楊傳麟

(上海西派埃智能化系統(tǒng)有限公司,上海 200233)

0 引言

在當(dāng)前數(shù)字化驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，數(shù)字孿生技術(shù)作為先進(jìn)、高效的數(shù)字化工具在智能制造領(lǐng)域已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用。水廠的日常運(yùn)管也在借鑒智能制造領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和理念，尋求管理上的創(chuàng)新和突破。

數(shù)字孿生結(jié)合了三維建模、數(shù)學(xué)建模、信息集成和人機(jī)交互等技術(shù)，在虛擬三維場(chǎng)景中對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行數(shù)字化投影[1]。數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景包括對(duì)歷史情況的追溯、現(xiàn)實(shí)情況的投射乃至未來(lái)及假定情況的仿真，并且借助信息化和人機(jī)交互技術(shù)提供不同于傳統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用和展示手段[2]。

數(shù)字孿生已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別在制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造等方面有很多成熟的應(yīng)用案例。隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)和應(yīng)用的崛起，BIM技術(shù)為數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)字基礎(chǔ)。因此，越來(lái)越多的行業(yè)領(lǐng)域也將關(guān)注點(diǎn)聚焦到了數(shù)字孿生[3-4]。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含了描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象(如空間、運(yùn)動(dòng)行為等)的狀態(tài)信息。基于BIM打造的數(shù)字孿生不僅可以應(yīng)用在設(shè)計(jì)中，還可以應(yīng)用在工程建設(shè)乃至后期運(yùn)維的項(xiàng)目全生命周期中。

目前，數(shù)字孿生在水行業(yè)的應(yīng)用較少。數(shù)字孿生的早期應(yīng)用主要集中在基于核心工藝段的三維場(chǎng)景工藝仿真教學(xué)培訓(xùn)等,自BIM技術(shù)融合之后逐漸出現(xiàn)較為完整的、基于全廠三維場(chǎng)景及多系統(tǒng)集成的數(shù)字孿生水廠案例。為了進(jìn)一步提升數(shù)字孿生系統(tǒng)的使用價(jià)值并發(fā)揮孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文以一典型自來(lái)水廠為研究對(duì)象，研究數(shù)字孿生系統(tǒng)如何在傳統(tǒng)水廠的基礎(chǔ)條件下，針對(duì)核心運(yùn)管內(nèi)容，在生產(chǎn)管控、設(shè)備管理和安全生產(chǎn)等方面的應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃及具體實(shí)現(xiàn)。該水廠已運(yùn)行多年，自動(dòng)化和信息化水平在行業(yè)內(nèi)具有普遍代表性。研究過程充分借鑒數(shù)字孿生系統(tǒng)在數(shù)字化工廠中的成功應(yīng)用案例[5]。

1 規(guī)劃和設(shè)計(jì)

水廠屬于社會(huì)保障型企業(yè)，為居民提供日常飲用水，所以生產(chǎn)穩(wěn)定性和生產(chǎn)環(huán)境的安全性至關(guān)重要。水廠的日常監(jiān)管主要為三方面：制水過程監(jiān)控；生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施日常運(yùn)維保障；安全生產(chǎn)管理。

水廠常規(guī)配置系統(tǒng)包括：自動(dòng)化控制系統(tǒng)用于制水過程監(jiān)控；建立設(shè)備一機(jī)一卡臺(tái)賬輔助設(shè)備、設(shè)施運(yùn)維；視頻及周界安防系統(tǒng)用于安全生產(chǎn)管理[6]。

結(jié)合以上三大方面監(jiān)管需求，以及數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文規(guī)劃了數(shù)字孿生系統(tǒng)五大功能板塊。 數(shù)字孿生系統(tǒng)五大功能板塊如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)五大功能板塊

1.1 數(shù)字水廠

數(shù)字水廠作為數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)，采用現(xiàn)場(chǎng)激光掃描、拍照和查閱圖紙等技術(shù)，完成水廠內(nèi)設(shè)施及重點(diǎn)構(gòu)筑物的三維建模和渲染等基礎(chǔ)工作。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字水廠模塊提供以下功能。

①數(shù)字水廠模塊提供對(duì)水廠內(nèi)設(shè)施及重點(diǎn)構(gòu)筑物的全方位展示，支持用戶使用鼠標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放等操作。

②用戶通過點(diǎn)擊構(gòu)筑物，可以對(duì)構(gòu)筑物內(nèi)部進(jìn)行單體細(xì)致瀏覽。

③系統(tǒng)提供構(gòu)筑物的詳細(xì)信息，包括長(zhǎng)、寬、高和建材等。

④用戶通過點(diǎn)擊設(shè)備，可以查看設(shè)備的詳細(xì)信息，包括臺(tái)賬、當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)維記錄等。

