数字孪生在泵站无人智能化管理中的应用.pdf

模型基础操纵功能如下：IndustryApplication业应用电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期数字李生在泵站无（智能化管理中的应用瞿亚纯，朱晨晟（1.常州市排水管理处泵站管理所，江苏常州213022；2.上海电气自动化设计研究所有限公司，上海200023摘要：为实现泵站建筑结构可视化、设备运行状态实时可查，实现泵站的无人值守化，对泵站应用了数字李生技术。基于数字李生和排水泵站远程监控系统，利用数字李生、物联网、遥感遥控等技术，建设泵站数字李生模型，以智能控制、远程测控和虚拟现实为特色，研究和实践了泵站无人智能化管控的各项业务应用，为泵站智能化和无人化管控提供了有益探索和指导。关键词：数字李生；视频融合；数据融合；远程巡检；漫游巡视D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.034中图分类号 TU992.44文献标志码A文章编号10 0 0-38 8 6（2 0 2 3）0 4-0 10 8-0 4Application of Digital Twins in UnmannedIntelligent Management of Pumping stationsQu Yachun,Zhu Chensheng?2(1.Changzhou Drainage Administration,Changzhou Jiangsu 213022,China;2.Shanghai Electrical Automation Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200023,China)Abstract:In order to realize the visualization of the pumping stations building structure,the unattended operation of the pumping station,andthe real-time inspection of the equipment operation status,the digital twins technology was applied to the pumping station.Based onthe digital twins and remote monitoring system of drainage pumping station,the digital twins model of the pumping station was built byusing digital twins,Internet of Things,remote sensing and remote control and other technologies.With the characteristics ofintelligent control,remote measurement and control and virtual reality,various business applications of unmanned intelligent controlof pumping station were studied and practiced,providing beneficial exploration and guidance for intelligent and unmanned control ofpumping station.Keywords:digital twins;video fusion;data fusion;remote inspection;roaming inspection0引言以常州排水管理处的典型泵站一平岗泵站作为数字李生模型建设对象，通过无人机航拍、CAD图纸和BIM模型等多规合一的方式构建三维场景，结合视觉感知实现实时视频与静态模型的“虚实融合”，打造“实时鲜活、时空一体”的平岗泵站李生底座。通过平岗泵站李生底座，调用API接口实现三维场景与应用场景的双向互动，连通物联感知系统、自动化控制系统，打造站内态势、设备状态、远程操控等应用场景，赋能泵站智能化和无人化管理21数字李生模型创建1.1三维数据采集及处理平岗泵站外围，泵站室内的配电间、泵房和泵池等实现三维采集重建。1）泵站外围针对整外围鸟瞰采用航飞扫描的三维数据采集建模方式，对室外大型区域采用无人机五镜头航测扫描后进行光场数字三维建模。