某泵站數(shù)字孿生平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙宏為，劉晨燁，郭超群，荀 俊

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213017；2.江河港武水務(wù)（常州）有限公司，江蘇 常州 213017）

數(shù)字孿生最早是由美國(guó)國(guó)防部在2011年提出的。數(shù)字孿生充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，結(jié)合5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)[1]，集成多尺度、多學(xué)科、多物理量、多概率的仿真過程，通過將實(shí)際存在的物理實(shí)體映射到虛擬空間中，從而反映相應(yīng)的全生命周期過程[2]。

本文根據(jù)國(guó)家智慧水利總體方案要求，在堅(jiān)持問題導(dǎo)向、補(bǔ)齊信息化短板、構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)安全防線、支撐行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管、加快推進(jìn)智慧水利的背景下，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等對(duì)泵站進(jìn)行透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)，建設(shè)灌區(qū)渠首泵站數(shù)字化監(jiān)管系統(tǒng)，將信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)管由人工向信息化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，提升灌區(qū)渠首泵站數(shù)字化智慧化監(jiān)管能力，助力水利樞紐規(guī)范化、精細(xì)化、數(shù)字化監(jiān)管體系建立。

該數(shù)字孿生泵站平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照泵站控制網(wǎng)、信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、水利專網(wǎng)接入4個(gè)層次規(guī)劃，構(gòu)建安全可靠的水利網(wǎng)絡(luò)，滿足泵站感知采集、視頻、業(yè)務(wù)應(yīng)用等連接接入，并提供向上接入工程管理處、市水利局、省水利廳的互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)體系。

1 數(shù)字孿生平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照水利部關(guān)于數(shù)字孿生工程建設(shè)要求，結(jié)合本樞紐泵站運(yùn)行調(diào)度監(jiān)控業(yè)務(wù)需求，本樞紐數(shù)字孿生系統(tǒng)采用B/S 模式，構(gòu)建起“五層融合，兩體系貫穿”的架構(gòu)。其中，“五層”分別為水網(wǎng)數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)底板層、支撐平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層[3]；“兩體系”為數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系、信息安全與運(yùn)行保障體系。

（1）水網(wǎng)數(shù)據(jù)層。將水物理網(wǎng)、水信息網(wǎng)、水管理網(wǎng)結(jié)合形成三網(wǎng)合一的水網(wǎng)全要素信息系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，采集匯總工程運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)到的相關(guān)的水網(wǎng)信息。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括工程的規(guī)模等級(jí)、設(shè)備等；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括水工情、視頻監(jiān)控等；調(diào)度數(shù)據(jù)包括調(diào)度指令、調(diào)度方案、調(diào)度結(jié)果等。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層。采用光纖、水利專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，利用私有云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及水利專業(yè)模型和智能分析模型的計(jì)算。

（3）數(shù)據(jù)底板層。擬定數(shù)字工程數(shù)據(jù)資源目錄，制定數(shù)據(jù)資源管理規(guī)范，聯(lián)合已建的雨水工情等數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步按照標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，管理物理實(shí)體樞紐相關(guān)的數(shù)字信息，并形成更新共享機(jī)制。

（4）支撐平臺(tái)層。利用工程調(diào)度水利模型和統(tǒng)計(jì)分析、評(píng)價(jià)優(yōu)選、智能推送等算法賦能區(qū)域的數(shù)據(jù)底板，提出閘泵調(diào)度相關(guān)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的智慧化解決方案。結(jié)合三維建模、仿真模擬等可視化技術(shù)，呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染和三維可視化，形成物理水利工程的智慧孿生體，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生工程和物理實(shí)體工程的實(shí)時(shí)同步仿真運(yùn)行。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。基于數(shù)字孿生水網(wǎng)，構(gòu)建水利工程監(jiān)測(cè)、調(diào)度、維護(hù)應(yīng)用等模塊。其中，監(jiān)測(cè)模塊匯集展示實(shí)時(shí)水情、工情、視頻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)水利工程的全方位監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供服務(wù)；調(diào)度模塊包括下達(dá)匯總調(diào)度指令、調(diào)度方案和調(diào)度結(jié)果等功能；維護(hù)模塊主要通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)主要機(jī)電設(shè)備的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程基礎(chǔ)信息、巡查信息、維修信息等的管控，以保障水利工程可用，為調(diào)水、防汛提供基本支撐。

