基于数字孪生的智慧环境厂站建设.pdf

-65-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期两星推荐智慧环境厂站实现数字孪生的需求 湿垃圾处理厂的智慧化现状得益于我国对环保行业投资的持续提升，公众环保意识增强，湿垃圾（厨余垃圾）处理比例提高，我国湿垃圾处理行业市场规模（以项目投资额统计）在过去五年间基本呈现持续上升态势。根据相关调查报告显示，我国湿垃圾处理行业市场规模将于 2023 年达到 4 000 亿元人民币。在政府的引导下，全国各地对湿垃圾处理设施的建设日益关注。在产业火热的背景下，也存在着一片蓝海，那就是湿垃圾处理项目的信息化。经过行业和项目调研，发现目前在建在运行的湿垃圾处理项目普遍存在重自控，轻信息化的情况。大部分厂内只有自控平台而没有信息化平台，缺乏有效的信息化管理和数据利用手段，导致管理沟通的效率降低、成本上升，普遍落后于其他类型的工业项目。在工业项目中普遍使用的 MES（生产执行系统）或 MIS（管理信息系统）软件完全没有针对湿垃圾处理行业的解决方案。这种行业现状偏离了目前两化融合（即工业化和信息化融合）的趋势，以及工业 4.0 旨在通过信息通信技术和物理信息模型相结合的手段向智能化转型的方向。数字孪生对于智慧厂站运维建设的价值“数字孪生”是用数字化的方法构建一个和现实湿垃圾处理厂的几乎相似的在数字世界里完全复制的一个具有技术体现的数字世界，通过这样的数字技术将湿垃圾的物理属性，化学属性统一将其进行分析，呈现在大屏上。基于 BIM 三维可视化平台，将现实与虚拟相结合，将算法，决策和数据结合到一起，形成模拟的虚拟映射世界。最终实现在生产过程中做到监控一体化，管理过程也得到了精细化的体现。数字孪生在智慧环境厂站中作为一个重要的技术和手段。这一方法是智慧环境厂站中湿垃圾处理行业者需要聚焦及解决的重要疑难问题。文中写到的基于“数字孪生”的智慧环境技术架构体系，并列举出“数字孪生”在智慧厂站运维中涉及的关键技术，结合具体的智慧环境厂站湿垃圾处理案例说明“数字孪生”技术在智慧厂站运维的巨大运用价值和意义。“数字孪生”智慧环境厂站技术体系 运维阶段 BIM 相关应用研究运维阶段模型技术标准研究行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于数字孪生的智慧环境厂站建设杨 慧杨 慧上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-66-两星推荐根据湿垃圾处理的项目特点，建立针对此类项目的运维阶段 BIM 模型和数据标准体系。由于运维模型在平台中的表达效果要求和表现深度要求与设计交付模型不同，因此需要规定 BIM 模型对象在智慧运维阶段的建模规范，以减少运维阶段修改反复的工作量，提高整体工作效率。此外，通过制定标准编码体系规范湿垃圾处理项目的静态数据（规格数据、空间数据、厂家数据、资产数据）和动态生产数据（维保数据、故障数据、巡检数据、监测数据）的定义规则，可减少数据后期录入的反复。多源异构数据处理关键技术研究由于 BIM 模型交付文件格式较多，模型对象数据来源复杂。因此需要分析研究湿垃圾处理项目 BIM 模型的数据汇聚与治理机制，打通模型数据标准化处理、建设阶段数据标准化传递的技术路线，实现湿垃圾处理项目BIM模型接入汇聚、数据清洗治理和数据综合管理的研究成果。计划通过对 Navisworks 的二次开发，可形成一套包含树结构层级提取、数据提取、数据写入等通用性模型数据处理的工具，形成标准化模型数据整合与输出的技术路线。构建一套 BIM 模型的编码（或资产编码）与自控上位机代码的映射体系，并通过编写工具实现标准化处理 BIM 与 SCADA串联融合的技术路线。目标通过以上自动化措施，将 BIM 模型与运维平台的数据对接工作量减少 60%以上。基于数据驱动的工艺运行大数据分析算法研究研究大数据集成管理系统，建立运营数据库。湿垃圾处理工程工艺复杂，涉及厌氧系统、沼气处理系统、污水处理系统、除臭系统、沼渣干化等多产线处理系统；数据多样，需满足包括园区大自控系统以及其他硬件设备数据的接入处理要求。本课题拟研究如何有效集成多源、异构、海量数据，并将其按时间、空间、系统层级结构等维度进行分类分项管理与可视化分析；在此基础上，拟建立同类型湿垃圾处理项目的工艺运营数据库，形成企业数字资产，实现数据互联互通。