数字孪生，给水厂装上“智慧大脑”

数字孪生技术背景

源于美国：数字孪生的概念最早由美国密歇根大学的Michael Grieves教授提出，2012年NASA给出了数字孪生的完整定义。

发轫于德国：2016年德国西门子尝试利用数字孪生体来完善工业4.0应用。

国内倡导：习近平总书记指出，世界经济数字化转型是大势所趋，数字化转型是我国经济社会未来发展的必由之路。数字孪生技术作为推动实现企业数字化转型和经济发展的重要抓手，已经在产品设计制造、工程建设等领域有较为深入的应用。

数字孪生水厂未来已来

水务行业是重资产高能耗低回报率行业，在做到节能降耗的同时提高运营效率是水务行业一直在追求的目标。国内一些企业已经进行了尝试和探索，数字孪生水厂顺势而生。

本文将结合衍之道(江苏)科技有限公司在华衍水务的实操案例展开做分享。

数字孪生水厂基础原理

数字孪生水厂是以实际水厂为蓝本，整合了水厂全方位数据，通过机理模型分析和大数据分析等方法，将水厂过去、现在和未来的状态进行了直观呈现和预测，并结合专家系统提出建议，为运营管理提供决策支持，并实现数字孪生水厂达到数字化、仿真、预测、诊断、实时优化控制、寻优决策和精准决策的目标。

数字孪生水厂

衍之道数字孪生水厂的三大特性

1、高精度仿真

基于数字孪生技术，将水厂建筑、设备、地下管线等“实体”进行1:1数字建模，真实还原厂区形状结构和位置关系。利用IoT物联网技术实时采集叠加水厂工艺、设备、人员相关数据，以虚拟数字化形式呈现水厂的实时运行状态。

2、与业务深度融合

数字孪生水厂与水厂业务管理有机融合，构建了工艺分析、水质全过程管控、能耗分析、巡检、设备维护、安防管理六大管理模块，实现水厂全业务与数字化深度融合。

3、数据模型驱动

基于水厂工艺大数据和设备运行大数据，利用人工智能模型，构建了水量预测、智慧节能、智能加药、工艺停留四大生产模型，以数据驱动业务管理，实现水厂全环节安全管控、全链条低碳运行，助力水厂节能降碳、减员增效，全年出厂水质稳定达标，可为实现精细化运营管理，提供了有力支撑。

数字孪生水厂的场景和应用

1、生产全过程水质监控管理

实时监控“进厂水→沉淀池→砂滤池→碳滤池→出水泵房”生产全过程。一旦发现浊度、余氯、PH、COD等指标异常，自动通过邮件或短信预警报警，自动发起工单及时处置，确保各环节水质可感可控。

数字孪生水质监测

2、设备预防性维护管理

对厂区设备、仪表进行全生命周期管理，可实时查看设备资产卡片、实时运行工况及维修保养记录。通过加装振动、温度、噪音传感器，基于数据趋势分析建立预防性维护策略，判断设备运行状态。发现异常趋势自动发起巡检工单，确保重要设备的安全稳定运行。通过建立数字孪生水厂设备预防性管理策略，年被动维修率下降了23%，有效提升了资产寿命，降低维护费用。

水厂设备实时数据

3、全方位的绿色节能运行

以水厂历史水量大数据为基础，结合天气情况、节假日等因素，采用LSTM人工智能算法，实现对供水区域未来24小时内每小时的需水量预测(平均偏差率≤2%)，基于水量预测的每小时预测结果，结合送水泵的定速/变频泵高效区、泵组健康状态，自动生成最优开泵方案，实现节能降碳运行，全年配水电单耗下降超过3%。

送水泵房节能方案

4、VR智能巡检

传统巡检模式是通过人工在水厂逐一查看设备数据，并手抄检查记录报表，工作强度大、效率较低、出错率高。针对传统水务巡检的痛点，量身打造了水务VR智能巡检系统，采用双目VR眼镜并结合5G技术来开展可视化巡检，帮助巡检人员及时了解设备状态、实时记录反馈和异常自动派发工单，并且实现了运用远程专家诊断系统帮助一线人员快速处理问题。

5、AR智能培训

数字孪生水厂教学平台是面向院校和水司构建的水厂业务在线教育培训云平台，通过自主漫游、工艺模拟等功能，让学员沉浸式感受水厂布局、工艺流程、构筑物大小、设备类型、管线设计，实现水厂业务的高质量教学培训。

平台在达到与真实智慧水厂实训效果的同时，避免了实训应用过程中的“三高”(高危险、高成本、高污染)与“四难”(难看到、难动作、难进入、难再现)问题。还可引入企业实际工作任务，设计教学项目，围绕智能水厂应用情景和核心技能点，进行专项实训教学，系统化培养复合型技能型人才。

结语

当前大环境的不确定性，加速了数字孪生技术在水务领域的应用。可以预见，未来几年，数字孪生水厂或将成为水务行业发展的新趋势。