數(shù)字孿生技術(shù)在水利設(shè)備全生命周期管理中的應(yīng)用

姜震宇，田 菁，郭殷奇，徐 晶，沈 佳

（1.上海迅翔水利工程有限公司，上海 201100；2.上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海 200080）

0 引言

液壓啟閉機(jī)是水利、水電工程運(yùn)行中的關(guān)鍵設(shè)備，能夠借助液體的壓力實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，有效控制閘門的開啟和關(guān)閉，液壓啟閉機(jī)因控制精準(zhǔn)、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中被廣泛使用[1]。但由于液壓啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、專業(yè)性較強(qiáng)、排故技術(shù)難度大，長期以來主要依靠運(yùn)維人員的管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備的養(yǎng)護(hù)和維修，保障水閘的安全運(yùn)行。

近年來，隨著新興科技與傳統(tǒng)水利融合發(fā)展，數(shù)字孿生作為新一代數(shù)字信息化技術(shù)，為水利工程設(shè)施設(shè)備的感知分析、健康管理、預(yù)測維修和安全運(yùn)行提供了新思路。該技術(shù)充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[2]。在液壓啟閉設(shè)備管理中，引入數(shù)字孿生技術(shù)，使運(yùn)行、維養(yǎng)和培訓(xùn)由實(shí)入虛，通過虛擬空間建模、仿真和演繹，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互，增強(qiáng)水利工程的信息全面感知能力、深度分析能力、科學(xué)決策能力和精準(zhǔn)執(zhí)行能力，提高智能化運(yùn)行管理水平。

1 工程背景

上海某泵站樞紐位于上海黃浦江西岸的淀浦河，是青松大控制片唯一的東排口門，也是目前已建成的集排澇、調(diào)水、水運(yùn)功能于一體的最大水利樞紐。泵閘由排澇泵站和節(jié)制閘組成，平面布置為“北泵+南閘”，排澇泵站設(shè)計流量90 m3/s，采用3 臺30 m3/s 斜式軸流泵，節(jié)制閘凈寬24 m（2 孔），采用潛孔式平面直升門，啟閉方式為液壓啟閉。

1.1 液壓啟閉系統(tǒng)構(gòu)成

泵站液壓系統(tǒng)含4 套油泵電機(jī)組和手動變量柱塞泵，其中兩套分別控制兩扇節(jié)制閘，一套用于泵站各控制閘門，一套單獨(dú)備用，以電機(jī)為動力源，電機(jī)帶動油泵輸出壓力油，通過油路集成塊、主路的電磁溢流閥和球閥、蝶閥控制來實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘與泵站拍門、快速閘門的啟閉。控制元件由電磁換向閥、電磁球閥、單向調(diào)速閥、節(jié)流閥的等閥件組成，通過16 根高壓出油管及總路2 路回油管路，連接6 個快速門油缸、6 個拍門油缸、4 個節(jié)制閘油缸及若干個高壓球閥控制閘門啟停。主油路和分路裝有17 個壓力表、繼電器、傳感器，用以監(jiān)測實(shí)時狀態(tài)。

1.2 管理現(xiàn)狀

工程自投運(yùn)以來，通過自控實(shí)現(xiàn)了泵閘工程的遠(yuǎn)程在線操作，但設(shè)備運(yùn)維管理模式仍較為傳統(tǒng)，需投入較多人工在液壓啟閉系統(tǒng)的日常巡視、運(yùn)行操作、維修養(yǎng)護(hù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，在診斷、維護(hù)方面較為依賴個人經(jīng)驗(yàn)，與智能化管理還存在較大差距。

（1）監(jiān)測感知網(wǎng)有待加強(qiáng)：目前的液壓系統(tǒng)布設(shè)有一些傳感裝置，通過自控系統(tǒng)采集油位、油溫等信號，反映工程運(yùn)作期間的狀態(tài)、特征以及變化過程，能滿足設(shè)備管理的基本要求。但由于缺乏對流量、壓力、控制閥件的監(jiān)測感知，未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和安全監(jiān)測的全覆蓋。

（2）缺少設(shè)備級數(shù)字孿生模型：在建設(shè)過程中，利用BIM 技術(shù)，構(gòu)建泵閘建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型，但模型搭設(shè)偏重工程整體，缺少設(shè)備層級開發(fā)。由于缺乏數(shù)據(jù)分析、交互與感知的模型載體，導(dǎo)致液壓啟閉系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時展示、故障定位、故障庫匹配等功能沒有得到較好應(yīng)用。