⑤為了使用戶在龐大的三維虛擬場(chǎng)景中快速、直觀地掌握廠內(nèi)生產(chǎn)運(yùn)行情況，系統(tǒng)實(shí)時(shí)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，并根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)設(shè)備外觀進(jìn)行不同顏色的邊框繪制，從而反映實(shí)際運(yùn)行情況。

以上信息來(lái)自上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及廠內(nèi)設(shè)備管理系統(tǒng)的對(duì)接。

1.2 漫游導(dǎo)覽

孿生系統(tǒng)提供用戶沉浸式全景漫游和水廠介紹導(dǎo)航兩大功能。

①全景漫游。用戶通過鍵盤或者手柄操作虛擬任務(wù)，可以在水廠場(chǎng)景中進(jìn)行仿真走動(dòng)漫游。通過該方式，用戶可以進(jìn)行池面、泵房、配電間及加藥間的瀏覽，并且在靠近設(shè)備時(shí)會(huì)收到設(shè)備自動(dòng)彈出的關(guān)鍵信息。

②介紹導(dǎo)航。系統(tǒng)播放預(yù)設(shè)線路和介紹語(yǔ)言的參觀路線，主要用于向參觀者介紹水廠情況。

1.3 廠內(nèi)管線

根據(jù)管線的不同用途，如水管、氣管、藥管和電力管線等，數(shù)字孿生系統(tǒng)在管線專題場(chǎng)景中用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，并可按照分類控制對(duì)應(yīng)管線的顯示與隱藏。同時(shí)，為了便于展示和介紹，系統(tǒng)在鼠標(biāo)移動(dòng)到管線上方時(shí)增加動(dòng)態(tài)箭頭效果，展現(xiàn)管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)方向。管線顏色的選擇遵循現(xiàn)場(chǎng)顏色標(biāo)識(shí)規(guī)范。為了獲得更加直觀、明晰的展現(xiàn)效果，該設(shè)計(jì)中對(duì)場(chǎng)景中的地面和墻面進(jìn)行透明處理。

1.4 工藝巡檢

工藝巡檢以廠內(nèi)工藝構(gòu)筑單體為單元進(jìn)行虛擬環(huán)境中的巡檢。系統(tǒng)在每個(gè)工藝構(gòu)筑單體中根據(jù)預(yù)設(shè)的點(diǎn)位供用戶漫游，并在關(guān)鍵區(qū)域展示所在區(qū)域的各類數(shù)據(jù)，包括重要的儀器儀表數(shù)據(jù)、設(shè)備臺(tái)賬及實(shí)時(shí)運(yùn)行情況等；同時(shí)，結(jié)合與安防視頻的接口，系統(tǒng)自動(dòng)顯示所在位置的攝像頭視頻信息，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的效果。在虛擬場(chǎng)景中，當(dāng)用戶選中重要的提升泵組，則在信息平臺(tái)和安防系統(tǒng)中與之關(guān)聯(lián)的信號(hào)點(diǎn)位和監(jiān)控視頻會(huì)同步展示。

1.5 安防視頻

在三維虛擬場(chǎng)景中，系統(tǒng)除了展現(xiàn)構(gòu)筑物和重要設(shè)備之外，也對(duì)視頻攝像頭在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行展現(xiàn)，并使用戶實(shí)時(shí)獲取視頻圖像流。通過攝像頭的引入起到了虛實(shí)結(jié)合的效果，大大拉近了系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的距離。同時(shí)，攝像頭與視角范圍內(nèi)的重要設(shè)備和關(guān)鍵安全區(qū)域相關(guān)聯(lián)，起到了針對(duì)性的聯(lián)動(dòng)和互動(dòng)的效果。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確、時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)是確保系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值的前提。數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的建立包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)編制和數(shù)據(jù)收集三部分。

2.1.1 數(shù)據(jù)分類

廠內(nèi)的管理需要將數(shù)據(jù)分成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩大類。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括廠內(nèi)構(gòu)筑物、管線、設(shè)備臺(tái)賬和設(shè)備安裝位置等相對(duì)固定的信息。這些信息是構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的基礎(chǔ)信息。動(dòng)態(tài)信息主要指生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備維護(hù)和安全生產(chǎn)管理過程中的數(shù)據(jù)。核心內(nèi)容包括設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、儀器儀表的采集數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻圖像以及設(shè)備運(yùn)維過程中記錄的數(shù)據(jù)。以上信息的完整性直接影響后續(xù)應(yīng)用場(chǎng)景功能規(guī)劃所涉及的內(nèi)容。