针对实测区域的不同特点，采用不同的三维数据采集建模方式，对室外大型区域采用无人机五镜头航测扫描后进行光场数字定稿日期：2 0 2 2-11-0 4108Electrical Automation三维建模；对低点位复杂结构进行地面补拍；航测数据采集为2cm分辨率区域。2）泵站室内结合CAD数据和BIM模型还原泵站室内泵房及控制间三维场景。3）泵池及地下管道结合项目提供的管道隐蔽工程等的CAD图纸进行三维重建，完成泵站地下管道整体结构三维数字化1.2泵站3D建模对采集的数据进行一套完整的处理流程之后，生成高精度的三维模型，为了达到最佳的染效果，辅以贴图材质处理。具体来说，三维模型在完成重建后将进行预处理降噪，提高模型的美观程度，并优化人工处理部分路面等杂乱噪声三维数据。同时针对大地块区域进行三维模型格式的转换，并对模型进行优化压缩，便于高效地导人平岗泵站数字李生底座系统。（1）场景漫游：外立面36 0 度旋转观察，可以自动漫游，视角不可控制，对关键设施内部实现室内的漫游，如泵房。（2）视角控制：控制视角上下左右方向以及视角的远近距离。（3）空中行走：控制俯视视角下前后左右的空中行走以及上下行走。ElectricalAutomation109IndustryApplication业应用电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期（4）俯视：当视角为第一视角或者漫游状态时，恢复成俯视视角的作用。（5）透明：将模型透明化，可以清晰地从外部查看启闭机房内部，以及埋藏在地下的传感器（6）聚焦：对构件对像可拉近焦距，展示该构件的详情信息，（7）动画：如泵的启闭机开启、水流动及闸门控制等动画效果。（8）视频融和：可以查看现场摄像头，并实现实时视频与虚拟场景的融和。总体建模效果如图1所示。图1泵站3D模型1.3三维数字化煊染平台泵站李生底座系统采用次时代引擎对三维场景进行实时染，稳定运行。1）支持光照、天气模拟仿真染引擎系统具有强大的染功能，可以呈现逼真的光影、天气效果。2）支持三维视频融合染引擎系统支持三维视频融合，打造“虚实融合、时空一体”的李生底座。将接入的视频画面投影到三维空间场景中，匹配融合多点位的视频和与之相关的三维虚拟场景，生成一个新的关于此场景的动态虚拟场景，实现虚拟场景与实时视频的融合，即“虚实融合”。三维视频融合使得二维的视频有了更真实的空间位置感，同时让整个数字李生底座“活”了起来，而不再是原来静态的三维模型33）支持多源数据接人李生底座支持复杂真实场景的数字李生重构，可分层按需显示，集成三维地理信息系统，通过内置的数据接入服务，接入多源数据模块，融合显示在统一的三维可视化系统中，获取时空管理数据。4）支持全要素信息导人染引擎突破了数据只能以二维展现的原有方式，将接收的数据进行三维可视，包括视频数据、IoT状态数据和深度学习结构化数据等。三维化的展示方式增加了用户的空间位置感，叠加真实的光影、天气效果，用户就像置身于“超现实”世界，这种方式为智能研判提供更有效的反馈、识别、分析，提升泵站管理数据资源的应用价值。1.4三维实时视频融合1）功能介绍三维视频融合是以精准的三维模型、GIS信息系统为依托，连通孤立的二维视频数据，将动态视频与静态场景相融合，使碎片化的场景在三维数字李生底座中全方位实时展现，纵览全局4。三维视频融合基于多视频的虚实融合可视化系统，旨在将真实世界中的图像和视频融合到虚拟场景中，用视频图像中的纹理和动态信息去丰富虚拟场景，提高虚拟环境的真实性，得到一种增强的虚拟环境李生底座系统将实时拉取的视频流、相应的实地三维模型以及计算得到的三维参数输人三维视频染平台，并基于CPU和CPU异构并行架构，实现大规模数据并发处理和超高分辨率实时实景融合处理，表现形式为三维视频融合染引擎进行实时染。融合画面编码推流到展示平台进行展示，若用户在操控平台进行操控，交互操作得到秒级反馈，新的融合画面得以秒级呈现。图2 为在线融合标定系统（markeronline）结构示意图。维图像谊染器三维图像谊染器模型与相机管理器关键点标记模块标定记录管理器参数计算模块5图2在线融合标定系统（markeronline）结构示意图三维视频融合以虚拟现实融合技术为基础，以三维模型为依托，立体化展现“监”与“控”的空间逻辑关系，增强用户三维空间沉浸感，从而达到快速识别、快速处理突发事件的安防目标5。通过对融合视频区域进行三维建模，构建出三维虚拟环境，将离散分布在区域不同位置、具有不同视角的监控视频实时动态融合到真实三维模型中，实现对监控范围整体大场景的连续监控和实时融合展示，并提供俯瞰视角从宏观上掌握监控点区域的态势变化，实现对区域的整体态势与局部细节的多尺度感知，实现空间立体化防控。