工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用探索

【摘" " 要】：針對(duì)工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用及其價(jià)值，對(duì)工業(yè)元宇宙的定義和價(jià)值進(jìn)行了概述，強(qiáng)調(diào)其在提高運(yùn)營(yíng)效率、促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享、提升設(shè)備安全、控制風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)智能化等方面的重要作用；介紹了工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，包括污水處理工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備操作維護(hù)、運(yùn)營(yíng)管理、員工培訓(xùn)、用戶(hù)體驗(yàn)等；分析了工業(yè)元宇宙落地所需的軟件和硬件技術(shù)，并探討了這些技術(shù)的關(guān)鍵作用。

【關(guān)鍵詞】：工業(yè)元宇宙；污水處理廠；虛擬現(xiàn)實(shí)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

【中圖分類(lèi)號(hào)】：X703;TP391 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）01-63-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.016

Exploration of the Application of Industrial Metaverse in the Operation of

Wastewater Treatment Plants

HU Zheqing，HAO Jingbin

（Tianjin Saiying Engineering Construction Consulting Management Co.Ltd.，Tianjin 300392，China）

【Abstract】：A view of the application and value of industrial metaverse in the operation of sewage treatment plants are summarized， emphasizing its important role in improving operational efficiency， promoting collaborative innovation， achieving knowledge sharing， enhancing equipment safety， controlling risks， and realizing intelligent operation; Introduced multiple application scenarios of industrial metaverse in the operation of sewage treatment plants， including sewage treatment process design， equipment operation and maintenance， operation management， employee training， user experience， etc; Analyzed the software and hardware technologies required for the landing of the industrial metaverse， and explored the key roles of these technologies.

【Key words】： industrial metavers；wastewater treatment plants；virtual reality；augmented reality

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)元宇宙作為一個(gè)融合現(xiàn)實(shí)與虛擬空間的數(shù)字世界，不僅可以為污水處理廠運(yùn)營(yíng)提供豐富的應(yīng)用場(chǎng)景；還能提升運(yùn)營(yíng)效率及設(shè)備的安全性，實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新、知識(shí)共享及風(fēng)險(xiǎn)控制和運(yùn)營(yíng)的智能化。工業(yè)元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要強(qiáng)大的軟硬件技術(shù)支撐，本文旨在深入探討工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用及其價(jià)值，并分析其所需的軟硬件技術(shù)，為污水處理廠運(yùn)營(yíng)企業(yè)提供參考，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 工業(yè)元宇宙的定義和價(jià)值

工業(yè)元宇宙是一個(gè)將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間無(wú)縫融合的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，其價(jià)值在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中尤為突出，通過(guò)集成虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)為污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)革命性的變革。

1）提高運(yùn)營(yíng)效率：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和模擬，工業(yè)元宇宙能夠優(yōu)化處理流程，減少停機(jī)時(shí)間，提高處理能力[1]。

2）促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新：跨部門(mén)、跨地域的團(tuán)隊(duì)可以在虛擬環(huán)境中共同協(xié)作，加速新工藝和技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。

3）加強(qiáng)知識(shí)共享：通過(guò)虛擬平臺(tái)，員工可以更直觀地學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜的污水處理過(guò)程，從而提高操作技能和問(wèn)題解決能力。

4）增強(qiáng)設(shè)備安全性：通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，工業(yè)元宇宙有助于提前識(shí)別潛在故障，從而降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

5）優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)控制：模擬和預(yù)測(cè)不同操作場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)，幫助制定更有效的風(fēng)險(xiǎn)控制策略。

6）推動(dòng)運(yùn)營(yíng)智能化：利用人工智能和大數(shù)據(jù)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)營(yíng)決策的智能化，提高決策的準(zhǔn)確性和效率。

