CN116307565A - 一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，涉及污水处理技术领域。本发明基于数字孪生技术的模型还原子系统实现对污水处理厂的场景模拟和还原，实现透明化与可视化的管理，可将多区域多个污水处理厂厂区集中管理起来，实现水厂资源统一管理、统一调配、统一运营，提高资源利用率和运营管理效率。本发明通过工艺仿真子系统和数据关联子系统对污水处理工艺进行仿真，获取实时监测数据，在虚拟的三维数字孪生场景中进行实时模拟仿真推演，帮助运营管理层无需到现场也能实现远程且身临其境的实时监测和管控，提高管理效率。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统。
背景技术
随着经济的发展，带来了一系列环境问题，引起全球的关注。污水处理作为环境保护重要的一方面，也受到全社会的重视，各个大大小小的生产型企业、乡村和城市都被要求进行污水达标排放和水环境治理，但无论是企业还是政府往往不具备污水处理的条件和能力，即便有能力，也是一项很大开支。为此，社会上产生了进行污水处理、环境治理的专业机构，可以大大提高污水处理质量和效率，提高资源利用率。目前对于污水处理厂区的管理手段相对较为落后，很多还处于传统人工监控方式，不仅效率低，管理困难，人工依赖性强，而且存在监管漏洞和盲区。
现有技术中虽然出现了一些较为智能的监管方式，但也只是基础的数据管理方式，可视化程度不强，仍需要专业人员进行过程把控，同时也只是局限于单个厂区的污水处理智能监管。
这些专业的污水处理机构随着业务的拓展，污水处理项目也越来越多，且不再局限于处理一两个污水项目和当地的污水处理项目，而逐渐开始在全国铺展开来，每日处理污水的规模也越来越庞大。同时由于业务企业的高速发展，污水处理厂的数量越来越多，污水处理厂的厂区规模越来越大，传统的人工监管方式和较为基础单一的数据管理方式，需要同时配备很多专业的监控人员，在监管效率上大打折扣，很显然，上述方法已经无法适用。
基于此，提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，基于数字孪生技术的模型还原子系统实现对污水处理厂的场景模拟和还原，实现透明化与可视化的管理，提高资源利用率和运营管理效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，包括：模型还原子系统、工艺仿真子系统和数据关联子系统；其中
所述模型还原子系统包括
场景还原模块，用于对污水处理厂及周边场景进行场景还原，建立虚拟的三维数字孪生场景；
设备设施模型建立模块，用于对污水处理厂包含土建工程方面设备、专用设备、电气设备和通用设备的大型设备进行建模；
所述工艺仿真子系统包括
一级处理仿真模块，用于对污水的一级处理工艺进行仿真；
二级处理仿真模块，用于对污水的二级处理工艺进行仿真；
三级处理仿真模块，用于对污水的三级处理工艺进行仿真；
所述数据关联子系统包括
数据采集模块，用于采集厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据；
数据展示模块，用于展示厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据。
本发明提供了一种优选方案，所述模型还原子系统还包括关键部位二次建模模块，用于对设备设施中具有监测数据的关键部位进行二次建模，设置为独立模型。
本发明提供了一种优选方案，所述数据关联子系统还包括数据比对模块，用于对采集到的监测数据与提前设置好的数据进行比对，判断数据是否异常；异常提醒模块，用于在监测数据异常时弹窗通知提醒或采用醒目颜色的发光条在当前系统界面上闪烁；位置引导模块，用于在监测数据异常时提供进入异常的关键部位的链接按钮；数据可视化场景联动模块，用于在监测数据异常时与相应的关键部位进行联动，将发生异常的关键部位醒目显示；数据突出显示模块，用于在监测数据异常时突出显示异常的数据。
本发明提供了一种优选方案，所述工艺仿真子系统还包括水流仿真模块，用于设施设备运行参数和水流量对污水在整个污水处理工艺流程中的流动、走向进行仿真模拟；设施设备动态运转仿真模块，用于结合设施设备运行参数对污水处理工艺中的各个设施设备的运转进行模拟。
本发明提供了一种优选方案，所述数据关联子系统还包括数据存储模块，用于存储厂区运行的各工艺段的实时数据和设备状态数据；数据查看模块，用于根据需要调取并查看任意时间段的历史测点数据；数据统计模块，用于根据查看的历史测点数据生成统计图；数据导出模块，用于将任意数据进行导出；数据隐藏模块，用于将非关键数据进行隐藏。
