數字孿生運維平臺在某項目中的研究與應用

摘 要：

分析了當前我國地熱能在集中供暖中的利用現狀，并針對系統調控中普遍存在的問題，提出基于IoT和BIM進行集中監測，并依托大數據進行優化調控的運維平臺思路。然后，通過基于陜西某集團的地熱能集中供暖數字孿生運維平臺的案例實踐，介紹了其策劃、實施過程和應用效果，并總結了項目策劃和實施中的經驗。

關鍵詞：

地熱能; 集中供熱; 監管平臺; 數字孿生; 可視化運維

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0086-05

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.015

0 引 言

隨著經濟發展和城市化進程，我國區域供暖面積和供暖管網長度增長顯著。目前，我國北方城鎮的民用建筑總量約為145億m2，80%采用不同規模的集中供暖方式，其中約60%的熱源為熱電聯產電廠提供［1］。由于資源環境挑戰和“雙碳”目標政策帶來的綠色化轉型和信息技術的進步正在倒逼區域供熱聯網、多清潔能源聯合供熱、低回水溫度供熱、運營智能化等技術應用的變革［2］。

地熱能作為一種可循環使用的清潔能源，可替代傳統化石能源，顯著降低溫室氣體排放效應。近幾年來，低溫地熱資源用于城市集中供暖的項目案例正在逐步增多。但截至2022年，地熱資源利用量僅占我國能源消耗總量的0.6%，開發利用率較低。究其原因，主要是由于地熱資源數據、開發利用技術與數據的匱乏［3］。

典型的地熱能集中供暖系統通常可劃分為地源側換熱單元、綜合能源站單元、供暖輸送單元和用戶供暖換熱單元。

當前，在地源側換熱單元、綜合能源站單元、輸熱管網單元，主要采用基于PLC的現場自控技術，操作人員以現場數據和經驗進行控制和調節。通常存在以下常見問題：① 缺乏整體優化調控導致能效水平低;② 傳統運維方式導致較高運營成本;③ 系統和設備難以保障安全、高效運行;④ 用戶供熱品質不佳導致大量用戶投訴。因此，通過物聯網（IoT）技術采集各單元的運行數據，打通數據孤島，建設基于建筑信息化模型（BIM）的三維可視化集中監控和智慧大腦進行統一優化調控的數字孿生平臺，就成為地熱能集中供暖自控系統智慧化進階升級的必然之選。

1 某集團地熱能集中供暖數字孿生運維平臺案例

1.1 項目需求分析

項目包括某縣1個新建地熱能供暖項目

監控系統和1個綜合監管平臺的建設，并將9個已建地熱供暖監控項目接入綜合監管平臺，共同構成某集團地熱能集中供暖數字孿生運維平臺。

通過對項目的初步分析，確定了兩個層次的目標。首先，需要對某縣城及某新區地熱能供暖項目進行有效的監測、自控調節和示警保護;其次，搭建綜合監管平臺，并通過接口接入多個已建的地熱能供暖項目，實現對集團所有運營項目的實時監管和優化調度。

在某縣地熱供暖監控系統中，需要結合項目工藝特點將分散在城郊的137口地熱水井及輸送回灌管網、綜合能源站（換熱裝置、熱泵機組、調峰裝置）、供暖輸送管網的運行工況，用戶端用暖狀況進行實時采集、傳輸至云平臺，實現單體供暖項目的運行狀況實時監測、示警（異常預警和故障告警）保護、遠程控制、自動啟停和自優化調節。同時，為集團提供統一的供暖項目數字化建設規范。

集團綜合監管平臺需要實現實時監測各地熱供暖項目的運行狀況，動態監管集團所有運行項目及單體項目的經濟、能效碳排等關鍵運行指標，以及客戶服務管理、資產運維管理（資產清單、工單管理、設備性能分析與維保督導）以及項目的接入綁定等功能。

1.2 項目方案策劃

1.2.1 挑戰與思路

根據項目需求，針對以下重點需要面對的挑戰，并提出相應的解決思路。

數據多元異構：在地熱項目的多個子單元中，點位眾多數據量龐大，采集的信號不但包括電能、熱能、天然氣、電參量、溫度、流量、壓力、室外氣象等數字信號量，還包括設備開關啟停狀態的開關量信號、閥門開度等模擬信號量。另外，由于已建的地熱供暖項目建設時間不同、自控廠商不同，導致設備、通信協議、數據模型各異等問題。因此，需要將多元異構的數據依靠標準數據模型進行整合。通過統一數據標準，共享各項目各單元數據，使資源、業務、數據融合協同，促進供暖運行智能化、供熱服務標準化。

數據傳輸問題：在某縣地熱供暖監控子系統中，由于地熱井位置分散且地處偏遠，因此采用了5G技術的無線傳輸;用戶側和供輸暖管網同樣分布面積廣泛，但因均處于城市之內，因此采用了以熱力站（換熱站）或小區為匯聚節點的有線網絡進行數據傳輸;在已建項目向綜合監管平臺的數據傳輸中，地理位置分散，但網絡通信較為便利，因此采用了以互聯網為基礎的加密專線傳輸方式。

