研究过程充分借鉴数字孪生系统在数字化工厂中的成功应用案例[5]。

1 规划和设计

水厂属于社会保障型企业，为居民提供日常饮用水，所以生产稳定性和生产环境的安全性至关重要。水厂的日常监管主要为三方面：制水过程监控；生产设备、设施日常运维保障；安全生产管理。

水厂常规配置系统包括：自动化控制系统用于制水过程监控；建立设备一机一卡台账辅助设备、设施运维；视频及周界安防系统用于安全生产管理[6]。

结合以上三大方面监管需求，以及数字孪生系统的应用场景，本文规划了数字孪生系统五大功能板块。 数字孪生系统五大功能板块如图1所示。

图1 数字孪生系统五大功能板块

1.1 数字水厂

数字水厂作为数字孪生应用的基础，采用现场激光扫描、拍照和查阅图纸等技术，完成水厂内设施及重点构筑物的三维建模和渲染等基础工作。在此基础上，数字水厂模块提供以下功能。

①数字水厂模块提供对水厂内设施及重点构筑物的全方位展示，支持用户使用鼠标进行旋转和缩放等操作。

②用户通过点击构筑物，可以对构筑物内部进行单体细致浏览。

③系统提供构筑物的详细信息，包括长、宽、高和建材等。

④用户通过点击设备，可以查看设备的详细信息，包括台账、当前运行数据和运维记录等。

⑤为了使用户在庞大的三维虚拟场景中快速、直观地掌握厂内生产运行情况，系统实时与自动化控制系统进行数据对接，并根据设备实际运行情况对设备外观进行不同颜色的边框绘制，从而反映实际运行情况。

以上信息来自上位机监控系统及厂内设备管理系统的对接。

1.2 漫游导览

孪生系统提供用户沉浸式全景漫游和水厂介绍导航两大功能。

①全景漫游。用户通过键盘或者手柄操作虚拟任务，可以在水厂场景中进行仿真走动漫游。通过该方式，用户可以进行池面、泵房、配电间及加药间的浏览，并且在靠近设备时会收到设备自动弹出的关键信息。

②介绍导航。系统播放预设线路和介绍语言的参观路线，主要用于向参观者介绍水厂情况。

1.3 厂内管线

根据管线的不同用途，如水管、气管、药管和电力管线等，数字孪生系统在管线专题场景中用不同的颜色进行区分，并可按照分类控制对应管线的显示与隐藏。同时，为了便于展示和介绍，系统在鼠标移动到管线上方时增加动态箭头效果，展现管道内介质的流动方向。管线颜色的选择遵循现场颜色标识规范。为了获得更加直观、明晰的展现效果，该设计中对场景中的地面和墙面进行透明处理。

1.4 工艺巡检

工艺巡检以厂内工艺构筑单体为单元进行虚拟环境中的巡检。系统在每个工艺构筑单体中根据预设的点位供用户漫游，并在关键区域展示所在区域的各类数据，包括重要的仪器仪表数据、设备台账及实时运行情况等；同时，结合与安防视频的接口，系统自动显示所在位置的摄像头视频信息，达到虚实结合的效果。在虚拟场景中，当用户选中重要的提升泵组，则在信息平台和安防系统中与之关联的信号点位和监控视频会同步展示。

1.5 安防视频

在三维虚拟场景中，系统除了展现构筑物和重要设备之外，也对视频摄像头在虚拟场景中进行展现，并使用户实时获取视频图像流。通过摄像头的引入起到了虚实结合的效果，大大拉近了系统和现场环境的距离。同时，摄像头与视角范围内的重要设备和关键安全区域相关联，起到了针对性的联动和互动的效果。

2 系统实现

2.1 建立数据基础

数据是整个系统的基础。准确、时效性强的数据是确保系统应用价值的前提。数据基础的建立包括数据分类、数据编制和数据收集三部分。

2.1.1 数据分类

厂内的管理需要将数据分成静态和动态两大类。静态数据主要包括厂内构筑物、管线、设备台账和设备安装位置等相对固定的信息。这些信息是构建虚拟场景的基础信息。动态信息主要指生产运行、设备维护和安全生产管理过程中的数据。核心内容包括设备实时运行状态、仪器仪表的采集数据、视频监控系统中的视频图像以及设备运维过程中记录的数据。以上信息的完整性直接影响后续应用场景功能规划所涉及的内容。

2.1.2 数据编制

从数据分类可以看到有很多的数据来源，甚至有多媒体数据。为了更好地满足系统使用时的信息综合检索需求，要避免数据孤岛的出现。这就必须在数据机制运作之前完成不同数据之间关系的梳理。主要内容包括编码规则的统一、不同系统之间编码的统一、不同来源之间相互关系的匹配等。

厂内已经存在生产自控系统、综合安防系统和生产运营管理系统，各系统均有自己的编码规则。而数字孪生系统需要与各系统都产生基于编码的信息检索。综合分析之后，本设计以生产运营管理系统为编码体系的核心，并由其完成其余系统编码的汇总和对应关系的编织，为数字孪生系统提供唯一的编码目录。例如，自控系统定义了一系列信号点，但是仅通过信号点的定义信息无法获得其与对应设备之间的从属关系。因此，需要建立信号点与设备之间的对应关系表，通过规范化的编码以及编码之间的关联建立信息线索。所定义的编码表和梳理的信息线索会贯穿落实到所有相关的系统中，如生产自控、同界安防和生产运营等。