2.1.2 數(shù)據(jù)編制

從數(shù)據(jù)分類可以看到有很多的數(shù)據(jù)來(lái)源，甚至有多媒體數(shù)據(jù)。為了更好地滿足系統(tǒng)使用時(shí)的信息綜合檢索需求，要避免數(shù)據(jù)孤島的出現(xiàn)。這就必須在數(shù)據(jù)機(jī)制運(yùn)作之前完成不同數(shù)據(jù)之間關(guān)系的梳理。主要內(nèi)容包括編碼規(guī)則的統(tǒng)一、不同系統(tǒng)之間編碼的統(tǒng)一、不同來(lái)源之間相互關(guān)系的匹配等。

廠內(nèi)已經(jīng)存在生產(chǎn)自控系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)均有自己的編碼規(guī)則。而數(shù)字孿生系統(tǒng)需要與各系統(tǒng)都產(chǎn)生基于編碼的信息檢索。綜合分析之后，本設(shè)計(jì)以生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)為編碼體系的核心，并由其完成其余系統(tǒng)編碼的匯總和對(duì)應(yīng)關(guān)系的編織，為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供唯一的編碼目錄。例如，自控系統(tǒng)定義了一系列信號(hào)點(diǎn)，但是僅通過信號(hào)點(diǎn)的定義信息無(wú)法獲得其與對(duì)應(yīng)設(shè)備之間的從屬關(guān)系。因此，需要建立信號(hào)點(diǎn)與設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，通過規(guī)范化的編碼以及編碼之間的關(guān)聯(lián)建立信息線索。所定義的編碼表和梳理的信息線索會(huì)貫穿落實(shí)到所有相關(guān)的系統(tǒng)中，如生產(chǎn)自控、同界安防和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等。

通過數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的建立，數(shù)字孿生系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)(如自動(dòng)化控制系統(tǒng)等)在數(shù)據(jù)描述和定義方面達(dá)到了全局一致且規(guī)范的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了從某一維度數(shù)據(jù)可以快速檢索其余維度關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的效果。

2.1.3 數(shù)據(jù)收集

在確定了數(shù)據(jù)內(nèi)容和來(lái)源之后，系統(tǒng)需要針對(duì)各來(lái)源和內(nèi)容確定數(shù)據(jù)收集方式。數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)分類及來(lái)源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分類及來(lái)源

2.2 系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施

根據(jù)以上分析和規(guī)劃，數(shù)字孿生系統(tǒng)并非一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，而是水廠自動(dòng)化和信息化達(dá)到一定水平之后的綜合產(chǎn)物?；A(chǔ)系統(tǒng)的缺失或者功能不完善都將使數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值受到影響。數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)于基礎(chǔ)系統(tǒng)完整性、功能和接口都提出了必要的標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)系統(tǒng)的完善與升級(jí)也將為數(shù)字孿生系統(tǒng)的進(jìn)一步提升提供可能性。結(jié)合廠內(nèi)常規(guī)系統(tǒng)配置，數(shù)字孿生對(duì)接三大數(shù)據(jù)源如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生對(duì)接三大數(shù)據(jù)源

數(shù)字孿生平臺(tái)與三大數(shù)據(jù)來(lái)源對(duì)接過程中涉及的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如下。

①生產(chǎn)自控。

孿生系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、快速地獲取生產(chǎn)自控系統(tǒng)中的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)與報(bào)警信息?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)自控系統(tǒng)采用了通信服務(wù)器(input output server，I/O Server)、客戶端、工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的模式。自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流拓?fù)浼皵?shù)字孿生數(shù)據(jù)流向如圖3 所示。

圖3 自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流拓?fù)浼皵?shù)字孿生數(shù)據(jù)流向

由圖3 可知，I/O Server承擔(dān)與現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)或分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)等與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)或遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit，RTU)之間的通信，可以向客戶端或者工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供所獲取的數(shù)據(jù)。雖然圖3中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為數(shù)據(jù)獲取的切入點(diǎn)，但是綜合考慮數(shù)據(jù)的完整性、通信的穩(wěn)定性以及對(duì)工業(yè)控制環(huán)境影響最小等因素，技術(shù)上選擇從工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)。

從工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)采用了從應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)和從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)直接查詢相結(jié)合的方式。兩種數(shù)據(jù)獲取方式各有特點(diǎn)，可以滿足不同特征的數(shù)據(jù)需求。對(duì)于少量高頻數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)采用API的方式。對(duì)于大量低頻數(shù)據(jù)的采集，采用系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)直接查詢的方式[7]。