（3）全生命周期管理不夠完善：目前對液壓啟閉系統(tǒng)的管理，主要依賴運(yùn)維人員對設(shè)備基礎(chǔ)信息、運(yùn)行信息和維護(hù)保養(yǎng)信息進(jìn)行收集、記錄和統(tǒng)計，在實(shí)時性、完整性及延續(xù)性方面難以做到全面保證，過程中對海量數(shù)據(jù)的智能化分析不夠、維修事件間動態(tài)關(guān)聯(lián)度不高，建運(yùn)環(huán)節(jié)信息孤立、缺少全流程管理。

2 液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生

淀東泵閘液壓數(shù)字孿生建設(shè)主要包括液壓系統(tǒng)智能化改造、液壓啟閉機(jī)數(shù)字孿生模型搭建以及智慧場景開發(fā)：通過物理世界中的傳感裝置，采集來自物體和環(huán)境的信號，基于液壓啟閉系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)模型與物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)映射與互聯(lián)，融合大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術(shù)，打造故障庫、故障診斷、故障模擬和預(yù)警等應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)數(shù)字驅(qū)動下設(shè)備全生命周期的智能化管理。

2.1 傳感裝置智能化改造

依據(jù)數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)交互、故障診斷、全生命周期管理要求，在原油位、油溫監(jiān)測基礎(chǔ)上，增設(shè)相應(yīng)傳感器，采集流量、壓力、溫度、閥件狀態(tài)監(jiān)測信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集和安全監(jiān)測的全覆蓋，為模型診斷、分析和預(yù)測預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）系統(tǒng)流量傳感器。在油泵出口增設(shè)PQT 流量傳感器，量程75～300 L/min，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示，監(jiān)測油泵輸出流量，將電機(jī)在不同操作工況下測量到實(shí)際電流（對應(yīng)實(shí)際流量）和設(shè)計流量比較，判斷是否發(fā)出報警/停機(jī)信號。

（2）系統(tǒng)壓力傳感器。在油泵出口增設(shè)壓力傳感器PE1，量程0～25 MPa，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示。在系統(tǒng)加壓后，監(jiān)測液壓系統(tǒng)泵源的壓力，當(dāng)油壓低于警戒值時報警停機(jī)。

（3）系統(tǒng)溫度傳感器。在油泵出口設(shè)置溫度傳感器，量程-50～200 ℃，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示，監(jiān)測液壓系統(tǒng)液壓油的溫度，當(dāng)油溫低于或超過警戒值時報警停機(jī)。

（4）系統(tǒng)油缸有桿腔壓力傳感器。在液壓系統(tǒng)通往油缸有桿腔出口設(shè)置壓力傳感器，量程0～25 MPa，輸出4～20 mA 信號，通過操作面板（PLC 顯示屏）顯示。在系統(tǒng)加壓后，閘門活塞桿縮回過程中，監(jiān)測管路出口壓力，當(dāng)油壓低于或超過警戒值時報警停機(jī)。

（5）將原電磁球閥和電磁換向閥更換成帶閥芯反饋的電磁球閥，使閥件得電后電氣控制系統(tǒng)能接收到電磁閥芯位置反饋（開關(guān)量信號）。

2.2 液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型建設(shè)

數(shù)字孿生技術(shù)具有對物理實(shí)體的高保真建模、對運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與分析、模型與數(shù)據(jù)相交互等特點(diǎn)，數(shù)字孿生液壓啟閉模型，通過在數(shù)字空間創(chuàng)造一個與物理實(shí)體設(shè)備匹配對應(yīng)的數(shù)字模型，通過全息映射、動態(tài)監(jiān)測、實(shí)時診斷、精準(zhǔn)預(yù)測反映物理實(shí)體設(shè)備在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)[4]，實(shí)現(xiàn)液壓啟閉系統(tǒng)全要素數(shù)字化、全過程可視化、全壽命智能化管理。液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型如圖1 所示。

