CN110069045A - 基于bim、vr及物联网的污水处理厂无人值守方法和智能管理平台 - Google Patents

Abstract

基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法和智能管理平台，涉及污水处理技术领域，其方法是基于BIM建模技术建立污水处理厂的三维模型，通过物联网技术将三维模型中的虚拟设备和污水处理厂的现实设备一一进行关联，采集污水处理厂的现实设备的运行参数以及现场视频信息，建立污水处理厂及其设备综合情境信息的数据库，将所采集的信息传输到该数据库，对数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与三维情境的信息关联，形成动态三维模型，将动态三维模型的数据导入VR平台，且接收VR平台的控制指令，该方法和平台可实现污水处理厂的无人值守以及对工人进行虚拟培训。

Description

基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法和智能管理 平台

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法和智能管理平台。

背景技术

水厂、泵站、燃气站场、污水处理厂等均为市政公用厂站，是城市赖以生存和发展的物质基础，直接关系到城市居民的日常生活、生产、消防、绿化和环境卫生等方面的需要。错综复杂、规模庞大的大型市政公用厂站系统，均具有复杂的空间和属性信息，数量大、变化多、覆盖面广、与地理位置和地理环境联系密切是其最大的特点。为保障城市公用设施的正常运行，各级政府需要在管理和维护上投入大量人力物力以完成值班、定时巡查及定期检修等工作。随着计算机技术、网络技术和信息技术的快速发展，目前大多数市政公用厂站、设施都实施了信息化、数字化管理手段，但在设施管养及工艺监管上主要以二维图形及表单管理为主，其缺点是不够直观且表达不够完整，且未真正实现市政公用厂站数字化管理，不能充分满足业务运作和社会的要求。

随着物联网技术的发展，各种设备的日常维护维修工作日趋拟人化，可以比较及时的对设备进行检查、维修、更换等。但对于停留在文字，表格，二维图片的工艺流程，使工作人员比较难以快速、精准的确定设备的具体位置，从而无法合理的制定相关的计划，同时增加了管理和维护的成本。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法和智能管理平台，该方法和平台可实现污水处理厂的无人值守以及对工人进行虚拟培训。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：基于BIM建模技术建立污水处理厂的三维模型，

步骤二：通过物联网技术将三维模型中的虚拟设备和污水处理厂的现实设备一一进行关联，

步骤三：采集污水处理厂的现实设备的运行参数以及现场视频信息，

步骤四：建立污水处理厂及其设备综合情境信息的数据库，将所采集的信息传输到该数据库，对数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与三维情境的信息关联，形成动态三维模型，

步骤五：将动态三维模型的数据导入VR平台，且接收VR平台的控制指令。

优选的，所述三维模型包括污水处理厂的污水处理设施及机电设备的精细模型。

优选的，所述三维模型的每个虚拟设备均对应有运行参数，当外界对该虚拟设备产生触发动作，对应该虚拟设备的运行参数则显示出来。

优选的，所述运行参数包括运行参数、电动阀门状态、水池的液位信息、污水收集流量和进出水管道的水质信息。

优选的，所述步骤四形成动态三维模型的方法包括以下子步骤：

步骤A：通过感知设备采集现实设备的运行参数，在三维模型中通过数据接口/协议实时读取智能感知设备的运行参数以及现场视频信息，

步骤B：通过动画方式模拟出设施、设备的实时状态，以实现直观地模拟污水处理厂的污水处理过程。

优选的，所述智能感知设备包括RFID标签，RFID标签贴在厂房的智能锁具上，在操作过程中，手持终端可自动检测智能锁具身份:若正确，智能钥匙语音提醒允许操作命令，同时开放其闭锁机构，此时可进行开锁操作；若错误或误操作，手持终端发出语音错误警告，同时智能锁具无法进行操作，达到强制闭锁的目的，操作结束后，手持终端通过传送/充电座的形式将倒闸操作信息汇报给应用端进行存储。