2 工業(yè)元宇宙軟硬件分析

本文重點(diǎn)分析工業(yè)元宇宙在污水處理廠應(yīng)用過(guò)程中涉及的軟件和硬件技術(shù)，并探討其關(guān)鍵作用。

2.1 軟件技術(shù)分析

2.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）軟件

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件是工業(yè)元宇宙的核心組成部分，它為用戶(hù)提供了沉浸式的虛擬環(huán)境。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，VR軟件可以用于污水處理工藝的設(shè)計(jì)、設(shè)備操作模擬、員工培訓(xùn)等場(chǎng)景。通過(guò)VR軟件，用戶(hù)可以在虛擬環(huán)境中直觀地觀察和操作污水處理設(shè)備和工藝流程，從而提高設(shè)計(jì)效率和操作熟練度。常見(jiàn)的VR軟件平臺(tái)有Unity、Unreal Engine等。

2.1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）軟件

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的輔助信息。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，AR軟件可以用于設(shè)備操作指引、巡檢維護(hù)、故障診斷等場(chǎng)景。通過(guò)AR軟件，操作人員可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)步驟和故障原因等信息，提高操作效率和故障處理速度。常見(jiàn)的AR軟件平臺(tái)有ARKit、ARCore等[2]。

2.1.3 數(shù)字孿生軟件

數(shù)字孿生軟件用于創(chuàng)建和模擬現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬的實(shí)時(shí)同步。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，數(shù)字孿生軟件可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)決策等場(chǎng)景。通過(guò)數(shù)字孿生軟件，管理者可以實(shí)時(shí)了解污水處理廠的運(yùn)行狀況，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化決策。常見(jiàn)的數(shù)字孿生軟件平臺(tái)有Siemens MindSphere、PTC ThingWorx等[3]。

2.2 硬件技術(shù)分析

2.2.1 頭戴式顯示設(shè)備

頭戴式顯示設(shè)備是工業(yè)元宇宙的關(guān)鍵硬件之一，為用戶(hù)提供沉浸式的視覺(jué)體驗(yàn)。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，頭戴式顯示設(shè)備可以用于VR和AR應(yīng)用，為用戶(hù)提供逼真的虛擬環(huán)境和實(shí)時(shí)輔助信息。常見(jiàn)的頭戴式顯示設(shè)備有Vision PRO、Oculus Rift、HTC Vive、Microsoft HoloLens等。

2.2.2 傳感器設(shè)備

傳感器設(shè)備用于實(shí)時(shí)采集現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)，為工業(yè)元宇宙提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支持。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，傳感器設(shè)備可以用于監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、水質(zhì)參數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的傳感器設(shè)備有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等。

2.2.3 服務(wù)器和云計(jì)算設(shè)備

服務(wù)器和云計(jì)算設(shè)備為工業(yè)元宇宙提供強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中，服務(wù)器和云計(jì)算設(shè)備可以用于處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)字孿生模型。常見(jiàn)的服務(wù)器和云計(jì)算設(shè)備有高性能服務(wù)器、云服務(wù)器等。

2.3 軟硬件協(xié)同分析

工業(yè)元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要軟件和硬件的協(xié)同配合。軟件技術(shù)為用戶(hù)提供虛擬環(huán)境和實(shí)時(shí)輔助信息，硬件設(shè)備為用戶(hù)提供沉浸式的體驗(yàn)和真實(shí)的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)軟硬件的協(xié)同，用戶(hù)可以在虛擬環(huán)境中直觀地觀察和操作現(xiàn)實(shí)世界，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬的緊密連接。此外，軟硬件的協(xié)同還可以提高工業(yè)元宇宙應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性，降低故障率和維護(hù)成本。

3 工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)元宇宙在污水處理廠運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用場(chǎng)景多樣，本節(jié)將詳細(xì)闡述其在污水處理工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備操作維護(hù)、運(yùn)營(yíng)管理、員工培訓(xùn)、用戶(hù)體驗(yàn)等方面的具體應(yīng)用。

