基于数字孪生技术的污水处理厂仿真监控设计研究

孙腾 徐希涛 刘欣 郭正扬

摘要：传统的污水处理厂管道和设备繁琐复杂且有很多是在地下铺设，运维人员很难进行检查和维修，且污水处理的工艺流程较多，对于处理工艺的动态管控难以实施。设计了以数字孪生技术为基础的污水处理厂仿真监控系统，通过虚拟模型模拟分析物理实体1：1还原、传感器监测数据与虚拟模型实时挂接、设备运行状态与污水处理工艺等，达到设备垒生命周期管理、远程巡检诊断、可视化智能运维的目的，有效提升了污水处理企业的指挥调度能力和管理水平，为污水处理厂数字化改造提供了新的思路。

关键词：数字孪生；环境保护；污水处理；仿真监测

中图分类号：X705 文献标志码：A

前言

随着科技的不断发展，各个领域的技术发展不断迎来突破，如虚拟现实、深度学习、全域感知等，于是数字孪生应运而生。数字孪生概念最早由密歇根大学Gneves教授提出，其定义描述最早由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出，即为更精准地分析物理实体，构建和实体等价的虚拟体或数字模型，监控实体运行的机理和状态，采集数据完善模拟体模型，为后续实体运行提供更精确的决策。应用数字孪生技术，以全三维交互可视化的方式，将相对应的设备全生命周期过程反映出来，构建出生产作业的3D场景、智能系统与工作流程对接，从而达到降低管理难度、提高运行维护和运行效率、提升管理水平、辅助综合指挥调度等目标，达到提升效率、减轻负担的目的。

如今，各行业都在尝试采用数字孪生技术，污水处理厂自然也适用，对于传统的污水处理厂而言，很多设备都在地下，运维工人无法直观查看，而且污水处理过程多且复杂，很难实时追踪到整体的处理过程。通过数字孪生可视化系统将信息系统与数据相互连接，实现管理科学化、维护智能化、诊断远程，有利于高效提升污水处理厂工作效率。

1数字孪生在污水处理厂监控系统中的应用价值

1.1问题分析

城市污水处理厂一般都包含粗格栅和进水泵房、细格栅和旋流沉砂池、生化池、二沉池、活性砂滤池、紫外消毒渠、生态补水等工艺，每一道工序都由大量的设备来处理工作，大部分设备管道等复杂且大多在地下，而且污水处理的工艺流程较多，对于处理工艺的动态监控很难实施，因此开发一套能够观测全场设备物理形体和实时数据信息的数字孪生监测系统有着巨大的应用价值。

1.2数字孪生应用

《国民经济和社会发展十四五规划和2035年远景目标纲要》提出了“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设，探索数字化双生城市建设”的建设要求。针对智慧水务建设，《纲要》在数字化应用场景中明确了“以流域为单元，建设提升水情预测和智能调度能力的智慧水利体系”的要求。

数字孪生技术体现在数字和孪生两个方面，“数字”是指将物理世界的物体模型化、数据化，“孪生”是指在虚拟数字世界中打造一个真实世界的映射，从而能够模拟仿真真实世界，由此可见数字孪生技术在污水处理厂工艺和设备的仿真监测中有着极大的契合度和优越性。

2系统总体设计

通过虚拟模型将物理实体的1：1还原、传感器监测数据和虚拟模型的实时挂接、设备运行状态和污水处理工艺的仿真模拟分析，实现污水处理厂的全生命周期管理、可视化智能运维、远程巡检的功能。

数字孪生污水处理厂监控软件系统采用“模型底板、数据采集、数据处理、功能应用”技术架构。其基础为三维模型底板、设备数据采集层，关键支撑为数据处理层，顶层为基于数据处理的功能应用。框架见图1。

模型底板层主要表达的是数字孪生项目三维几何模型的构建。该层主要包括图纸手工建模、激光点云扫描、倾斜摄影模型生成等技术路线。模型是整个仿真监控系统的基础，通过各种途径的建模手段制作出系统所需的模型，可以使模型的效率得到很大的提高，通过不同的建模手段生成的模型能够相互印证，相互参照，从而保证模型的精确性。其中根据图纸手工建模可以制作隐藏在地下，人员无法到达处的管线和设备的模型；激光点云可以采用便携式单人采集设备，采集室内室外的建筑、管道、设备的模型；倾斜摄影建模可以通过无人机拍摄生成厂区周边2 Km范围的河流、建筑、树木等周边环境模型。