通过数据基础的建立，数字孪生系统及其相关系统(如自动化控制系统等)在数据描述和定义方面达到了全局一致且规范的目标，实现了从某一维度数据可以快速检索其余维度关联数据的效果。

2.1.3 数据收集

在确定了数据内容和来源之后，系统需要针对各来源和内容确定数据收集方式。数字孪生系统数据分类及来源如表1所示。

表1 数据分类及来源

2.2 系统开发实施

根据以上分析和规划，数字孪生系统并非一个独立的系统，而是水厂自动化和信息化达到一定水平之后的综合产物。基础系统的缺失或者功能不完善都将使数字孪生系统的实用价值受到影响。数字孪生系统对于基础系统完整性、功能和接口都提出了必要的标准。基础系统的完善与升级也将为数字孪生系统的进一步提升提供可能性。结合厂内常规系统配置，数字孪生对接三大数据源如图2所示。

图2 数字孪生对接三大数据源

数字孪生平台与三大数据来源对接过程中涉及的技术关键点如下。

①生产自控。

孪生系统需要实时、快速地获取生产自控系统中的生产过程数据与报警信息。现场生产自控系统采用了通信服务器(input output server，I/O Server)、客户端、工业实时历史数据库的模式。自控系统数据流拓扑及数字孪生数据流向如图3 所示。

图3 自控系统数据流拓扑及数字孪生数据流向

由图3 可知，I/O Server承担与现场可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)或分布式控制系统(distributed control system，DCS)等与数据采集网关或远程终端单元(remote terminal unit，RTU)之间的通信，可以向客户端或者工业数据库提供所获取的数据。虽然图3中的各个节点都可以作为数据获取的切入点，但是综合考虑数据的完整性、通信的稳定性以及对工业控制环境影响最小等因素，技术上选择从工业实时历史数据库获取数据。

从工业实时历史数据库获取数据时，系统采用了从应用程序接口(application programming interface，API)和从关系数据库直接查询相结合的方式。两种数据获取方式各有特点，可以满足不同特征的数据需求。对于少量高频数据的采集，系统采用API的方式。对于大量低频数据的采集，采用系统关系数据库直接查询的方式[7]。

②视频及周界安防。

获取视频流的方式一般为从摄像头直接获取或者从硬盘录像机获取。从摄像头获取需要与每个摄像头建立界面，对于获取端来说网络开销大、配置复杂，在跨网段的情况下甚至需要在各个摄像头上进行网络设置，可操作性差。相对而言，从硬盘录像机获取视频流可以大大简化操作。

通过对现场情况的深入调研，现场配置有综合安防平台。该平台在构架上处于网络视频录像机(nnetwork video recorder，NVR)的上层，可以同时链接和管理多个NVR，甚至直接链接和管理摄像头。这就进一步简化了现场拓扑的复杂性。安防系统数据流拓扑及数字孪生数据流向如图4所示。

图4 安防系统数据流拓扑及数字孪生数据流向

因此，在技术上可直接通过流媒体协议与综合安防平台对接获取视频图像数据。目前常用的流媒体协议包括实时流协议(real-time stream protocol，RTSP)和基于超文本传输协议(hyper text transfer protocol,HTTP)的自适应码率流媒体传输协议(HTTP live streaming，HLS)等。考虑到协议普适性，主要采用RTSP协议获取流媒体数据。当用户在三维场景点击摄像头对象时，系统首先查询配置信息，确定摄像头在综合安防平台中的通道编码；然后将编码作为请求参数，完成对RTSP流媒体地址的拼接，类似rtsp://10.10.10.125:9090/dss/monitor/param?cameraid=1000068%240&substream=1[8]，并以此地址向综合安防平台获取视频图像流。

③生产运营。

生产运营平台除了作为设备台账和运维的基础数据来源之外，在系统定位中还起到了十分重要的数据枢纽的作用。数字孪生系统并不直接与生产控制和视频及周界安防系统进行数据获取，所有的数据交互均以生产运营平台为中间代理进行。这样的设计可以使得现场系统的复杂性、多样性对数据孪生系统透明，只要在约定的接口条件下数字孪生系统即可运行，确保了数字孪生系统的可复用性和可推广性。生产运营平台与数字孪生之间采用了如消息队列、WebSocket[9]等技术进行通信。

典型应用场景如下：用户在三维场景中点击设备；数字孪生系统通过与生产运管平台之间的数据接口获取设备的基础台账信息(如生产厂家、规格型号等)、当前运行状态(如开停机状态、电流、电压和频率等)。以上场景的数据获取基于用户交互点击的形式触发，因此采用HTTP请求接口的方式获可得最佳性能效果。

3 结论

本文基于数字孪生技术的发展与应用现状，结合水厂数字化升级转型的需求，研究了针对水厂日常运管内容，构建多应用场景的数字孪生系统。本文在研究过程中使用了数据规范化、网络编程、流媒体等技术，最终完成了水厂数字孪生系统规划设计、编程实现和现场布署。水厂数字孪生系统的投用，给基层操作人员和管理人员都提供了新的生产工具。各基础系统在应用层面得到了高效整合，提高了人员的监管效率以及异常情况下相关信息的追溯便捷性。本次研究完成了水厂数字孪生应用的初步探索，下一步将在此基础上，针对厂内更多系统进行建设和完善，如人员定位、工艺仿真和自动化产线等，进一步提升数字孪生系统的管理能力[10]。