本发明提供了一种优选方案，本发明实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统还包括水资源调配子系统，该子系统包括污水调配模块，用于从多个污水产出端分别获取设定时间段内预计污水量和实际污水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的污水处理量，然后根据时间段、污水处理量、污水产出端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行污水有序调配；清水调配模块，用于从多个清水需求端分别获取设定时间段内预计需水量和实际需水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的清水产出量，然后根据时间段、清水产出量、清水需求端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行清水有序调配。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明基于数字孪生技术的模型还原子系统实现对污水处理厂的场景模拟和还原，实现透明化与可视化的管理，可将多区域多个污水处理厂厂区集中管理起来，实现水厂资源统一管理、统一调配、统一运营，提高资源利用率和运营管理效率。
(2)本发明通过工艺仿真子系统和数据关联子系统对污水处理工艺进行仿真，获取实时监测数据，在虚拟的三维数字孪生场景中进行实时模拟仿真推演，帮助运营管理层无需到现场也能实现远程且身临其境的实时监测和管控，提高管理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统的模块框图；
图2为本发明实施例1一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中模型还原子系统的模块框图；
图3为本发明实施例1一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中工艺仿真子系统的模块框图；
图4为本发明实施例1一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中数据关联子系统的模块框图；
图5为本发明实施例2一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中模型还原子系统的模块框图；
图6为本发明实施例3一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中数据关联子系统的模块框图；
图7为本发明实施例4一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中工艺仿真子系统的模块框图；
图8为本发明实施例5一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统中数据关联子系统的模块框图。
图中标记：
模型还原子系统100，场景还原模块110，设备设施模型建立模块120，关键部位二次建模模块140；工艺仿真子系统200，一级处理仿真模块210，二级处理仿真模块220，三级处理仿真模块230，水流仿真模块240，设施设备动态运转仿真模块250；数据关联子系统300，数据采集模块310，数据联动模块320，数据展示模块330，数据比对模块340，异常提醒模块350，位置引导模块360，数据可视化场景联动模块370，数据突出显示模块380，数据存储模块390，数据查看模块391，数据统计模块392，数据导出模块393，数据隐藏模块394。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参考图1，本实施例的一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，包括：模型还原子系统、工艺仿真子系统和数据关联子系统。
请参考图2，本实施例模型还原子系统包括
场景还原模块，用于对污水处理厂及周边场景进行场景还原，建立虚拟的三维数字孪生场景；
设备设施模型建立模块，用于对污水处理厂包含土建工程方面设备、专用设备、电气设备和通用设备的大型设备(包括污水一级处理、二级处理、三级处理工艺中各个设施设备)进行建模，这里采用精模建设；
请参考图3，本实施例工艺仿真子系统包括
一级处理仿真模块，用于对污水的一级处理工艺进行仿真；
二级处理仿真模块，用于对污水的二级处理工艺进行仿真；
三级处理仿真模块，用于对污水的三级处理工艺进行仿真；