圖1 液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型

根據(jù)液壓啟閉系統(tǒng)圖紙、相關(guān)技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場調(diào)研情況，對建模目標(biāo)進(jìn)行分析后，提取單獨(dú)制作的模型，包括有油箱、油泵電機(jī)組、液位控制器、吸濕性空氣濾清器、回油濾油器、電磁溢流閥、油表等重要零部件，以及多種形態(tài)的管道與線路。最終將全部相關(guān)模型資源導(dǎo)入Unity 中，根據(jù)貼圖調(diào)整模型材質(zhì)并再次調(diào)整模型位置與比例，完成啟閉機(jī)模型的搭建。

2.3 基于數(shù)字孿生模型的場景建設(shè)

（1）基于數(shù)字孿生模型的虛實(shí)交互。可實(shí)時獲得設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)，查詢設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)，結(jié)合AR 場景，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場及遠(yuǎn)程設(shè)備的交互協(xié)同管理。①場景交互。添加控制器，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽或移動滾輪來方便地調(diào)整觀察視角與縮放，對三維模型進(jìn)行觀察；②模型交互。系統(tǒng)可以監(jiān)測鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊后通過射線檢測得到鼠標(biāo)所點(diǎn)擊的位置的物體，若其為觸發(fā)器，則觸發(fā)對應(yīng)的事件。在該系統(tǒng)中，點(diǎn)擊模型會觸發(fā)顯示該零件運(yùn)行數(shù)據(jù)的UI 標(biāo)簽出現(xiàn)；③數(shù)據(jù)交互。傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)可以使用urllib 實(shí)時從對應(yīng)的網(wǎng)址獲取。使用Python的Dataframe 庫對讀取到的json 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過傳感器的序號快速讀取其相關(guān)數(shù)據(jù)，同步展示在模型上。

（2）故障知識庫。建立設(shè)備故障知識庫，內(nèi)容覆蓋重點(diǎn)設(shè)備目錄、常見故障、發(fā)生情況、處理方案、排故方法、預(yù)警方案、報廢標(biāo)準(zhǔn)等，基于液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)三維模型和故障庫知識點(diǎn)匹配，通過模式匹配得到從故障特征到故障之間的映射，排查故障原因并提供維修策略。

（3）故障診斷、模擬和預(yù)警。①故障診斷：在液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型中，結(jié)合集控中心海量歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)量與故障模式之間的映射關(guān)系，將設(shè)備運(yùn)行特征狀態(tài)量與故障知識庫中提取的故障閾值進(jìn)行匹配，判斷可能發(fā)生的故障類型，分析故障原因，以實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷模型獲取診斷結(jié)果，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常、是否處于亞健康狀態(tài)或進(jìn)入需維保狀態(tài)；②故障模擬：結(jié)合液壓啟閉系統(tǒng)數(shù)字孿生模型模型，通過AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)景疊加虛擬影像，結(jié)合設(shè)備工作機(jī)理、健康指標(biāo)、診斷規(guī)則、排故流程，以三維動態(tài)形式對該部件及系統(tǒng)整體進(jìn)行故障模擬和推演，對維修方案進(jìn)行驗(yàn)證和比較，利用推演結(jié)果指導(dǎo)物理系統(tǒng)的運(yùn)維，幫助運(yùn)維人員提升對排故邏輯、運(yùn)維決策的理解，提高運(yùn)維能力；③預(yù)警預(yù)報：當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)或趨勢預(yù)測超過閾值時將觸發(fā)預(yù)警，結(jié)合數(shù)字孿生模型進(jìn)行風(fēng)險提示，同步顯示故障定位，匹配維修方案，并轉(zhuǎn)入維修管理流程，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險在線全閉環(huán)管理。

（4）全生命周期管理。可通過數(shù)字孿生模型與基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、歷史維修信息的掛接，打通從設(shè)計階段到施工階段，再到運(yùn)維階段，直至報廢的全鏈路數(shù)據(jù)銜接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時狀態(tài)展示和歷史維修記錄回溯，形成設(shè)備全生命周期管理。

3 結(jié)束語

在傳統(tǒng)水利設(shè)備管理中引入數(shù)字孿生技術(shù)，提出液壓啟閉系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自診斷及全生命周期的智慧管理模式，通過數(shù)字賦能，實(shí)現(xiàn)液壓啟閉系統(tǒng)在線監(jiān)測、健康評價、故障診斷及預(yù)警預(yù)報等功能，后續(xù)階段將繼續(xù)探索數(shù)字孿生技術(shù)在運(yùn)維管理中的應(yīng)用，為水利工程智慧化發(fā)展提供新的思路。