三維可視交互：為了提高監測的直觀性、交互的便捷性，項目中需要以實景方式進行監測，以提升地熱井、能源站、熱力站換熱站的安全運行水平，降低巡檢工作量;通過BIM設計文件為基礎構建三維可視界面結合視頻實時畫面，實現項目設施的導覽、詳細查看和交互操控;運用GIS技術對集團各地項目進行全景導覽和定位功能。

自優化調控：地熱能集中供暖項目涉及分布廣泛、數量眾多的設施設備，需要基于大數據技術和人工智能（AI）算法構建針對地熱能集中供暖系統的控制算法，并結合邊緣控制技術實現項目運行的優化調控。

預防性運維：需要變革傳統的事后維護或定時巡檢維護，通過設備性能分析建立預防性維護體系，以保障系統及設備運行始終處于安全、高性能的狀態并降低運維成本。

1.2.2 系統架構

集團數字孿生運維平臺的實現，采用了4層物聯網架構：物聯采集層、通信控制層、數據處理層和交互應用層。某集團地熱能集中供暖數字孿生運維平臺系統架構如圖1所示。

物聯采集層用于分別獲取地源側換熱地熱能交換單元、綜合能源站單元、供暖輸送單元、用戶供暖換熱熱交換單元的運行參數和設備狀態，以及相應視頻信息和戶外氣象數據。

通信控制層將物聯采集層所采集的數據分別進行解析、過濾校驗、臨時存儲和轉發上傳，并接收系統平臺對設備下發的控制調節指令。

數據處理層對通信控制層的數據進行匯聚

后，按照統一數據模型標準化后持久化存入數據池;通過智能算法進行多維數據分析，掌握需求側的動態變化規律、供應側的單元能效比和設備性能;通過仿真模型、動態優化算法提升供需匹配程度、多種能源的供應比例、設備的加減載和輪換，改善項目整體的經濟、能效等最優運行策略。

交互應用層基于GIS，BIM的三維可視方式進行集中監測、交互操控、預警告警、設施運維等應用監管。

1.2.3 系統組成

按照功能耦合的原則，將軟件平臺分為地熱能集中供暖項目監控子系統和集團綜合監管平臺兩級。某集團地熱能集中供暖數字孿生運維平臺組成如圖2所示。

1.2.3.1 地熱供暖項目監控子系統

項目監控子系統包括地熱交換單元監控模塊，能源站監控模塊，輸熱管網監控模塊、用戶用暖監控單元和聯動控制調節單元。

（1） 地熱交換單元監控模塊。

① 監控對象：地源側冷/熱水循環泵、地源熱換熱熱交換裝置、閥門。

② 監控裝置：多功能電力儀表，溫度、流量、壓力傳感器，旁通閥，邊緣控制裝置。

③ 監測參數：地源側冷/熱水循環泵手/自動狀態，運行狀態，故障狀態，地源側冷/熱水循環泵電流、電壓、頻率、功率、電能、轉速等運行參數;管網溫度、流量、壓力;換熱熱交換裝置的一次側閥門開度、熱交換效率;設備運行時間。

④ 控制調節：地源側冷/熱水循環泵的遠程啟停、設備的順序啟停;頻率（流量）調節;自動加減載與設備輪換;熱交換裝置一次側控制閥門的開度。

（2） 綜合能源站單元監控模塊。

① 監控對象：空調中介水循環泵，熱泵機組，燃氣鍋爐、空調冷/熱水循環泵、閥門。

② 監控裝置：多功能電力儀表，溫度、流量、壓力傳感器，天然氣流量計、閥門、邊緣控制裝置、集中控制器。

③ 監測參數：空調中介水循環泵的手/自動狀態、運行狀態、故障狀態，設備的電流、電壓、頻率、功率、電能等運行參數，管網的溫度、流量、壓力;熱泵機組的手/自動狀態、運行狀態、故障狀態，設備的電流，電壓，頻率，功率，電能等運行參數，蒸發/冷凝側進出水溫度、流量、壓力等參數;燃氣鍋爐的手/自動狀態、運行狀態、故障狀態，鍋爐進/出口水溫，爐膛出口煙氣溫度/排煙溫度，燃氣快速切斷閥的開關狀態，燃氣調節閥、風閥的閥位，爐內壓力或真空壓力;空調冷/熱水循環泵的手/自動狀態、運行狀態、故障狀態，設備的電流、電壓、頻率、功率、電能等運行參數，管網的溫度、流量、壓力;設備運行時間。