请参考图4，本实施例数据关联子系统包括
数据采集模块，用于采集厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据；
数据联动模块，用于将实时监测数据和设备状态数据与所述三维数字孪生场景联动；
数据展示模块，用于展示厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据。
本实施例通过基于数字孪生技术的模型还原子系统实现对污水处理厂的场景模拟和还原，实现透明化与可视化的管理，可将多区域多个污水处理厂厂区集中管理起来，实现水厂资源统一管理、统一调配、统一运营，提高资源利用率和运营管理效率。
本实施例通过工艺仿真子系统和数据关联子系统对污水处理工艺进行仿真，获取实时监测数据，在虚拟的三维数字孪生场景中进行实时模拟仿真推演，帮助运营管理层无需到现场也能实现远程且身临其境的实时监测和管控，提高管理效率。
实施例2
实施例2包含实施例1的技术方案，但与实施例1还存在如下区别：
请参考图5，本实施例模型还原子系统还包括关键部位二次建模模块，用于对设备设施中具有监测数据的关键部位进行二次建模，设置为独立模型。
本实施例通过二次建模模块，将设备设施的关键部位单独提取出来，作为重点虚拟可视化监测对象，进一步提高监测和管理的效率。
实施例3
实施例3包含实施例2的技术方案，但与实施例2还存在如下区别：
请参考图6，本实施例数据关联子系统还包括
数据比对模块，用于对采集到的监测数据与提前设置好的数据进行比对，判断数据是否异常；
异常提醒模块，用于在监测数据异常时弹窗通知提醒或采用醒目颜色的发光条在当前系统界面上闪烁；
位置引导模块，用于在监测数据异常时提供进入异常的关键部位的链接按钮；
数据可视化场景联动模块，用于在监测数据异常时与相应的关键部位进行联动，将发生异常的关键部位醒目显示；
数据突出显示模块，用于在监测数据异常时突出显示异常的数据。
本实施例通过数据比对、异常提醒、位置引导、数据可视化场景联动以及数据突出显示的方式，对关键部位出现运行异常的情况进行识别并定位，使用户能在庞杂的三维数字孪生场景中快速找到设备设施关键部位的异常位置，提高用户响应速度，降低污水安全隐患，提高污水处理效率，提高监测和管理效率。
实施例4
实施例4包含实施例3的技术方案，但与实施例3还存在如下区别：
请参考图7，本实施例工艺仿真子系统还包括
水流仿真模块，用于设施设备运行参数和水流量对污水在整个污水处理工艺流程中的流动、走向进行仿真模拟；
设施设备动态运转仿真模块，用于结合设施设备运行参数对污水处理工艺中的各个设施设备的运转进行模拟。
本实施例通过水流仿真和设施设备动态运转仿真，可以更加真实地还原污水处理场景，使监测变得直观，同时增加水流监测也为水资源运营调配提供良好的场景和数据基础。
实施例5
实施例5包含实施例4的技术方案，但与实施例4还存在如下区别：
请参考图8，本实施例数据关联子系统还包括
数据存储模块，用于存储厂区运行的各工艺段的实时数据和设备状态数据；
数据查看模块，用于根据需要调取并查看任意时间段的历史测点数据；
数据统计模块，用于根据查看的历史测点数据生成统计图；
数据导出模块，用于将任意数据进行导出；
数据隐藏模块，用于将非关键数据进行隐藏。
本实施例通过数据存储、数据查看、数据统计、数据导出和数据隐藏等模块，可以丰富数据关联操作，提高数据可视化程度的同时也使数据被更加合理且高效的利用，进一步提升管理效率。
实施例6
本实施例实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统还包括水资源调配子系统，该子系统包括
污水调配模块，用于从多个污水产出端分别获取设定时间段内预计污水量和实际污水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的污水处理量，然后根据时间段、污水处理量、污水产出端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行污水有序调配；
清水调配模块，用于从多个清水需求端分别获取设定时间段内预计需水量和实际需水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的清水产出量，然后根据时间段、清水产出量、清水需求端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行清水有序调配。
本实施例加入污水调配和清水调配，可自动完成污水运营和清水运营，提高污水处理运营效率的同时，实现污水处理双向营收，进一步实现多区域多污水处理厂集中管理，实现水厂资源统一管理、统一调配、统一运营，提高资源利用率和运营管理效率，而且还可以为未来实现全国水资源调度运营打下数据基础，实现可能。