②視頻及周界安防。

獲取視頻流的方式一般為從攝像頭直接獲取或者從硬盤錄像機(jī)獲取。從攝像頭獲取需要與每個(gè)攝像頭建立界面，對(duì)于獲取端來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)開銷大、配置復(fù)雜，在跨網(wǎng)段的情況下甚至需要在各個(gè)攝像頭上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，可操作性差。相對(duì)而言，從硬盤錄像機(jī)獲取視頻流可以大大簡(jiǎn)化操作。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的深入調(diào)研，現(xiàn)場(chǎng)配置有綜合安防平臺(tái)。該平臺(tái)在構(gòu)架上處于網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)(nnetwork video recorder，NVR)的上層，可以同時(shí)鏈接和管理多個(gè)NVR，甚至直接鏈接和管理攝像頭。這就進(jìn)一步簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)拓?fù)涞膹?fù)雜性。安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)流拓?fù)浼皵?shù)字孿生數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)流拓?fù)浼皵?shù)字孿生數(shù)據(jù)流向

因此，在技術(shù)上可直接通過流媒體協(xié)議與綜合安防平臺(tái)對(duì)接獲取視頻圖像數(shù)據(jù)。目前常用的流媒體協(xié)議包括實(shí)時(shí)流協(xié)議(real-time stream protocol，RTSP)和基于超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol,HTTP)的自適應(yīng)碼率流媒體傳輸協(xié)議(HTTP live streaming，HLS)等?？紤]到協(xié)議普適性，主要采用RTSP協(xié)議獲取流媒體數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶在三維場(chǎng)景點(diǎn)擊攝像頭對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)首先查詢配置信息，確定攝像頭在綜合安防平臺(tái)中的通道編碼；然后將編碼作為請(qǐng)求參數(shù)，完成對(duì)RTSP流媒體地址的拼接，類似rtsp://10.10.10.125:9090/dss/monitor/param?cameraid=1000068%240&substream=1[8]，并以此地址向綜合安防平臺(tái)獲取視頻圖像流。

③生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)除了作為設(shè)備臺(tái)賬和運(yùn)維的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源之外，在系統(tǒng)定位中還起到了十分重要的數(shù)據(jù)樞紐的作用。數(shù)字孿生系統(tǒng)并不直接與生產(chǎn)控制和視頻及周界安防系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，所有的數(shù)據(jù)交互均以生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)為中間代理進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)可以使得現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性對(duì)數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)透明，只要在約定的接口條件下數(shù)字孿生系統(tǒng)即可運(yùn)行，確保了數(shù)字孿生系統(tǒng)的可復(fù)用性和可推廣性。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)與數(shù)字孿生之間采用了如消息隊(duì)列、WebSocket[9]等技術(shù)進(jìn)行通信。

典型應(yīng)用場(chǎng)景如下：用戶在三維場(chǎng)景中點(diǎn)擊設(shè)備；數(shù)字孿生系統(tǒng)通過與生產(chǎn)運(yùn)管平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)接口獲取設(shè)備的基礎(chǔ)臺(tái)賬信息(如生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號(hào)等)、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)(如開停機(jī)狀態(tài)、電流、電壓和頻率等)。以上場(chǎng)景的數(shù)據(jù)獲取基于用戶交互點(diǎn)擊的形式觸發(fā)，因此采用HTTP請(qǐng)求接口的方式獲可得最佳性能效果。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合水廠數(shù)字化升級(jí)轉(zhuǎn)型的需求，研究了針對(duì)水廠日常運(yùn)管內(nèi)容，構(gòu)建多應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)字孿生系統(tǒng)。本文在研究過程中使用了數(shù)據(jù)規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)編程、流媒體等技術(shù)，最終完成了水廠數(shù)字孿生系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)布署。水廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的投用，給基層操作人員和管理人員都提供了新的生產(chǎn)工具。各基礎(chǔ)系統(tǒng)在應(yīng)用層面得到了高效整合，提高了人員的監(jiān)管效率以及異常情況下相關(guān)信息的追溯便捷性。本次研究完成了水廠數(shù)字孿生應(yīng)用的初步探索，下一步將在此基礎(chǔ)上，針對(duì)廠內(nèi)更多系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)和完善，如人員定位、工藝仿真和自動(dòng)化產(chǎn)線等，進(jìn)一步提升數(shù)字孿生系統(tǒng)的管理能力[10]。