数据采集层是仿真监测系统的数据信息的获取部分。该层主要包括智能传感器、智能仪表（水量、水质、水压等）、无线射频、摄像头、智能终端等，用以实时采集污水处理厂的设备运行状态、各种仪表的显示信息、工艺流程的控制调节参数、人员定位信息、现场视频监控和安全防护等数据，将处理过程中的模电信号转变为数电信息，对于难以通过仪表数字化采集的数据可采用人工采集的形式，将采集到的数据统一添加到数据库，完成数据采集层的工作。

数据处理层是污水处理监控系统的核心关键部分。该层主要包括几何模型、数据中台、智能算法三个部分，几伺模型是指对模型底板层制作的模型进行处理，系统使用游戏引擎进行模型场景的制作，游戏引擎的实时渲染功能可以制作逼真的三维场景，使用其地形系统、植被系统、动态光照系统、PBR材质系统、Niagara粒子系统、流关卡技术等将模型搭建成真实视觉感的三维场景。数据中台是指对数据采集层收集到的数据进行统一的存储、管理和共享，使用数据库对采集到的数据进行分类和编码管理，形成一套拥有历史数据、实时数据、数据传输服务的管控平台。智能算法是指对数据的加工和处理，通过算法实现数据价值的挖掘，例如通过历史数据智能运算分析设备运行状态是否良好、根据人员位置信息计算工人检修最优路线等。

功能应用层是指该数字孪生仿真监测系统实现的功能，主要包括可视化智能运维、远程巡检诊断、全生命周期管理等。可视化智能运维是指仿真监测系统界面基于三维画面进行运行和操作，远程巡检诊断是指系统可以实现在仿真系统中定义巡检路线，对设备运行的状态进行检测和判断，对存在的隐患和异常进行警告显示。全生命周期管理是对设备的历史数据和实时数据的信息和过程进行全面管理，可以通过点击3D画面中的设备对设备的全过程信息进行调取，包括各类图片、文档、图纸、视频等信息。

3工程应用案例

某污水处理厂是六安市城市生态保护的重要生活污水处理厂站，设计规模为日处理污水10万立方米，工程投资近30 000万元，采用了较为先进的污水处理工艺。针对该项目的设备和工艺监控需求设计了一套基于数字孪生技术的仿真监控系统，系统建设按照模型底板、数据采集、数据处理、功能应用的架构设计。（见图2）

3.1模型构建

污水处理厂建模的重点和难点在于各个工艺流程中的管道和设备建模，因此为保证模型的准确性和建模的效率，项目模型制作过程中采用激光点云扫描自动建模和图纸手工建模结合的方式进行，激光点云自动生成的模型将作为图纸建模的参照，可以大大的提高建模的效率和准确率。在建模之初应充分考虑系统架构和功能，制定相应的建模规范和标准，包括模型文件的存储和命名、模型的坐标定位基准、模型的LOD精度级别、模型设备层级树和统一编码命名标准、模型的材质贴图采集分辨率标准，对于需要数据驱动展示的三维模型如生化池推进器、二沉池刮泥机、仪表、阀门、指示灯、开关等设备需要单独对象建模并将模型的枢轴点定位在合理位置，确保测点绑定后数据可以驱动模型的动作。

3.2多源数据监测

厂区已有的传感器、智能仪表、智能终端等需要统一的调配和升级，对于相对老旧和落后的数据采集设备需要进行升级和替换，基于数字孪生需求新的数据采集设备需要进行添加，保证底层数据的采集和传输全面性和准确性。建立及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控，感知对象包括各工艺流程的管道和设施，采集内容包括水质、水量、压力、沉降、自控设施工况等。

3.3三维场景与数据融合

该项目采用虚幻引擎进行三维场景的制作，通过虚幻引擎制作场景需求的天空、大气雾、体积云、光照、地形和植被等周边环境，通过datasmith插件转化模型数据格式将污水处理厂的建筑、管路和设备模型导入到场景中，以保留模型的命名、材质和层级。污水处理厂可视化效果中对于水材质的效果表现有很高的需求，需要根据各个工艺流程中的实际水质仿真表达，例如在生化池中水质非常浑浊、颜色呈现黄色，二沉池中的水质经过沉降和泥水分离后呈现初步澄清，而在砂滤池处理后的水材质为非常干净透明的水，为了表现水质从浑浊到清澈的效果转变，采用虚幻引擎的shader编辑水材质的透明度、颜色、折射、水波纹、反射、泡沫、深浅和水下效果等，通过节点的整合和调整来表现水质效果的变化。

