污水处理厂有限空间布局安全性虚拟仿真研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：王青清（1991），女，汉族，重庆人，硕士研究生，重庆水利电力职业技术学院，实验师，研究方向为环境工程水处理技术。-84-污水处理厂有限空间布局安全性虚拟仿真研究 王青清 张 军 重庆水利电力职业技术学院，重庆 400000 摘要：摘要：伴随污水处理厂经营发展理念的不断革新、发展，以及提质增效要求的增加，采用集约式设计或全封闭式、全地下式设计的新建污水处理厂日益增多，致使污水厂空间布局较受限，安全性无法得到充分保障，再加上有限空间布局技艺流程愈发复杂，给建成后的污水处理厂运行、通水调试等带来巨大挑战。基于此，文章聚焦污水处理厂有限空间布局设计，从城市污水处理现状入手，结合当前污水处理厂智能化、信息化等发展情况，针对其有限空间布局进行安全性可视化虚拟仿真系统设计，以实现有限空间相关设备全生命周期监测、可视化智能运维和远程巡检诊断等目的进行研究，以提高整体管理水平的同时，为污水处理厂在有限空间布局上数字化改造提供可鉴新的思路。关键词：关键词：污水处理厂；有限空间布局；安全性；虚拟仿真 中图分类中图分类号：号：X703 0 引言 在我国环境保护意识日益增强，城市建设日新月异，以及土地资源日益紧缺的背景下，将部分或是设备、构筑物等设置于地下厂房内的新建污水处理厂越来越多，如此不但可以利用混凝土或是钢板直接将污水处理过程中产生的大部分恶臭气体密封在地下，提高污水处理厂周围居民的生活品质和空气质量，而且还可地上部分改造为城市绿地，亦或是绿化公园等，优化城市基础设施的同时，创造良好的居住环境。但需重视的是，在城市污水处理系统中，由于其有限空间布局、地理位置等因素影响，处理污水时产生的异味会刺激嗅觉，甚至危害生态环境和造成人员中毒，尤其是地下污水处理厂，将设备、工艺等均迁移到地下，这样设置的空间结构特征直接决定了其作业环境多为受限空间。因此，立足于污水处理厂空间布局，就有限空间安全性进行虚拟仿真，实现可视化监测管理极为必要。1 有限空间含义简述 有限空间是指部分或全部关闭，出入口较狭小，与外界环境比较隔绝，工作人员不能长期工作，并且存在着通风不良、氧气含量不足、容易产生易燃易爆物质积累或有毒有害气体等特点的区域，这些特点也是导致有限空间容易发生死亡事故的重要原因，其中，多以硫化氢有毒有害气体最为常见，所以在有限空间内开展相关工作时，必须确保空气通常、氧气充足。就一些有限空间而言，内部设计较复杂，也是事故多发的主要原因之一1。有限空间的安全布局管理适用于有明确划分的受限空间区域，或是在受限空间中开展作业的专门人员，如污水处理厂员工，设备供应商、土建承包商等相关承包商，亦或是来厂参观学习人员或技术咨询顾问等。2 我国城市污水处理建设现状 截至到 2020 年 12 月，全国共设有 2618 座城市污水处理厂，污水处理能力、污水年排放量分别达 1.92亿立方米/日、571.36 亿立方米，污水处理量年均557.28 亿立方米，且污水处理厂污水集中处理率与城市污水处理率分别是 95.78%、97.53%。城市排水管道长度 80.27 万公里，建成区排水管道密度 11.11 公里/平方公里。到 2022 年年底，国内城市污水排水管道总长度达91.35 万公里，同比上增 4.73%。污水处理厂污水处理力达 2.16 亿立方米/日左右，同比增长 4.04 个百分比；同时，污水处理率为 98.11%，较头一年增长 0.22%；城市生活污水集中收集率为 70.06 个，同比增加 1.47%。如地下型污水处理厂建设所用污水处理思维、技术等均借鉴于国外，在进行国内实践过程中，成功解决了中国科技期刊数据库 工业 A-85-许多关键问题，并逐渐发展成为了一套相对较系统的建设理念与工艺，并取得良好应用成效。如我国深圳布吉、广州京溪和昆明十厂（昆明第十污水处理厂）等地下污水处理厂项目的成功建设，均体现出地下污水处理厂在城市污水处理中有着较重要的建设地位，且市场发展前景广阔。3 对污水处理厂有限空间布置的安全性可视化模拟仿真探析 3.1 污水处理厂建设项目概况 以C市某位于市区周边的新城市污水处理厂为例，该厂规模为 40104m3/天，出水采用地表水环境质量标准（GB3838-2002)IV 类水的城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002)，出水水质达 1A标准。