数字孪生技术在水环境监测领域的应用

2025-04-20 79 上传者：管理员

摘要：文章以水环境监测项目为例，对环境监测领域中的数字孪生技术应用进行了分析，包括此次研究的项目背景、数字孪生技术及其在环境监控系统中的应用等内容。希望本研究可以为此项技术的应用和环境监测质量的提升提供参考。

关键词：
数字孪生技术
数字映射技术
数字镜像技术
水环境监测
环境监测系统
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1、项目背景

在现代水环境监测与治理工作中,越来越多的先进技术已在传统水环境监测技术中得到了良好融合｡尤其是数字孪生技术,更是在现代水环境监测领域中表现出了非常强大的应用优势,为水环境监测工作提供了有力的技术支持｡在这样的情况下,数字孪生技术及其在环境监测领域中的应用也开始备受关注｡为满足当前实际的环境监测工作需求,提升数字孪生技术的应用效果,本文便以水环境监测为背景,通过环境监测系统中的数字孪生技术应用,对此项技术的应用策略进行分析｡

2、数字孪生技术概述

数字孪生技术也叫数字映射技术､数字镜像技术或信息镜像模型,是将物理上真实存在的实体､系统或流程等仿真模拟到信息化平台上的一种新型技术｡在此项技术中,物理模型､各类传感器和运行历史等信息数据将得到充分利用,通过多种物理量､多个学科､多个尺度以及多个概率等形式来完成仿真过程,并将最终的仿真模型映射到虚拟空间里,以此来反映相应物理实体的整个生命周期｡该技术的核心是在虚拟世界里构建一个与现实世界真实事物完全相同的数字化仿真模型,这个模型所模拟的不仅仅是真实物体的外部形态,还有其内部机理以及运行情况等,从而在一个虚拟化的环境中完成真实物体运行､行为及其功能等的各项仿真模拟[1]｡目前,数字孪生技术已经在国内外的很多领域中得到了广泛应用,如医学分析､产品制造､产品设计､环境监测等,并在其中发挥了十分显著的应用优势｡

3、环境监测系统中的数字孪生技术应用

3.1总体系统设计

在以数字孪生技术为基础,为水环境监测与管理工作设计环境监测系统的过程中,设计者主要将传感技术､人工智能技术以及网络信息技术等作为支持,将真实水环境监测场景中的各类物理实体映射在虚拟化数字空间里,融合多维形式的物理实体数据,并通过数据分析､数据挖掘以及三维仿真等技术,在虚拟化数字环境中呈现出真实的水环境信息､水质变化态势､入库直流污染､水库水环境容量､入库污染负荷､突发性水污染扩散等信息,从而为水环境监测及其治理工作提供有力的技术支持｡在该系统中,主要的组成模块有五个:第一是孪生感知层,包括基于卫星遥感技术的水质监测设备､基于无人机航空摄影的水质监测设备等,以此来自动监测水库区域内的水质情况;第二是水质数据层,包括总氮监测､总磷监测､COD监测､氨氮监测､藻类监测､浮游监测､工业污染物监测､农业污染物监测以及生活污染物监测等;第三是数字孪生层,即可视化数字孪生平台,包括空间数字孪生､设备数字孪生､流程数字孪生以及环境数字孪生;第四是孪生应用层,包括水质监测评估､水质风险管理以及突发性水环境污染应急决策等;第五是孪生交互层,包括库区控制中心､可视化大屏以及手机APP[2]｡

3.2孪生感知层设计

在该系统中,孪生感知层是最底层的一个组成层级,该层负责的主要任务是采集监测库区内的水环境监测数据,以此来保障系统上部各个层级的正常运行｡具体应用时,该层主要借助于物联网系统中的RFID(射频识别技术)､卫星遥感､无人机航空摄影以及视频监控等设备,对水环境中的总氮､总磷､COD､氨氮､藻类､浮游､工业污染物､农业污染物以及生活污染物等数据进行实时采集,通过清晰识别以及整理等的方式对这些数据实施初步的预处理操作,借助于各种传感设备对监测库区范围内的各类环境要素做出动态感知与实时监控,并将其实时反馈给监测系统,从而实现库区内水环境所有相关数据的全要素､全方位实时采集与实时分析[3]｡

考虑到一些水库监测区域内的环境比较复杂,存在较大的变化,所以通过该系统采集到的数据源也具有多样性特征,其结构存在较大差异,位置比较分散,且噪声也十分复杂｡因此,孪生感知层就需要将这些数据及时传递到数字孪生层中实施进一步的处理,以此来实现水环境数据的科学监测,并对来自系统的各类控制指令进行实时接收与执行｡

例如,在水环境中的氨氮总量超出极限允许值时,孪生感知层便可根据系统控制指令,借助于自动调节系统来调控相应的硬件设备,从而合理调节氨氮降解剂的投加量,最大限度确保库区内的水环境质量｡