对于采集到的数据通过数据中台进行统一的存储、管理、计算和分析，对污水处理厂现有和新增的数据处理子系统进行信息标准化处理，打通设备通讯协议，统一数据存储传输格式，实现全厂数据的互联互通，一体化处理和加工。将数据通过数据中台进行统一的管理和调度后形成标准的测点数据格式，同时为了便于虚幻引擎和数据中台的测点数据进行访问和存储，开发独立的接口提供给虚幻引擎使用，采用TCP/IP的数据传输协议进行数据的传输，从而实现数据和模型联动，比如设备三维模型中指示灯颜色、开关的启停状态、表计的指针摆动等、电动机启停状态等，都可以实现数据驱动。

使用人工智能算法对设备进行运行状态趋势分析、潜在失效模式分析、后果分析等设备的健康状态在线分析，利用设备历史、实时状态数据、故障报表、设备缺陷信息等，结合设备故障评估导则等相关标准，分析故障发生的概率，对设备的运行状态评估，智能生成评估报告。评估报告中包括设备可能发生故障、性能劣化等级以及可能原因，优化设备检修位置与频率。主要评估对象包括过滤器、污水泵、曝气设施、加药设施、调速器、消毒设施等主要设备。（见图3）

3.4数字孪生业务实现

3.4.1可视化智能运维

提供可视化的操作界面，提供第一人称和第三人称两种软件操作模式，用户通过鼠标操作即可实现整个三维场景的查看，同时提供模型定位、兴趣点定位、路线漫游、日夜场景变换、模型虚化、模型剖切等模型场景查看功能，便于用户更好更快的查看三维模型。在三维场景的基础上叠加二维的图元信息，在图元信息中可以动态展示各种设备状态信息，比如折线图柱状图等图表、pdf文档、测点数值等。（见图4）

通过调用数据中台接口可以将测点数据和三维模型进行绑定和联动，实现数据驱动模型的位移、变色、旋转等动作，从而在三维虚拟污水厂中实现孪生功能，达到可视化运维的目的。同时在设备旁边添加三维数据展示牌，在展示牌中动态显示设备的测点数值，实现设备运行状态的三维实时展示，极大的方便了设备运行状态的展示。

如图5所示低速推进器发生故障时在数字孪生系统中进行可视化运维的方法，通过点击设备列表或者设备模型可以快速定位至该设备并进行高亮闪烁显示，设备旁的告警叹号可以唤出运维详情面板，该面板描述了设备的基础信息和主要技术参数，记录了设备发生故障的时间、设备的维修进度、设备完成维修的预计完成时间等，实现在数字孪生系统中对设备进行可视化运维的功能。

3.4.2远程巡检诊断

在三维可视化系统中添加巡检的功能，巡检功能可以自定义绘制巡检路线，可在巡检路线中添加兴趣点并对兴趣点的停留时间和关注设备进行编辑，也可以将智能算法运算得出的最优巡检路线和巡检点数据通过数据中台接口绑定联动到虚幻引擎中，每次巡检完成后，将获取的状态信息进行评估，生成分析评价报告，并将该报告显示在图元中，同时将评价数据返回到数据中台，通过算法生成新的最优巡检线路，从而实现远程巡检诊断的功能。

3.4.3设备全生命周期

三维模型按照污水厂设备的拓扑结构、物理位置、外形尺寸建立，通过三维模型可以清晰展示设备的外观结构、设备零件的组成和装配关系；三维模型中关联设备运行相关参数数据、图纸资料、历史运行数据图标等信息，可以对设备信息进行实时展示，对运行状态异常、超寿命服役设备进行告警提示并高亮度显示。三维检修工序卡、三维检修图册均是三维模型设备结构和数据的展示功能的应用。（见图6）

4结论

污水处理厂设备管道复杂且大多处于地下，难以进行直观的查看和检修，而且污水处理工艺流程较多，传统二维平面或者表格数据方式的监控系统难以对污水处理厂进行直观的和全面的监控。设计了一套基于数据底板、数据采集、数据处理、功能应用框架的数字孪生监控仿真系统，通过虚拟模型模拟分析物理实体1：1还原、传感器监测数据与虚拟模型实时挂接、设备运行状态与污水处理工艺等，达到设备全生命周期管理、远程巡检诊断、可视化智能运维的目的，有效提升了污水处理企业的指挥调度能力和管理水平，为污水处理厂数字化改造提供了新的思路。