工程为全地埋式，整箱面积为 358m358m，顶部高程 5.5m，高于周边路面标高 1.5m，工作层标高为-1.0m，结构最深处为 18.6 m。该污水处理厂的主要生产作业都集中在一个密闭的地下空间中，上部则是一个开放式的绿地公园。3.2 有限空间布局 安全性虚拟仿真系统建构（1）系统整体设计-数字孪生技术的应用 基于数字孪生技术，以“模型底板-数据采集-数据处理-功能应用”为基本结构，以三维模型底板、设备数据采集层、数据处理层为核心支撑，以数据处理层作为核心支撑，上层是以数据处理为核心的功能应用框，如图 1 所示，以污水处理厂的有限空间布局数字孪生生命周期管理为核心，以可视化智能运维和远程巡检为目标，构建了有限空间从模型底板到数据采集、数据处理、功能应用运维管理的技术体系。图 1 污水处理厂有限空间可视化虚拟仿真系统建构总框架示例图 该模型底板层主要是对数字化有限空间安全性孪生工程的 3D 几何建模进行描述。模型底板层的技术路线主要包含 3 大部分，第一部分为手工绘制图纸，第二部分为激光点云扫描操作，第三部分为倾斜摄影模型的建立，详情可见表 1 所示。模型建构是整个虚拟仿真监管系统中的基础所在，通过不同建模方法构建有限空间中的设备等装置模型，以实现可视化仿真监测，可最大程度提高有限空间安全虚拟仿真模型的使用效率，而且通过多种方法产生的模型可以互相验证和参考，确保了模型的精度2。表 1 模型底板层相关技术路线及其主要功能作用汇总 技术路线 功能作用 图纸手工建模 可制作有限空间内工作者难以操作的设备和管线的模型 激光点云扫描 可利用便携式单人采集装置对有限空间中的运行设备、管道等进行采集，而后展开模型建筑 倾斜摄影模型生成 可借助微型摄像机生成有限空间内 2Km 范围的环境模型 在有限空间安全布局的虚拟仿真监测过程中，系统所获取的数据信息，主要是由水量、水质、水压等智能仪器，无线射频摄像头智能端，以及智能传感器等相关数据信息采集装置共同搜集组成，用于对有限空间内设备等运行数据的实时采集，包括各种仪器的显示信息、人员安全保护与位置信息现场可视监控和流程控制调整数等数据。数据处理层由几何模型、数据中台和智能算法三大模块构成。可借助该层技术中的动态光照系统、Niagara 颗粒系统流程卡，包括 PBR材质系统等技术，合理建筑一个极为真实、可视化的3D 环境；而数据中台则为具有数据历史、数据传输和实时提供相关数据服务的一种管理平台，具有统一存储、统一管理、共享数据，以及基于数据库进行数据编码和分类管理的功能及作用，同时还具有程巡检诊断、可视化智能运维全生命周期管理等功能，可智能运算和分析设备工作状态，并根据空间内设备、管道等位置信息进行最优检修路径计算等等。3.3 技术虚拟仿真应用场景（1）有限空间复杂工程运行情况指导 借助数字化孪生技术的虚拟仿真可视化优势，以及 Unity3D 游戏中的引警技术，污水处理厂有限空间复杂或管理者只需要在简单的操作中，就能理解并掌握有限空间中各布局单元的运行状况管理步骤，从而对整个有限空间运维状况有一个更加清晰、直观的了中国科技期刊数据库 工业 A-86-解和掌握。例如，为了能有效解决目前污水处理厂有限空间布局系统在雨季，以及雨水截留率达到 93%左右等情况下，防止系统溢流入河，本污水处理厂建设了一个 15m左右的调蓄池，这一新建调蓄池采取全地下布局，出、入水为同渠道，且都采取泵送进水与重力式进水的组合方式，并需要同污水处理厂的整体运行水位紧密匹配，通过开启和关闭不同位置的闸门，构成 7 种不同的工作状态，其工作状态十分复杂，给调试工作造成很大的不便3。结合储水池的投入运行条件，在系统中提出了更清晰的处理方案。通过现场调研、图纸研究后，通过数据的分析与整合，统计出每一个条件下所需体现的详细操作内容和图片，并以“分镜”的方式生成脚本形式的通水调试方案，从而为有限空间后续进行可视化模拟仿真检测与管理等技术或系统的深入研发奠定基础。在进行调蓄池通水调试（见图 2）工作时，可对出水情况进行虚拟仿真花的分步分解，每所展现的画面为重要画面时，该系统都会对目前的操作进行说明，以便于现场调试人员对空间内较复杂的工作状态有一个较为清晰的了解。图 2 调蓄池通水调试可视化虚拟仿真示意图 在 Particle System 的合理应用下，成功实现了喷水速度、喷水方向、喷水张角等参数的有效把控，并就通水调试时产生的重力流动效果进行了可视化仿真，如图 3 所示。颗粒效应仿真与水位上升同步，更加符合有限空间布局虚拟仿真系统使用者的认知习惯4。