④ 控制調節：熱泵機組、燃氣鍋爐、空調中介水循環泵、空調冷/熱水循環泵水箱進水閥門的遠程啟停、自動啟停控制;頻率（流量）調節;設備自動加減載與輪換。

（3） 供熱輸送單元監控模塊。

① 監控對象：熱力站換熱站熱交換裝置、閥門。

② 監控裝置：溫度、流量、壓力傳感器，邊緣控制器。

③ 監測參數：換熱站熱交換裝置一次側、二次側溫度、流量、壓力等官網參數監測;旁通閥開度監測;熱交換裝置的一次側閥門開度、熱交換效率。

④ 控制調節：熱交換裝置（一次側）閥門的開度調節，旁通閥調節。

（4） 用戶供暖熱交換單元監控模塊。

① 監控對象：用戶側循環泵、用戶室內供熱空間、閥門。

② 監控裝置：多功能電力儀表，溫度、流量、壓力傳感器，旁通閥，邊緣控制器;（用戶室內）熱量表，智能開關調節閥，室內溫度計。

③ 監測參數：用戶側循環泵的手/自動狀態、運行狀態、故障狀態，設備的電流、電壓、頻率、功率、電能、設備運行時間等運行參數;用戶側管網溫度、流量、壓力、閥門的開度等參數監測;（用戶室內）耗熱量、智能開關調節閥的狀態與開度，室內溫度。

④ 控制調節：用戶側冷/熱水循環泵的遠程啟停、自動啟停;頻率（流量）調節;自動加減載與設備輪換;閥門開度的調節;（用戶室內）智能開關調節閥的開度。

（5） 聯動調節控制單元。

聯鎖啟停：按照系統與設備的邏輯關系組織設備的啟停順序，以及故障狀態下的關停措施，保障系統和設備運行安全。

優化調控：根據末端用暖需求參數、氣候參數等歷史數據進行需求預測，通過最優目標和動態規劃進行調節控制，在用戶舒適度保障的前提下，實現輸入能源資源、最低碳排、最小成本的優化控制。

1.2.3.2 集團綜合監管平臺

集團綜合監管平臺將新建項目及已建項目的運行數據通過規范接口納入統一管理，并通過數據整理、計算分析處理為管理人員提供經營動態視圖和決策依據。包括以下功能模塊。

① 駕艙監測：經濟運行指標、能效減碳指標、安全運營指標、按項目/總計。

② 預警告警：性能預警、故障告警、信息分發、故障分析、應急管理。

③ 資產運維：資產清單、工單管理、性能分析、維保督核、定位管理。

④ 客戶服務：開戶報裝、收費服務、投訴報修。

⑤ 決策支持：方案評估、項目評價、績效管理。

⑥ 后臺管理：組織結構、人員權限、項目添加、設備綁定……。

1.3 項目實施落地

根據平臺的項目策劃方案，工程部根據項目方案，結合對已建項目的監控系統監控點位、接口現況的調研結果，進行深化設計和項目實施方案，協同項目總包方進行設備安裝工程，并進行了項目通信系統的建設。

研發部通過開發計劃編制、軟件詳細設計、軟件開發、軟件測試等，完成了軟件和開發和測試調試任務。

研發部及工程部通過軟件部署、設備點調、軟硬件聯調，以及試運行，達到了設計的需求。

地熱供暖項目監控子系統實現項目各單元的數據采集、示警保護和調節控制。通過集團監管平臺實現對所有運營項目的實時監管、優化調度等服務。

陜西某集團的地熱能集中供暖數字孿生運維平臺的建成，不但提升了居民用暖品質，大幅降低了集團運營成本，而且在節能環保的社會責任方面也貢獻了重要價值。項目效益如表1所示。

2 結 語

通過項目的建設和運營，實際體會到數字化、智慧化對傳統行業效率的巨大提升作用。同時，也認識到數字化、智慧化的建設和改造不但需要深刻理解行業發展和工藝原理，還需要在設備性能及故障預警分析，智能調控優化算法等方面進行持續的迭代改進，以便更好地發揮數據價值。

［1］ 周博睿.我國地熱能開發利用現狀與未來趨勢［J］.能源，2022（2）：77-80.

［2］ 江億.發電和工業余熱實現北方城鎮清潔供熱［N］.中國科學報，2021-01-20.

［3］ 胡俊文，閆家泓，王社教.我國地熱能的開發利用現狀、問題與建議［J］.環境保護，2018（46）：45-48.

收稿日期： 2024-03-15

Research and Application of Digital Twin Operation and

Maintenance Platform in a Certain Project

ZHANG Wenxiang， YAO Lingyun， LI Yunxiang， WANG Shufeng

（Shaanxi Shinsector Intelligent Technology Co.， Ltd，， Xi’an 710064， China）

Abstract：

This paper analyzes the current status of the utilization of Geothermal Energy in central heating in our country，and proposes a centralized monitoring based on IOT and BIM，as well as an operation and maintenance platform for optimizing regulation relying on big data.Then，based on the case practice of the geothermal energy central heating digital twin operation and maintenance platform of Shaanxi Certain Group，introduced the planning，implementation process，application effect，and summarized the experience in project planning and implementation.

Key words：

geothermal energy; central heating; supervision platform; digital twins; visual operation and maintenance