本实施例在调配污水和清水时，根据时间段对各个已连通管网的污水处理厂进行排班，同时还要结合距离最近原则和污水处理量不超出相应污水厂处理量的原则来提高效率，降低成本。
本实施例中，场景还原模块根据倾斜摄影、卫星图及全景图资料进行场景还原。
本实施例中，周边场景面积2至5平方公里，包括周边水域、绿化、道路、广场、停车场及主要建筑物，周边外扩1至2公里范围白模数据(建模精细程度的一种，最粗糙的就是白色几何体块代表模型，俗称“白模”)。
本实施例中，设备设施模型建立模块中，提供设备上图、打点、标绘和呈现，并支持漫游展示和关联操作，即，将建模的设备与真实设备的数据做关联绑定。
本实施例中，一级处理工艺中的设备设施包括粗格栅、细格栅、鼓风机、吸沙机、沙水分离器和第一加药间；所述二级处理工艺中的设备设施包括潜水搅拌器、盘式微孔曝气器、混合液回流泵、中心传动式双管式吸泥机、浮渣挡、剩余污泥泵和回流污泥泵；所述三级处理工艺中的设备设施包括深度处理提升泵房、高效澄清池、第二加药间、臭氧接触池、纤维转盘滤池、中水回用池和出水提升泵房。
一级处理仿真模块
粗格栅：是由多组相平行的金屈栅条与框架组成，顺斜安装在进水的集道中，以拦污水中粗大的息浮物及质，去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行；
细格栅：采用6mm间隙的细格栅，对污水进行二次拦截，去除水中一些细小的颗粒及悬浮物，格栅截留物经螺旋输送机送入螺旋压榨机；
鼓风机：通入空气至污水处理池底部，进行曝气，使池内水流产生与主流垂直的横向旋流，并使污水处理池中的生物活性物能充分与污水中的物质接触，从而达到除污的目的。
吸沙机：将池底部砂水混合液提升并排至池边的集水渠。去除污水中粒径大于0.2mm的砂粒保护后续水处理设备，防止管道淤塞，减少污泥中的砂粒。
沙水分离器：将沉砂池排出的砂水混合液经螺旋输送机送入螺旋压榨机，进行砂水分离，压榨后外运出。
2#加药间：为生物池补充碳源，主要分为提供微生物合成菌体繁殖的主要营养、反硝化的电子供体、生物除磷协助聚磷菌释放。
二级处理仿真模块
潜水搅拌器：防止污泥沉积在池底部，将污水与回流水流混合在一起，保持池内的混合液呈悬浮状态，使微生物与其基质充分接触。
盘式微孔曝气器：将空气分散成气泡，扩散到混合液中，使气泡中的氧溶解到混合液中，提供微生物生化反应所需要的溶解氧，同时保证污水的充分混合，使活性污泥处于悬浮状态。
混合液回流泵：将O池的硝态氮回流到A池进行反硝化，将硝态氮转化为氮气，从而实现脱氮。并维持生化池内一定的悬浮固体浓度，保持一定的微生物浓度。
中心传动式双管式吸泥机：将沉淀在池底上的污泥通过中心传动式双管式吸泥机刮到吸泥机的吸泥口，利用压力差将二沉池的污泥排入污泥泵房收集、待分配。
浮渣挡板：二沉池的浮渣通过表面的浮渣話刮板刮至浮渣斗内，通过浮渣斗内的浮渣挡板将浮渣和上清液进行分离，上清液留在二沉池，浮渣排至厂内污水提升泵房。
剩余污泥泵：为保证生物系统的污泥浓度在合理控制范围，将多余的污泥利用剩余污泥泵排除出生化系统至污泥储池中。
回流污泥泵：通过回流污泥泵将污泥回流至生化系统前端，使生物池内保持一定的污泥浓度。
三级处理仿真模块
深度处理提升泵房：将二沉池的出水提升至一定高度，然后利用水的势能自流至各个深度处理段进行处理。
高效澄清池：通过搅拌器、刮泥机、斜管、旋转撤渣机污泥回流泵将水面上漂浮的浮渣、杂物、油类、泡沫等物质收集至排渣槽，排出高效澄清池。
1#加药间：提供次氯酸钠系统、PAC系统、PAM系统、活性炭系统，进行絮凝沉淀，进一步去除污水中的BOD5、COD、TN、TP等，达到净化水质的目的。
臭氧接触池：通过制备臭氧，利用臭氧氧化废水中的有机物，在提高废水的可生化性的同时，还可以去除一部分有机污染物。
纤维转盘滤池：去除污水中以悬浮状态存在的各种杂质，通过池底穿孔排泥管将污泥回流至厂区排水系统。
中水回用池：对处理后的尾水进行消毒处理，中水回用池后设事故应急排放管，与提升泵房出水管事故应急排放管联通。
出水提升泵房：污水经处理达标后，通过尾水排放管接入现状排海管道，最终经桐乡市尾水排海管道排放至钱塘江海域。
本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本申请所提供的一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，包括：模型还原子系统、工艺仿真子系统和数据关联子系统；其中
所述模型还原子系统包括
场景还原模块，用于对污水处理厂及周边场景进行场景还原，建立虚拟的三维数字孪生场景；