与此同时，由于地下污水处理厂厂房的构造相对较复杂，有限空间中的许多设备都会存在一定程度被建筑物遮挡而很难发现的情况，在此状况下，通过文字脚本方式对装置实施管控，以进行装置运行情况的高亮显示，能够提高空间装置定位的明确性，即达到整个调试工作流程清楚、有序的目的，又能够清晰地把握好整座装置的具体运行情况和方向。图 3 水重力流情况粒子效果模拟仿真示例（2）技术试试流程追踪 在数字孪生技术基础上将将自寻径漫游、交互式漫游进行有机结合方式，为使用者提供多样化的有限空间安全布局浏览选项。既使用者可以根据所设定的调试程序追踪并观察整个操作过程，也可以使用键盘输入与鼠标在指定地点进行自由、灵活、随意的浏览，并确保系统交互性，从而进一步提升系统使用者的漫游效果和质量。同时，在自动寻路漫游时，该系统通过“一镜到底”的监测模式，为整个调试过程进行了全流程的追踪观测，让使用者能够从不同角度（微观、宏观）对通水调试的整个过程有一个全面的认识，并且能够顺着水流的方向对整个污水处理厂在有限空间部位的工艺流程有一个大致的了解5。如当空间内处理水量水位上升时，摄像头会随水位变化移动到下一个单体。（3）远程状况巡检与诊断 在3D可视化虚拟仿真系统当中合理添设空间运行状况巡检与诊断功能，可以进行巡检路径的定制巡检和绘制，也可以在巡检路线中有效地增加兴趣点，并有意识地对兴趣点的注意设备、停留时间进行编辑6。然后，通过数据中台的界面，将这些数据与虚拟引擎连接起来，形成一个虚拟引擎，在每次巡视完毕之后，会对所采集的状态信息进行实时分析和评价，并生成相应的分析评价报告，同时以图形形式显示出来。最后，将评估的数据信息倒推至数据中台，由算法计算产生最新的高质量的巡检路径，从而最大限度地发挥远程巡检与诊断的作用。中国科技期刊数据库 工业 A-87-（4）空间设备或管道全生命周期监控 根据污水处理厂有限空间设备、管道等的物理位置、拓扑结构、外形尺寸等的虚拟仿真建构，并通过多建立的 3D 虚拟仿真模型，能够清楚地显示出有限空间中相关运行管道或设备的外观结构，以及部件的构成及其它们之间的组装关系。在 3D 模型中，将与设备操作有关的图纸数据、参数数据，包括历史工作数据信息图标等相关的资料与可视化虚拟仿真模型相结合，能够实现实时显示设备等信息及具体运行情况，并对运行状态异常和服役已超寿命的设备发出报警和高亮提示7。不管是 3D 检修图板还是 3D 检修工况卡，都是对污水处理厂有限空间内的相关设备等进行三维建模，以实现设备结构及其相关数据的可视化展示功能的有效运用。4 结语 数字化孪生技术可以实现污水处理厂在有限空间内部设备布局及各个单元运行安全性等的数字化信息的建立与维护，并在开展调试工作前对有限空间内的整个过程进行可视化虚拟仿真演示，利用图像处理与计算机图形学等技术，将工程数据转化成图像或图形形式进行仿真战士，实现对污水处理厂有限空间中复杂工程等的虚拟仿真再现，从而达到对受限空间中工程可能会发生的各类问题、装置的具体运行情况等进行可视化模拟，使操作人员更清楚地了解调试工作的最优线路与具体内容和程序，加强调试工作安全性和效率，同时也是对数字孪生技术在城市污水处理项目中有限空间全寿命周期监管应用的扩展，提高了数字孪生技术的可落地性与实用性的同时，也进一步提升了污水处理厂在有限空间布局安全性上的监管水平。参考文献 1王瑞,周慧.城市地下污水处理厂发展现状及污泥处理分析J.南昌工程学院学报,2018,37(1):21-24.2 杨 一 烽,杜 炯,张 欣.国 内 地 下 式 污 水 处 理 厂 的 发 展 现 状 和 关 键 技 术 分 析 J.净 水 技术,2021,40(10):101-106117.3 杨 春 丽,刘 艳,秦 妍.单 开 口 有 限 空 间 自 然 通 风 特 性 及 其 影 响 因 素 研 究 J.安 全 与 环 境 工程,2019,26(4):183-189.4张引玉.污水处理厂通水调试 BIM 可视化仿真系统应用J.中国给水排水,2021,37(14):69-72.5胡小珊,徐铁良,徐志勇.应用 Biowin 模拟预测及优化某城市污水处理厂运行管理 J.山东化工,2021,50(19):279-280.6孙腾,徐希涛,刘欣,郭正扬.基于数字孪生技术的污水处理厂仿真监控设计研究J.环境科学与管理,2023,48(8):99-104.7 王 诚 兰,王 银 春,王 蕾.服 务 器 虚 拟 化 在 污 水 处 理 厂 自 控 系 统 中 的 应 用 J.给 水 排水,2022,48(S01):507-509518.