专家报告 | 李柱：数字孪生技术在上海南市水厂数字化转型中的应用实践

2023年6月5日，2023数字水务创新论坛在上海国家会展中心洲际酒店成功举办，论坛聚焦国内外数字水务的发展与转型路径，致力于促进国际间、行业内数字水务建设的技术和经验交流，推动水务行业数字化转型与智慧化发展。

英国皇家工程院院士、中国工程院院士、哈工大教授等众多行业知名专家、领军水务企业数字水务建设负责人作主题分享，给行业同仁们在数字水务建设中提供了新思路，获得大家的一致好评，纷纷想要演讲视频回顾及干货总结，水务加现将专家演讲内容整理成系列文章，分享给大家。

本期为大家带来的是：

报告题目

数字孪生技术在上海城投水务南市水厂数字化转型中应用实践

报告人：上海城投水务（集团）有限公司制水分公司副总经理李柱

点击查看视频（李柱因故未到场，由杨澜代为汇报）

以下为本期演讲内容分享：

南市水厂始建于1902年，目前已有百年历史，是上海内地第一家自来水厂。2009年，南市水厂完成深度处理改造，并为上海世博会提供直饮水。2019年，南市水厂开启数字化转型新篇章，成为上海水务行业中首家数字水厂。

一、智慧水厂愿景畅想

受到中华传统文化的启发，南市水厂将智慧水厂的整体架构分为道、法、术、器四个层次，即指导思想、实施路径、技术和工具。

智慧水厂愿景畅想

道——核心思想和本质规律

智慧水厂的愿景包括：运有道、治未然、知往来、探玄境。

运有道：智慧水厂是生生不息的有机生命体，无论遇到什么变化都能永恒不息的运行。

治未然：智慧水厂能够实现对生产运行风险的提前预知，对软硬件设备进行提前的诊断和故障修复。

知往来：智慧水厂能够对过去的数据进行分析并预测未来的数据。

探玄境：智慧水厂能够利用并充分发挥数字孪生等技术，进行各类的模拟仿真。

核心思想和本质规律

法——实现道的根本方法、战略

法是道的进一步细化，即质量卓越、管理精益、运营智慧和绿色低碳。

根本方法战略

术——具体的行为、方式（领先实践指标）

术是法的进一步细化，包括22个领先实践指标，有助于智慧水厂的落实。

领先实践目标

器——工具（典型十大应用场景）

器是指智慧水厂的典型的十大应用场景，具体地描绘南市水厂对智慧水厂的理解。

典型十大应用场景

二、数字孪生技术初探

关于数字孪生技术由来已久，1990年科学家钱学森提出了“灵境技术”与西方的数字孪生技术同为一体。

南市水厂构建了数字孪生虚拟水厂，数字孪生虚拟水厂与现实水厂基于大量的传感器和数据点来进行映射和交互，在设备情况、水质情况等方面完全与现实水厂同步。

目前，南市水厂正在打造制造执行平台——MES系统，MES系统和数字孪生虚拟水厂之间可以进行模型应用和流程交互，与现实水厂之间进行业务实施和生产操作的优化。三者以生产数据中心的数据来驱动发展。

数字孪生技术初探

三、数字水厂创建历程

2019年

上海城投水务集团开始规划建设黄浦供水示范区,打造一厂两站示范点，规划转型数字路线图，南市水厂是示范区中的唯一一家水厂

2020年

开始启动建设数字孪生水厂，构建数字孪生形态架构

2021年

基本建成数字孪生水厂，打造智慧水厂的数字底座，同时成功创建水平衡系统

2022年

南市水厂致力于开发水质模型，并创建了一部分典型应用场景

2023年

南市水厂持续推进数字化转型的相关项目

数字水厂创建历程

数字孪生与仿真平台包括数字孪生和仿真应用两大板块。数字孪生板块融合了水厂管理的相关业务，相比于传统的SCADA系统，数字孪生平台不仅能呈现生产数据与项目信息，还可以实现运行监视、生产保障、水质监控和安全管控等功能。

仿真应用板块包括调度仿真、检修仿真、预案仿真和控制仿真等功能，充分发挥了数字孪生平台提供的模拟仿真优势。

数字孪生与仿真平台开发的功能图

四、典型应用场景分享

（1）惟妙惟肖的数字化车间

南市水厂通过BIM建模、现场激光扫描、unity3D技术，结合底层大规模感知设备的数据传输打造一个虚拟的数字孪生水厂，实现与真实水厂之间的互操作性、可扩展性、实时性、保真性、闭环性，为智慧工厂建设打造数字底座。