优选的，所述智能感知设备还包括二维码、传感器、摄像头、水质分析仪、液位仪和在线流量计。

优选的，所述设施、设备的实时状态包括电机的转动状态、阀门的启闭状态、水池的水位、水的排放以及管道中的水流方向。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。

基于BIM、VR及物联网的污水处理智能管理平台，包括终端、VR设备、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。

所述污水处理智能管理平台的总体架构包括IT 基础设施层、数据层、应用支撑层和应用层，

所述IT 基础设施层包括智能感知设备、通讯网络、硬件基础设施和软件基础设施，

智能感知设备包括RFID标签、二维码、传感器、摄像头、水质分析仪、液位仪和在线流量计，

硬件基础设施包括服务器和存储器，

软件基础设施包括通用软件和安全软件，

数据层用于整合BIM模型、模型编码库、流程规则库、设备信息库、业务数据库、知识库和数据仓库的数据，

应用支撑层包括BIM引擎、虚拟现实引擎、设备定位和智能决策，

本发明的有益效果：本发明的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法及智能管理平台，具有以下优点：

1）基于BIM、VR 及物联网集成技术实现污水处理厂站、感知信息及工艺流程的实景模拟，使得管理人员能身临其境，高效、智能地完成厂站、设备的巡检及预警处理、应急抢险、安全防控，实现厂站的无人值守，大大提高作业效率及管理水平。

2）引入全景动态三维模拟及集控技术，实现生产设备远程监控及虚拟实景模拟，使得操控人员能实时、全面、直观了解各个生产工艺环节的运行状态，大大提高生产管控水平。

3）基于VR 虚拟现实的工艺流程仿真，为员工培训，技术交流、模拟操作等提供真实、互动、情节化的体验，还原真实现场，大大提高员工学习的兴趣。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法的流程图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

本实施例的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，包括如下步骤：

步骤一：基于BIM建模技术建立污水厂的三维模型，包括厂房内的污水处理设施及机电设备精细模型，

步骤二：通过PLC控制器采集厂站内泵机的运行参数、电动阀门状态、水池的液位信息、污水收集流量、进出水管道的水质信息以及现场视频信息等，然后通过RUT传输到控制中心的实时数据库，

步骤三：在污水厂的BIM三维模型中通过数据接口/协议实时读取前端相关感知设备的信息（泵机的运行参数、电动阀门状态、水池的液位信息、污水收集流量、进出水管道的水质信息以及现场视频信息等），通过动画方式模拟出设施、设备的实时状态（如电机的转动状态、阀门的启闭状态、水池的水位、水的排放、管道中的水流方向等），可以直观地模拟现实的生产工艺流程，

步骤四：将动态三维模型数据导入VR平台，远程值班人员戴上VR眼镜后可以在厂站中漫游，实时查看所有污水处理设施、设备的运行状态及预警情况；利用操作手柄可以操控设备的按钮，如关闭、启动泵机，同时设备的模型状态也同时改变。漫游过程，如看到视频摄像头，利用手柄也可以点击显示实时视频。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。

基于BIM、VR及物联网的污水处理智能管理平台，包括终端、VR设备、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现以上所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。

所述污水处理智能管理平台的总体架构包括IT 基础设施层、数据层、应用支撑层和应用层，所述IT 基础设施层包括智能感知设备、通讯网络、硬件基础设施和软件基础设施，

智能感知设备包括RFID标签、二维码、传感器、摄像头、水质分析仪、液位仪和在线流量计，硬件基础设施包括服务器和存储器，软件基础设施包括通用软件和安全软件，数据层用于整合BIM模型、模型编码库、流程规则库、设备信息库、业务数据库、知识库和数据仓库的数据，应用支撑层包括BIM引擎、虚拟现实引擎、设备定位和智能决策。

平台采用面向服务体系的架构(SOA)开发，支持将应用作为链接服务，可以采用不同的技术，进行组合提供不同的服务。平台根据需要将服务组装为按需的应用程序，彼此结合以完成特定应用业务，使应用业务能够适应不断变化的情况和需求。