研究核心工艺产线的智能分析算法，建立基于大数据的历史数据分析与趋势预测模型。关键参数提炼与分析。本项目拟利用数模算法模型，进一步挖掘湿垃圾处理项目的历史运行数据，深入梳理物联数据与厂区总体产能、产率、效益等数据的关联关系，通过对各工艺产线数据链的全过程分析，建立关键影响因子筛选机制，根据不同工艺特点提炼关键影响参数，利用智能算法发挥大数据的优势与价值。产线工艺设计及仿真。本项目拟利用 BIM 数模映射、仿真算法模拟等技术手段，对各生产系统中的关键要素进行建模仿真，形成基于 BIM 模型的优化方案设计和数据管理模式，对产线处理效果、设备健康状态、能源产能效率等业务数据进行价值分析，并实现多维可视化展示及模拟，利用数字化手段帮助企业验证、优化、评估工艺方案的可靠性。运行趋势分析与预测。本项目拟研究基于数据采集与挖掘结果，运用多元线性回归法、BP 神经网络算法、遗传算法、动态与静态算法模型等技术手段，建立如沼气生产量、厌氧碳排放量等产线关键 KPI 的运行曲线分析与趋势预测，依靠实际产线数据、BIM 应用数据及算法模型数据积累的规则、机制，对核心算法模型进行虚实映射及迭代优化，辅助用户全面掌控数据变化态势、深度挖掘运行数据的时空特征及变化规律；形成基于动态数据的补偿调整机制、拐点分析机制以及异常预警机制，最大程度发挥工艺产线的设计运行能力。研究大数据分析与人工经验串并分析机制，提供基于算法驱动与专家经验库的智慧决策方案。由于湿垃圾处理项目中产线关联紧密，设备设施多样，运营管理中实现产线故障的快速解决至关重要。本项目拟在数据采集、数据挖掘及分析预测算法的基础上，引入行业技术专家与管理人员对关键故障问题的经验解决方案，通过故障工况的参数关联，形成湿垃圾处理领域工艺运行的专家经验库，形成人工运行经验与机器算法相结合的智能工况预测与健康诊断方案，集合行业经验与大数据分析优势，为生产和管理人员提供快速、明确、有效的辅助决策建议；同时，通过记录实际解决方案与智能算法结果的差异，对智能算法图 1-67-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期两星推荐进行自适应优化与训练迭代，提供更为科学精准的智慧解决方案，帮助现代化湿垃圾处理企业真正实现智能化柔性生产。智慧运维平台系统建设研究智慧运维需求分析围绕湿垃圾处置项目智慧运维的纵向与横向开展调研分析工作，进一步融合先进的信息化、数字化、智能化技术，深入挖掘湿垃圾处置项目的智慧运维需求和应用场景，打造一体协同、安全高效、绿色节能的湿垃圾处置项目智慧运维体系，最终形成总院是垃圾处理行业智慧平台的标准化体系化文件，为软件的后续研发，升级和产品化打下基础。需求分析将从行业和运维体系两个层面开展工作：纵向层面，拟针对国内湿垃圾处置项目开展调研，调研当前国内较为先进的餐厨、厨余垃圾处理厂站的运维模式。调研湿垃圾预处理、提油、厌氧消化、废水处理等全过程的工艺流程和管理手段；调研垃圾收运、工艺运行、生产排班、设备资产、HSE 管控、厂区管理、资源管理等的业务流程、数据共享传递流程；调研厂站内现有的工业自控系统、信息化系统、物联传感设备的软硬件建设现状。横向层面，拟对房建、路桥、水务、环境、化工、能源等不同工程类型中典型项目的智慧运维体系开展调研。主要调研各自智慧运维的需求、标准体系、系统功能设计、技术架构、平台系统开发和应用、技术创新体系、技术经济价值等，并综合比较分析各项目差异，针对不足提出拟解决方案，将各自优势进行模块化集成。平台技术架构建设开展平台技术架构研究，构建一个统一的开发平台进行智慧运维功能开发和集成应用。平台应选择先进、成熟的技术路线和架构，兼顾目前主流应用现状；平台应具备灵活性，能够灵活、快速、高效地构建适应不同类型、不同管理流程的功能模块。业务应用功能需求组织管理要求包括部门组织机构及信息的列表增删编辑功能。用户管理要求包括用户列表增删改查、用户所属组织的添加和修改、批量导入、用户停启用、用户密码重置和用户组管理。角色权限管理要求包括角色管理、操作权限管理和角色关联批量用户和用户组。设备管理设备看板要求结合 BIM 模型和 SCADA 系统数据，对设备资产信息、运行状态、运行数据等信息进行可视化展示，支持查看全厂主要设备的运行KPI、生产报警、视频监控等各项信息。