3.1 工藝設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)階段，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和數(shù)字孿生技術(shù)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供一個(gè)高度仿真的虛擬環(huán)境。這一環(huán)境不僅支持三維模型的高精度渲染，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型的實(shí)時(shí)交互和調(diào)整。通過(guò)這種技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中模擬和測(cè)試污水處理工藝，并進(jìn)行各種場(chǎng)景的模擬測(cè)試，從而大幅縮短工藝設(shè)計(jì)周期，不僅節(jié)省實(shí)體樣機(jī)建造的費(fèi)用，還可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以支持跨地域的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，使不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)師能夠?qū)崟r(shí)共享和協(xié)同工作，提高研發(fā)效率[4]。

3.2 設(shè)備操作維護(hù)

在污水處理廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，工業(yè)元宇宙的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)備操作和維護(hù)方面。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)被應(yīng)用于污水處理現(xiàn)場(chǎng)，為操作工人提供實(shí)時(shí)的工作指導(dǎo)和輔助。例如，在污水處理廠的設(shè)備操作現(xiàn)場(chǎng)，工人可以通過(guò)AR眼鏡看到每一步驟的詳細(xì)指導(dǎo)，包括設(shè)備的操作順序、位置和力度等，大大減少了錯(cuò)誤率，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，AR技術(shù)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行過(guò)程，并在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)報(bào)警，從而避免設(shè)備發(fā)生故障。在復(fù)雜機(jī)械的維護(hù)中，AR技術(shù)還可以為技術(shù)人員提供詳細(xì)的維護(hù)步驟和零件位置信息，減少維護(hù)時(shí)間和成本。

3.3 運(yùn)營(yíng)管理

在污水處理廠運(yùn)營(yíng)管理方面，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，為管理者提供了一個(gè)高度仿真的虛擬污水處理廠。這種虛擬污水處理廠可以實(shí)時(shí)反映實(shí)際工廠的運(yùn)行狀態(tài)，包括污水處理進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。管理者可以通過(guò)虛擬污水處理廠進(jìn)行各種模擬和優(yōu)化，從而做出更科學(xué)、更高效的決策。此外，虛擬污水處理廠還可以與外部數(shù)據(jù)源鏈接，獲取市場(chǎng)、供應(yīng)鏈等外部信息，幫助企業(yè)進(jìn)行更全面、更智能的決策。

3.4 員工培訓(xùn)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為員工提供了一個(gè)高度仿真的培訓(xùn)環(huán)境。這種環(huán)境可以模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，讓員工在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種操作訓(xùn)練，從而提高員工的技能水平和操作熟練度。此外，虛擬培訓(xùn)還可以避免實(shí)體培訓(xùn)中的安全隱患，降低培訓(xùn)成本。例如，操作人員可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器進(jìn)行污水處理操作訓(xùn)練，不僅降低了培訓(xùn)成本，還可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成培訓(xùn)。

3.5 用戶(hù)體驗(yàn)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為用戶(hù)提供了全新的污水處理體驗(yàn)。例如，可以在虛擬環(huán)境中參觀污水處理廠，了解污水處理過(guò)程，從而更好地理解污水處理的重要性和必要性。

4 面臨的挑戰(zhàn)

盡管工業(yè)元宇宙為污水處理廠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，企業(yè)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)、人才、投資和管理等方面。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的成熟度、設(shè)備資產(chǎn)的物聯(lián)IOT接入與數(shù)據(jù)采集能力、異構(gòu)數(shù)據(jù)管理和分析能力等。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)元宇宙為污水處理廠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)全新的發(fā)展機(jī)遇，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的緊密連接。工業(yè)元宇宙在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備操作維護(hù)、運(yùn)營(yíng)管理、員工培訓(xùn)、用戶(hù)體驗(yàn)等方面為污水處理廠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的價(jià)值。然而，工業(yè)元宇宙的發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)，需要從戰(zhàn)略層面進(jìn)行規(guī)劃，加大投資力度，培養(yǎng)相關(guān)人才。

參考文獻(xiàn)：

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[4]楊" 杰.基于BAF工藝的污水處理廠的曝氣節(jié)能控制研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)， 2012.

收稿日期：2024-03-14

作者簡(jiǎn)介：胡哲卿（1983 - ）， 男， 江蘇常州人， 正高級(jí)工程師， 從事BIM及數(shù)字化技術(shù)研究工作。