部分污水智能感知的功能如下：

1）水质分析仪，可以在线实时测量pH、ORP、溶解氧、电导、盐度、温度、浊度等，

2）液位仪是用于水池水位，

3）在线流量计是用以测量瞬时流量或累计流量的仪器。

本实施例的智能管理平台的实现过程如下：

1）污水处理厂及其设备种类多，内部结构复杂，单体量大。在设计初期，将污水处理厂及其设备先划分设计区域，每个构筑物的各专业设计人员在同一区域设计，为了减少数据量，每个设计人员可以根据自身的设计范围选择更新数据内容。单体设计完成后，由总图专业设计师将各构筑物放置于总图中，同时进行总图设计，实现实景三维模型。

BIM 技术建构的污水处理厂及其设备可以随意剖切，以其特有的直观性，降低了理解与设计上的偏差。BIM 技术构建的实景三维模型以二维平面图的形式作为最终设计成果，实景三维模型通过投影关系自动转化为二维图纸，转换后的成果经过适当的加工将优于传统二维设计时的效果。

2）基于物联网技术利用BIM 场景集成生产仪器、机电设备的运行状态、相关监测参数及现场视频的信息的实时显示。

根据污水处理厂生产仪器、机电设备的运行状态、相关监测数据，利用主成分分析、小波聚类分析等数据处理方法，快速有效地实现监测数据的降噪去伪。以BIM 模型为载体，监测信息为核心，构建时间、空间、情境相融合的多维模型，建立污水处理厂及其设备综合情境信息的数据库，对数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与情境的信息关联以形成动态三维模型。

基于物联网技术利用BIM 场景集成生产仪器、机电设备的运行状态安全风险识别与预警技术，通过污水处理厂及其设备三维模型与进度计划相链接，以时间为控制轴，将各种安全风险按生产仪器、机电设备的运行状态进行叠加演化，得到不同结构和环境条件等综合作用下的时间和空间耦合结果，实现BIM 的安全风险识别三维可视化，达到厂站、设备的在线巡查、远程集控及智能化无人值守管理。

3）虚拟现实（Vinual Reality，VR）技术是使人沉浸于一个由计算机生成或以计算机为中介的可交互虚拟环境中的显示和控制技术，它采用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实世界一样的感觉，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支。本实施例将三维模型的数据导入VR平台，管理人员戴上VR眼镜，可利用VR的操作手柄来实现管理人员在虚拟的超逼真立体场景中进行厂站巡查以及对设备的管控，比如开启或关闭水泵阀门等，可使得管理人员在屏幕前对着动态三维模型，利用VR设备就能亲临其景般去巡查和管控污水处理厂的各种设备以及污水处理过程。

因此，本实施例的厂站及其设备智能巡检场景设计就是依托厂站及其设备精细化三维建模，利用虚拟现实技术，使业务人员能够在虚拟污水处理厂中进行漫游，遵照现场巡检的习惯，在厂站及其设备模型中对每个设备进行查看，同时将与该设备的基础数据、监测数据等信息实时动态的呈现出来，辅助巡检人员发现缺陷、定位故障，提供可视化的信息支撑。

本实施例还采用RFID 技术实现智能解锁钥匙的授权与管理，适合紧急抢修时的任务需求；在操作过程中，手持终端可自动检测智能锁具身份:若正确，智能钥匙语音提醒允许操作命令，同时开放其闭锁机构，此时可进行开锁操作；若走错间隔或误操作，手持终端发出语音错误警告，同时智能锁具无法进行操作，达到强制闭锁的目的，操作人员在得到可靠安全保障的同时又接受良好的培训，体现了“第二监护人”的作用。操作结束后，手持终端通过传送/充电座的形式将倒闸操作信息汇报给应用端进行存储，以便管理人员查询考核、记录跟踪，实现智慧厂站一体化管控，提高了工作效率。