图3为视频融合和效果，左下角平岗安防是实时视平防图3视频融和效果110ElectricalAutomationIndustryApplication业应用电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期频图像。1.5物联数据融合以泵站李生模型为底座，实现物联监测数据和业务数据的叠加，包括各类设施设备的快速定位，运行监测数据（液位、流量、管道流向、电压电流等数据）的标记，各类设备（机械、电器、除臭设备等）的状态数据和动态效果展示，以及安防设备（门禁、烟雾传感、电子围栏、视频）、环境监测数据（温度、湿度、氨气、硫化氢）等全面接人和标记，并根据监测数据实时调整李生模型的组件状态，实现数字李生模型的工作状态展示和实际泵站保持一致。物联数据接入示意图如图4所示。2图4物联数据接入示意图1.6泵站远控系统对接泵站远控系统（SCADA系统）可对泵站进行稳定和可靠的控制，包括泵的启停、泵启停的各项参数设置以及格栅机启停等。数字李生泵站模型通过与SCADA系统的互通实现泵站的远程控制，包括权限控制、安全检查、指令下发和指令反馈等。具备权限的用户在李生模型上可发起远控指令，指令下发到SCADA系统，由SCADA系统实际控制远程设备并将配置结果反馈给李生模型，李生模型根据返回结果以及新的状态数据，实时刷新模型组件，如泵的启动、格栅机的启动、电控柜面板灯的点亮灯，从而保持与实际泵站运行完全一致的状态。远程操控界面如图5所示。国口口口回口口口图5远程操控界面2业务应用2.1工程运行监视工程运行的相关数据包括实时液位、流量、主要设备（泵、格栅）开启状态、运行时长、配电柜监测与监视、配电房温湿度监测和环境监测（氨气、硫化氢）、安防等，以及对应监测对象的预警和告警。通过不同场景切换，实时监视运行数据，并且在虚拟场景中实时感知泵站运行状态。可以身临其境地感受泵站各项运行参数，对预警和告警可以通过实时融和视频查看现场状态，并采取相关措施及时应对各类预警和告警2.2运行分析和统计实时刷新各类监测数据曲线和报表，数据以HTML形式在李生模型两侧以信息块方式显示，效果图如图6 所示平肉泉站图6运行分析和统计主要统计和分析的数据包括：液位、流量、周边环境、实时运行方案和安防状态等2.3工程运行远控泵站运行远程控制是泵站自动化运行的一个重要环节6 ，远控对于现场环境的确认，以及远控指令的执行条件、执行过程、执行结果监测和控制，是实现安全和稳定远控的重要前提。数字李生在还原真实场景、监测数据和实时视频的基础上，对接泵站SCADA系统。通过数字李生场景发出的操控指令，在进行一系列基于李生场景的安全确认之后，通过SCADA系统实现远程设备的有效和可靠启停和参数调整等。再通过数字李生场景的设备实时运行状态变化、参数变化和融和视频进行反馈和确认，从而达到场景化、形象化和稳定、安全、可靠的设备远控。2.4远程巡检依托于数字李生模型和融和视频，可以对泵站巡检以虚拟现实的方式进行，实现人员不用到现场巡检7 。根据预定义的巡检路线在数字李生模型中设置好对应路线，根据巡检内容将巡检路线上的摄像头预置位对准巡检设备或仪表盘，通过在虚拟平台上点击“一键巡检”，系统会在数字李生泵站中自动进入巡检路线，并在打卡点自动调人融和视频和实时监测数据，用户只需在视频上点击确认，即自动漫游进入下一个打卡点执行同样操作，从而实现“人不到现场”的全虚拟化巡检，节约大量路上奔波的时间，极大提高巡检效率2.5远程漫游巡视远程漫游巡视是在泵站李生模型中设置几条固定的漫游路线，实现基于虚拟场景的漫游8 。漫游在如下几种场景下有很好的应用。（1）常规巡视。对泵站定期或不定期进行巡视，不需要到现场。打开数字李生泵站，点击巡视，即可进人按设计路线对泵站ElectricalAutomation111上接第10 7 页）IndustryApplication业应用电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期进行巡视，并实时查看融和视频所覆盖的实时场景。（2）生产工艺巡视。泵站最重要的功能就是抽排水，生产工艺巡视定义从进水管、进水口、格栅机、泵池和出水口的路线，以实时监测数据为依托，展示设备运行、泵池液位和水流动态。（3）参观路线。以参观者路线进行漫游和定点场景驻留，主要服务于对外宣传的需要，在泵站运行自动化管理对外交流和宣传时，实现一键式漫游展示。3结束语通过建立泵站的数字李生模型，将模型与真实泵站的物联监测网络、自动化远控系统进行互通和互联，实现了数字李生模型与真实泵站近乎完全一致的物理形态、运行动态和环境动态同步，并通过数字李生平台实现了具备实用价值的运行全可视化监测、可视化远控、远程巡检和漫游功能，达到泵站数字李生模型对真实泵站的全息再现，并实现对泵站各项运行管理业务的支持，极大降低人工费用，提高泵站管理效率。