南市水厂打造的数字水厂在形态上要“好像、能动”，在功能上要“能用、管用、好用”；平台的业务融合围绕“提质降本增效保安全”展开；水量模型、水质模型是数字化水厂的大脑和灵魂。

数字化车间

（2）当机立断的全自动水平衡系统

建立水平衡智能分析调度系统，能够自动接受压力指令，推送调度方案并执行，代替传统人工的调度方式，实现“按需供应、动态调整”；还可以对供水管网异常事件及时报警、瞬时调节，提高管网运行安全。南市水厂运行该系统后，供水水压和水量更加稳定。

全自动水平衡系统不仅包含供水量分析模型、泵组优化模型、水厂能力与负荷模型等内部模型，还包含机理和数理以及大数据分析中的神经网络等运算算法，才足以实现水平衡系统的正常运行。

全自动水平衡系统

（3）精工细作的无人化车间

南市水厂的无人化车间目前针对的是PAM作业，以机械臂为主，包括传送带等在内的自动化装置，实现PAM作业全过程自动化。同时，无人化车间与数字孪生仿真平台联动，通过数字孪生仿真平台可以实时观察到现实中的车间运行情况。

无人化车间

（4）争分夺秒的机器人团队

南市水厂的巡检机器人包括轨道式巡检机器人和轮式巡检机器人两种。其中，高配间的轨道式巡检机器人搭载了大量传感器用来测量配电间和配电柜中的局放、电流、电压等数据，并利用图像识别功能识别开关的信号；加氨间的轮式巡检机器人搭载了能够监测温度、湿度、以及气味的传感器，并利用图像识别功能读取指针类仪表的数据以及识别管道是否漏液。

机器人团队

（5）井然有序的安全管控

数字孪生平台融入了安全风险分级的管理体系，通过虚拟围栏结合人员定位实现不同等级区域管理，了解人员在此区域停留时间，如果有风险立即连接距离人员最近的摄像头了解其情况。

安全管控

（6）明察秋毫的健康诊断系统

在机泵驱动端/非驱动端XYZ向安装10套振动传感器和无线测温设备，通过振动频谱分析实时跟踪机泵状况，由专家分析评价机泵健康水平，并对接数字孪生平台水平衡模型及检修仿真。

健康诊断系统

（7）虚实互生的应急演练

南市水厂在数字孪生平台融入了安全事故应急预案编制导则理念，利用数字孪生平台进行应急演练的实战化。

应急演练

五、未来可期精彩可待

南市水厂将聚焦于建设水质模型、打造自动化实验室、智慧配电以及AR巡检。

未来方向

（1）水质模型将成为数字水厂的最强大脑

水质模型将成为数字水厂的大脑，南市水厂计划在水线和泥线都分别构建机理模型和数理模型；目前，南市水厂已经在混凝沉淀的环节，针对沉淀池的出水浊度、加药量建立了预测模型，相对误差在15%以内。同时，构建了自来水出厂管指标氨氮和余氯的预测模型，相对误差在10%以内。

预测模型

（2）自动化实验室将成为水质品控最新装备

自动化实验室建设思路：针对水厂原水18项、出厂水18项监测指标，将各个指标的自动化检测单元串联起来，通过先进的分样、预处理以及传输等设备，用流水线式的操作来实现全自动化检测，在保证水质检测质量的基础上，大幅度提高检测效率，有效控制生产，降低人力成本，减少人为误差，减轻管理工作。

（3）MR巡检技术将实现智慧水厂运维最好保障

MR巡检技术设想：1、手持式巡检装备配置；2、远程专家支持系统；3、知识图谱技术辅助决策；4、MES系统交互应用。

（4）智能配电将确保水厂安全运行最佳伙伴

智能配电建设设想：1、开发四大核心模块；2、选取示范点先行先试；3、对基础配电设备有序更新改造；4、实现与数字孪生平台的融合交互。

（5）MES系统将实现业务数字化转型最好平台

MES系统功能特点：1、围绕“人机料法环”五要素打造；2、上可对接ERP，下可联通SCADA系统，同时对接孪生平台，实现交互协同；3、实现区域化水厂的业务管控平台功能。

MES系统设计图

创评星级智慧水厂将成为南市水厂数字化转型最大动力

2022年底，中国城镇供水排水协会发布了《智慧水厂评价标准（征求意见稿)》，其中，智慧水厂的评价维度包括：基础设施、综合成效、智慧运营和创新特色四个方面，评价等级是从一星到五星共5个等级。

根据智慧水厂评价标准，南市水厂自评——未来的努力方向是提高综合成效部分指标、加强创新与特色、信息安全保障能力。

以上是南市水厂的整体建设情况以及下一步规划，希望本文能给各位水务同仁在数字孪生方面提供一些参考与借鉴。

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