本实施例将BIM 与VR及物联网等新一代信息技术结合应用于厂站及其设备的智能巡检、虚拟交互培训及实景模拟工艺流程展示，可实现实时的三维可视化信息支撑。

本实施例的工作原理如下：

在智能终端，比如电脑端，打开动态三维模型，通过显示器可看到动态三维模型，其立体场景基本跟现实的污水处理厂一样，可以看到污水的进水以及流向，污水处理的各个环节依次展现，鼠标点击某个设备，可弹框显示器实时的运作参数，管理人员或者参与培训的人员可戴上VR眼镜，手握VR操作手柄，就可如亲临其景一般，在动态三维模型中像进入现实的污水处理厂一样，在厂站里边行走，也可对各个设备进行相应的操作，例如控制某个水泵阀门的开关将其开启或者关闭，对应某个设备可查看它的实时的运作参数，某个设备运作异常将会发生报警提示，点击某个摄像头的虚拟图标，可自动链接到与该虚拟图标相关联的真实的摄像头，并将该摄像头所拍摄的真实场景播放出来，还能在智能终端显示污水处理的总览信息，包括污水处理量、能耗、入厂水质、出厂水质等，可供管理者进行数据监控以及根据实际需要对设备运行进行调整。

因此，本实施例的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法及智能管理平台，具有以下优点：

1）基于BIM、VR 及物联网集成技术实现污水处理厂站、感知信息及工艺流程的实景模拟，使得管理人员能身临其境，高效、智能地完成厂站、设备的巡检及预警处理、应急抢险、安全防控，实现厂站的无人值守，大大提高作业效率及管理水平。

2）引入全景动态三维模拟及集控技术，实现生产设备远程监控及虚拟实景模拟，使得操控人员能实时、全面、直观了解各个生产工艺环节的运行状态，大大提高生产管控水平。

3）基于VR 虚拟现实的工艺流程仿真，为员工培训，技术交流、模拟操作等提供真实、互动、情节化的体验，还原真实现场，大大提高员工学习的兴趣。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：基于BIM建模技术建立污水处理厂的三维模型，

步骤二：通过物联网技术将三维模型中的虚拟设备和污水处理厂的现实设备一一进行关联，

步骤三：采集污水处理厂的现实设备的运行参数以及现场视频信息，

步骤四：建立污水处理厂及其设备综合情境信息的数据库，将所采集的信息传输到该数据库，对数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与三维情境的信息关联，形成动态三维模型，

步骤五：将动态三维模型的数据导入VR平台，且接收VR平台的控制指令。

2.如权利要求1所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述三维模型包括污水处理厂的污水处理设施及机电设备的精细模型。

3.如权利要求1所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述三维模型的每个虚拟设备均对应有运行参数，当外界对该虚拟设备产生触发动作，对应该虚拟设备的运行参数则显示出来。

4.如权利要求1所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述运行参数包括运行参数、电动阀门状态、水池的液位信息、污水收集流量和进出水管道的水质信息。

5.如权利要求1所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述步骤四形成动态三维模型的方法包括以下子步骤：

步骤A：通过感知设备采集现实设备的运行参数，在三维模型中通过数据接口/协议实时读取智能感知设备的运行参数以及现场视频信息，

步骤B：通过动画方式模拟出设施、设备的实时状态，以实现直观地模拟污水处理厂的污水处理过程。

6.如权利要求5所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述智能感知设备包括RFID标签，RFID标签贴在厂房的智能锁具上，在操作过程中，手持终端可自动检测智能锁具身份:若正确，智能钥匙语音提醒允许操作命令，同时开放其闭锁机构，此时可进行开锁操作；若错误或误操作，手持终端发出语音错误警告，同时智能锁具无法进行操作，达到强制闭锁的目的，操作结束后，手持终端通过传送/充电座的形式将倒闸操作信息汇报给应用端进行存储。

7.如权利要求5或6所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述智能感知设备还包括传感器、摄像头、水质分析仪、液位仪和在线流量计。

8.如权利要求1所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法，其特征在于：所述设备的实时状态包括电机的转动状态、阀门的启闭状态、水池的水位、水的排放以及管道中的水流方向。

9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。

10.基于BIM、VR及物联网的污水处理智能管理平台，其特征在于：包括终端、VR设备、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一所述的基于BIM、VR及物联网的污水处理厂无人值守方法。