设备台账要求显示全部的设备清单，包括单个设备的 BIM 模型，设备基本信息，设备运行信息，设备历史信息，支持查看、新增、编辑、删除以及查询导出。设备巡检要求包括巡检计划和巡检工单，支持巡检点管理新增、编辑和删除，巡检计划的增删、编辑、查询以及下达，巡检工单的新增、编辑、查看和处理。保养管理要求包括保养计划和保养工单，支持保养任务管理新增、编辑和删除，保养计划的增删、编辑、查询以及下达，保养工单的新增、编辑、查看和处理。维修管理要求包括定修计划和维修工单，支持定修计划的增删、编辑、查询以及下达，急修工单的新增、编辑、查看和处理，要求急修工单与巡检、保养、故障关联统一。故障管理要求包括故障知识库、故障自动判定、故障管理功能，支持创建故障知识库、预设故障判定条件以及展示设备自动监控报警信息。设备监测要求与 SCADA 系统进行对接，集成 BIM 设备模型资产信息、运行状态、运行数据等信息并进行可视化图表展示，支持实时故障和报警的定位提醒。生产管理生产看板要求结合 SCADA 系统数据，实现生产运行曲线展示、智能监控、报警管理等功能，要求展示各生产工艺段的工艺图 2中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-68-两星推荐流程及物料平衡关系，支持查看全厂或按工艺段进行筛选的运行 KPI、主要设备信息、生产报警、视频监控等各项信息。生产检查要求包括生产巡检计划和巡检工单，要求支持 SOP 标准化检查流程配置，实现生产巡检计划的新增、编辑和详情展示，生产巡检工单的新增、下达、查看和处理等。排班管理要求实现班组管理功能，包括班组的设定、班组人员的配置、班组内角色轮换、班次方案的增删编辑功能；实现排班计划的配置和导入功能。报警管理要求对接 SCADA 系统数据，实现生产过程中设备的实时报警功能，支持报警信息的查询、展示，支持根据报警级别定制化配置不同的消警流程和审批程序，支持将报警与故障维修业务关联，实现报警消警的全过程跟踪与闭环。安全管理要求包括安全监控、安全报警、安全检查、风险源管理、安全作业和安全应急功能，支持列表查询，详情查看，新增，编辑和删除功能。系统管理基础数据管理要求包括区域信息管理、工艺段管理、测点管理和报警设置、设施目录树和属性字段管理。SOP 标准化作业流程配置要求包括 SOP 库、巡检配置、保养配置，建立作业规范的目录树，支持对巡检路线、巡检内容、巡检人进行配置，支持对保养内容进行配置。工作流配置要求包括审批流程列表、新增、编辑和配置，审批角色和人员配置以及审批表单配置。工单配置要求包括工单模板管理，支持工单配置、测点数据关联、设置字段规则和计算逻辑。移动端移动应用作为重要的现场操作工具，可帮助现场作业人员进行随时随地进行移动端操作和业务处理，也方便管理人员及时了解厂区运行情况，查看相关数据和资料。因此需重视智慧运营平台配套的移动端的开发需求。功能要求包含但不限于如下：通讯录要求包括搜索、添加以及备份的功能。消息要求包括未读消息、已读消息和全部消息，支持查看和编辑功能。任务中心要求包括待我处理、已处理的、我发起的、抄送我的和全部任务，支持查询、查看以及编辑功能。工作台要求包括设备台账、巡检管理、保养管理、故障管理、维修管理的统一工作台，可直接点击进入相应的页面，统一管理。设备台账要求显示全部的设备清单，支持设备查询与详情展示，支持查看设备的基本信息、设备运行信息、历史生产信息等。巡检管理要求包括巡检计划和巡检工单，巡检标准化SOP查看，并依据 SOP 进行点检、巡检等操作；巡检结果录入和审核、巡检结果查询、巡检数据的统计展示。保养管理要求包括保养计划与保养工单，支持对保养计划进行查看与配置，保养标准化 SOP 查看，并依据 SOP 内容进行现场保养和填报，支持在保养过程中发起故障维修。故障管理要求包括故障维修的记录和故障信息的统计展示，支持相关信息的移动端查询与展示。维修管理要求包括定修计划与维修工单，支持定修计划的新增、编辑、下达和关闭，维修工单查看、处理、审核，支持相关流程的移动端录入、处理、查询、展示等功能。总结与展望基于“数字孪生”的智慧环境厂站建立了智慧化的湿垃圾处理系统，可充分利用我院在工艺技术和数字化方面的行业优势，结合软件信息化手段，打造具备行业壁垒优势的平台产品。在此基础上充分利用行业信息化的空窗期，借助湿垃圾处理主体项目的推进加快市场布局。