设备设施模型建立模块，用于对污水处理厂包含土建工程方面设备、专用设备、电气设备和通用设备的大型设备进行建模；
所述工艺仿真子系统包括
一级处理仿真模块，用于对污水的一级处理工艺进行仿真；
二级处理仿真模块，用于对污水的二级处理工艺进行仿真；
三级处理仿真模块，用于对污水的三级处理工艺进行仿真；
所述数据关联子系统包括
数据采集模块，用于采集厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据；
数据联动模块，用于将实时监测数据和设备状态数据与所述三维数字孪生场景联动；
数据展示模块，用于展示厂区运行的各工艺段的实时监测数据和设备状态数据。
2.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述模型还原子系统还包括关键部位二次建模模块，用于对设备设施中具有监测数据的关键部位进行二次建模，设置为独立模型。
3.根据权利要求2所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述数据关联子系统还包括
数据比对模块，用于对采集到的监测数据与提前设置好的数据进行比对，判断数据是否异常；
异常提醒模块，用于在监测数据异常时弹窗通知提醒或采用醒目颜色的发光条在当前系统界面上闪烁；
位置引导模块，用于在监测数据异常时提供进入异常的关键部位的链接按钮；
数据可视化场景联动模块，用于在监测数据异常时与相应的关键部位进行联动，将发生异常的关键部位醒目显示；
数据突出显示模块，用于在监测数据异常时突出显示异常的数据。
4.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述工艺仿真子系统还包括
水流仿真模块，用于设施设备运行参数和水流量对污水在整个污水处理工艺流程中的流动、走向进行仿真模拟；
设施设备动态运转仿真模块，用于结合设施设备运行参数对污水处理工艺中的各个设施设备的运转进行模拟。
5.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述数据关联子系统还包括
数据存储模块，用于存储厂区运行的各工艺段的实时数据和设备状态数据；
数据查看模块，用于根据需要调取并查看任意时间段的历史测点数据；
数据统计模块，用于根据查看的历史测点数据生成统计图；
数据导出模块，用于将任意数据进行导出；
数据隐藏模块，用于将非关键数据进行隐藏。
6.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，还包括水资源调配子系统，该子系统包括
污水调配模块，用于从多个污水产出端分别获取设定时间段内预计污水量和实际污水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的污水处理量，然后根据时间段、污水处理量、污水产出端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行污水有序调配；
清水调配模块，用于从多个清水需求端分别获取设定时间段内预计需水量和实际需水量，同时从多个污水处理厂区分别获取每日的清水产出量，然后根据时间段、清水产出量、清水需求端与污水处理厂区的管网接通情况以及调配距离进行清水有序调配。
7.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述场景还原模块根据倾斜摄影、卫星图及全景图资料进行场景还原。
8.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述周边场景面积2至5平方公里，包括周边水域、绿化、道路、广场、停车场及主要建筑物，周边外扩1至2公里范围白模数据。
9.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述设备设施模型建立模块中，提供设备上图、打点、标绘和呈现，并支持漫游展示和关联操作。
10.根据权利要求1所述的实时模拟仿真推演污水处理的三维数字孪生运营管理系统，其特征在于，所述一级处理工艺中的设备设施包括粗格栅、细格栅、鼓风机、吸沙机、沙水分离器和第一加药间；所述二级处理工艺中的设备设施包括潜水搅拌器、盘式微孔曝气器、混合液回流泵、中心传动式双管式吸泥机、浮渣挡、剩余污泥泵和回流污泥泵；所述三级处理工艺中的设备设施包括深度处理提升泵房、高效澄清池、第二加药间、臭氧接触池、纤维转盘滤池、中水回用池和出水提升泵房。
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