参考文献：【1毛思，朱晓冬，赵峰，等基于数字李生的秦淮准河生态调水三维可视化平台研究与设计C】/中国水利学会2 0 2 1学术年会论文集第四分册。北京：黄河水利出版社，2 0 2 1：36 9-37 6.真值-CBAM+Inception*-LM0.0850.0840.0830.082三0.081N0.0800.0790.0780.0770.0760.0750.050.05J/m0.040.020.010.020.030.04000.01-0.01x/m图6目标物在2 cm/s的运动下预测轨迹表2两算法在不同速度下的位置误差运动速度/(cms)CBAM+Inception/mmLM/mm10.89 0.481.80 0.5020.90 0.492.59 0.7130.93 0.513.70 1.084结束语本文为解决永磁定位中传统算法运行时间长、快速运动下定位精度差的问题，提出了一种融合卷积块注意力机制的Inception神经网络的快速永磁跟踪方法。将一维的磁场数据转化为二维矩阵，再通过Inception网络融合CBAM注意力机制预测出永磁体的位姿。试验结果表明，本文方法在静态下预测的位姿误差为【2 房灵常，唐炜，陈金水智能泵站关键技术研究J中国农村水利水电，2 0 2 0(12)：7 3-7 6.【3吴晨构筑统一数字底座推动数字李生城市建设J北京观察，2021(2):73.【4宁泽西，秦绪佳，陈佳舟。基于三维场景的视频融合方法J计算机科学，2 0 2 0，47（增刊2）：2 8 1-2 8 5.【5陈宝权基于三维视频融合的监控分析系统J中国公共安全（综合版），2 0 12（15）：18 6-190.【6 刘志泉，李建梅泵站电气自动化控制中智能化技术的发展及应用C/中国电力设备管理协会第二届第一次会员代表大会论文集北京：出版者不详】，2 0 2 2：4549.【7 张绿原，胡露骞，沈启航，等水利工程数字李生技术研究与探索C/中国水力发电工程学会自动化专委会2 0 2 1年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会论文集南京：【出版者不详】，2021:341-345.【8 华璇试论泵站远程监控应用系统J治准，2 0 2 0（2）：36-38.【作者简介】翟亚纯（198 7 一），男，江苏人，工程师，专业：控制理论与控制工程。朱晨晟（198 4一），男，上海人，工程师，专业：电气工程及其自动化。（0.8 6 0.40）m m 和（0.8 10.36）；其运算速度比传统的LM算法提升2 0 0 倍；快速定位下位置误差在1mm左右，比LM算法下降50%以上。因此，本文提出的卷积神经网络永磁定位方法是一种快速运动下的高精度定位方法。参考文献：1史秦媛面向永磁驱动胶囊机器人的磁定位方法研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 2 1.2J SON D,YIM S,SITTTI M.A 5-D localization method for a magneticallymanipulated untethered robot using a 2-D array of hall-effect sensorsJ.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,21(2):708-716.【3苏时荐.基于磁偶极子模型的物流机器人磁钉定位技术研究D.福州：福州大学，2 0 2 1.【4吕博文高精度永磁体定位技术研究及其应用D太原：中北大学,2 0 2 0.5王勇.基于车载36 0 环视影像和深度神经网络的路面坑塘与裂缝检测J.电气自动化，2 0 2 0，42（4）：99-10 2.6 吴佳青，魏栋，陈尤，等。基于RTK与视觉辅助定位的自主无人机架线系统J.电气自动化，2 0 2 1，43（2）：2 7-2 9.7 吴聪，郭志强，杨杰。基于改进的注意力机制残差网络穴盘幼苗分类算法研究J激光与光电子学进展，2 0 2 2，59（2 2）：8 9-98.【作者简介】王妹妹（1997 一），女，江苏南通人，硕士生，研究方向为多源信息融合及磁定位。林志榕（1990 一），男，福建泉州人，工程师，从事可穿戴设备及传感器信号处理研究工作。黄巧园（1998），女，江西赣州人，研究生，从事永磁体定位导航技术研究工作。【通信作者】戴厚德（198 2 一），男，湖南邵阳人，博士生导师，从事智能传感器、信息处理和智能机器人方向研究工作。