1.2 數(shù)據(jù)底板

數(shù)據(jù)底板作為智慧水利的算據(jù)，是基于“水利一張圖”，經(jīng)過完善時(shí)空多尺度數(shù)據(jù)映射，具備三維演示、計(jì)算分析、數(shù)據(jù)融合、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景等功能，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集、二三維一體化、跨層級(jí)、跨業(yè)務(wù)的智慧水利數(shù)據(jù)底板，實(shí)現(xiàn)水利全要素的數(shù)字化映射。

數(shù)據(jù)底板主要包括工程范圍內(nèi)的建筑物BIM模型、工程相關(guān)圖紙、工程范圍內(nèi)的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量DSM數(shù)據(jù)和水下地形模型等。

1.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字孿生靜態(tài)化場(chǎng)景建立與動(dòng)態(tài)化場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵[4]，它通過建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺(tái)，滿足從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理到管理的全面應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)監(jiān)管、集中管控和維護(hù)運(yùn)行，具備穩(wěn)定、靈活、可用和擴(kuò)展性的功能支持。其主要采集數(shù)據(jù)包括水情、工情、視頻監(jiān)視、氣象臺(tái)風(fēng)路徑等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集平臺(tái)

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、水利工程數(shù)據(jù)庫(kù)及地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，目的是將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、歷史收集資料及項(xiàng)目建設(shè)管理過程中收集的水利工程、地理空間等數(shù)據(jù)進(jìn)行整編。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存采集設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存工程運(yùn)行調(diào)度、水情、工情歷史數(shù)據(jù)；水利工程數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存水利工程基礎(chǔ)信息；地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存河道河網(wǎng)及水利工程的地理空間信息。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的核心數(shù)據(jù)，主要包括以下4個(gè)方面的數(shù)據(jù)。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括地理信息、區(qū)域區(qū)劃數(shù)據(jù)等，區(qū)域內(nèi)部各設(shè)備（如控制柜、機(jī)組、發(fā)電機(jī)等）管理信息數(shù)據(jù)。

（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。包括模型數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等。

（3）數(shù)據(jù)圖層。數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系，按照分圖層提供，并且有相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提供方式為通用的空間數(shù)據(jù)格式。

（4）系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。用于系統(tǒng)自身管理、流程控制、事務(wù)記錄等方面的數(shù)據(jù)，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維、監(jiān)控、管理。

2 數(shù)字孿生平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景

泵站數(shù)字孿生平臺(tái)的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型的信息交互，從由實(shí)到虛的鏡像再現(xiàn)到以虛控實(shí)的智能操控，可以不斷提高泵站運(yùn)維、管理工作的可視化水平和智慧化水平。該平臺(tái)主要有業(yè)務(wù)系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、移動(dòng)App系統(tǒng)和信息化展示系統(tǒng)。

2.1 業(yè)務(wù)系統(tǒng)

數(shù)字孿生建設(shè)的關(guān)鍵是業(yè)務(wù)系統(tǒng)，其主要用于數(shù)據(jù)底板建設(shè)成果的可視化展示和運(yùn)用。本工程以泵站范圍內(nèi)的三維地理空間信息數(shù)字化逼真表達(dá)為背景，以三維仿真的自動(dòng)化、智慧化與可視化技術(shù)為支撐，以實(shí)時(shí)核心要素信息為內(nèi)驅(qū)力，利用專業(yè)模型的模擬方法、優(yōu)化分析原理和大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)等，可初步實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的功能協(xié)調(diào)與綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用。

本工程業(yè)務(wù)系統(tǒng)以樞紐數(shù)字孿生平臺(tái)為基礎(chǔ)，綜合展示各感知設(shè)備信息，包括設(shè)備位置、功能、當(dāng)前狀態(tài)等，具備三維可視化全景展示、水情工情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)展示和運(yùn)行演示等功能，主要展示模塊包括孿生場(chǎng)景地圖、實(shí)時(shí)運(yùn)行工況、運(yùn)行模擬演示、特征站點(diǎn)水位等（如圖2—4 所示），可直觀展現(xiàn)工程各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，便于實(shí)時(shí)掌握工程全局情況。

圖4 視頻監(jiān)視信息化聯(lián)動(dòng)

2.2 智能巡檢系統(tǒng)

本工程中設(shè)備及建筑物檢查是日常重點(diǎn)管理工作之一，通過建立智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程日常檢查、定期檢查、特別檢查、工程隱患上報(bào)的管理，落實(shí)工程巡檢精細(xì)化管理要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提出解決方案，從而保證工程的正常安全運(yùn)行。該巡檢系統(tǒng)具有巡查線路、巡檢區(qū)域、巡檢類型（日常檢查、定期檢查、專項(xiàng)檢查）、巡檢任務(wù)確定和巡檢記錄、異常管理等多種功能，可助力維修養(yǎng)護(hù)管理工作更加規(guī)范化、精細(xì)化、程序化。智能巡檢系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 智能巡檢系統(tǒng)

2.3 移動(dòng)App系統(tǒng)

移動(dòng)App系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合了手機(jī)客戶端的App應(yīng)用和電腦端的Web 應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)多終端用戶的同步化管理和多類用戶綜合業(yè)務(wù)的一體化管理，同時(shí)基于移動(dòng)終端可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的基本信息、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻信息、預(yù)警信息以及運(yùn)行工況等的查詢[5]。移動(dòng)App系統(tǒng)頁(yè)面，如圖6所示。

圖6 移動(dòng)App系統(tǒng)頁(yè)面

2.4 信息化展示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)可視化是指將各類數(shù)據(jù)按照使用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)類型等通過可視化圖表（折線圖、餅狀圖、柱狀圖、離散圖等）方式進(jìn)行多維度的展示、分析，在一個(gè)頁(yè)面可對(duì)重要和必要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有層次感的展現(xiàn)和分析，可為值班人員、參觀人員等帶來更加準(zhǔn)確、震撼和清晰的體驗(yàn)。

以本工程為例，通過對(duì)接自動(dòng)化監(jiān)控采集的工控?cái)?shù)據(jù)，開發(fā)數(shù)據(jù)可視化頁(yè)面，如圖7所示。將泵站和水閘重要的運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)以可視化方式呈現(xiàn)在頁(yè)面中，并將可視化頁(yè)面投到監(jiān)控中心大屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)全局重要數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，輔助工程的運(yùn)行調(diào)度，為水利工程監(jiān)控提供更為震撼的展示效果。

圖7 工程數(shù)據(jù)可視化頁(yè)面

信息展示大屏主要可視化的信息不僅包括水位、閘門啟閉情況、機(jī)組開啟情況、流量等重要實(shí)時(shí)工情數(shù)據(jù)，而且包括水閘啟閉歷史次數(shù)、過閘流量、閘門啟閉頻率、機(jī)組運(yùn)行臺(tái)時(shí)、機(jī)組持續(xù)運(yùn)行時(shí)間、機(jī)組開啟次數(shù)等統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，并基于不同維度監(jiān)測(cè)分析本工程的運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化。

3 結(jié)語

本文基于數(shù)字孿生理念，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、BIM 技術(shù)、傳感器、RTU、PLC 等設(shè)備，搭建了泵站數(shù)字孿生平臺(tái)，將各種零散、割裂的信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，以實(shí)鏡虛，以虛控實(shí)，實(shí)現(xiàn)了泵站全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、物理空間與信息空間的實(shí)時(shí)交互、迭代優(yōu)化，改善了泵站現(xiàn)在的管理狀態(tài)，提高了泵站“四預(yù)”（預(yù)報(bào)-預(yù)警-預(yù)演-預(yù)案）能力，有效提升了泵站效能，為工程智慧化管理、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘等創(chuàng)造條件。