3.3水质数据层设计

在该系统的水质数据层中,所有的数据源都来自孪生感知层,其主要的监测与管理目标是监测库区内的水环境,主要功能是对来自孪生感知层中的监测数据实施深度分析与融合加工等处理｡在这些信息中,主要的数据源信息有总氮监测数据､总磷监测数据､COD监测数据､氨氮监测数据､藻类监测数据､浮游监测数据､工业污染物监测数据､农业污染物监测数据以及生活污染物监测数据等各类水环境监测数据信息｡具体处理时,该层级会将上述信息转换成更容易分析､储存以及管理的数据形式,并储存到SQLServer数据库里,从而对水环境监测数据进行智能化的分析与实时储存处理,充分满足监测库区范围内的水环境的实时监控服务工作需求｡通过这样的方式,便可为后续的水环境治理决策提供有力的数据支持｡

3.4数字孪生层设计

数字孪生层属于系统中间层,其主要的作用是承上启下｡具体应用时,该层级可借助数字孪生技术来完成水环境､流程､设备以及空间等各类信息要素的模型建立,同时也可以借助三维建模技术来实时监测和分析上述所有空间模型中的各类数据信息,并应用3D图形可视化技术将其统计和展示给用户｡在此过程中,可视化界面会以一种全新的方式向用户实时展示监测区域内的实际水环境数据,其真实效果为3D模式,这样便可给用户带来沉浸式的感官体验,使其对监测库区内的水环境有更加直观的了解,并对该系统的实际运行状态做到实时掌握｡同时,该层级也可以为各项监测数据进行相应的预警值设置,当监测到的环境参数指标达到或超过预警值时,系统将采用智能调节的方式及时调节相应的环境要素,以此来满足库区内的水环境控制需求｡例如,在水环境监测工作中,污染物监测是最为重要的一个组成部分,同时也会对水环境质量产生直接影响｡而在通过该系统对水环境进行监测时,如果发现监测区域内的水环境污染物含量超出预警值,系统就需要立即通过智能化的方式来控制水质净化和处理装置,及时解决相应的水环境污染问题,确保监测库区内的水质质量[4]｡

为达到这一目标,在具体的系统设计中,设计者可将数字孪生层有机结合到该系统内,以此来实时远程监控监测区域内实际的水质情况,并通过智能化分析与精细化处理的方式对监测获取到的参数进行处理｡在完成上述参数的处理工作之后,数字孪生技术将会通过当前的环境监测数据对历史环境监测数据进行替换处理,以此实现其模型的合理更新､修正与完善,使其将监测区域内水环境的实时状态正确反映出来,并借助可视化技术对水环境监测数据实施可视化管理,同时也可以对不同区域内的水环境状态及其趋势变化等信息做出实时､动态地分析与评估｡这样的方式可为监测库区内水环境的合理优化及其优化效果决策等提供有力的数据支持,尽最大可能提升水环境质量｡

3.5孪生应用层设计

孪生应用层在系统中属于业务应用方面的延伸,反映的是数字孪生系统在水环境监测工作中的响应和决策｡具体应用时,该层级可通过整理､分析监测库区范围内实际水环境数据的方式,借助数字孪生技术对映射现场的各种水环境情况及其环境参数等做出实时映射,并将数字孪生体自身的反馈结果作为依据,对其中的各项环境要素进行合理的调整与决策｡通常情况下,其主要的决策是将水环境状况作为依据,合理调节其中的总氮､总磷､COD､氨氮､各类水环境污染物含量等参数,并实时控制具体的水质情况,同时也需要对该区域内的流动人员实施监控,从而对监测现场的水环境状态做到动态化的实时监测,并借助监测系统将最终的监测结果及其监测数据对比分析情况以可视化的方式展示给用户｡在此过程中,应用数字孪生对该模型进行决策和管理,不仅可使用户在一种沉浸式的情境下获取到不同环境情况下的水质情况,同时也可为管理人员的智能化分析及其科学化决策提供有力支持,以此来合理调节监测库区内的水环境条件,为水环境治理与保护质量提升提供有力的技术支持｡

3.6孪生交互层设计

孪生交互层属于系统最顶层结构,同时也是整个系统的人机交互模块｡具体应用时,其主要作用是将人机交互接口提供给用户,使其在与系统之间的交互过程中获取到相应的沉浸式体验｡通常情况下,该系统中的孪生交互层主要由库区控制中心､可视化大屏以及手机APP等多个功能模块组成｡借助监测库区范围内设置的各项传感与摄像等设备,可对监测区域内的各项环境因素做到实时监控,并利用反馈机制将相应的命令信息直接传输给库区控制中心｡在接收到命令信息之后,库区控制中心会采用智能化技术来监控并调节监测区域内的各项水环境因素,及时将相应的控制指令下发到库区内设置的各类自动化与智能化调节装置或系统,以此来实现水环境的远程管理与操作｡利用可视化大屏,可使该系统中的数字孪生模型及其数据实现可视化｡实现数据可视化之后,监测现场水环境的变化及其发展规律将会以多层次､多角度以及实时化的方式展现给用户[5]｡而在实现了模型可视化之后,监测区域内的各类水环境变化过程都将得到高保真的显示和模拟,并使区域内的各种水环境情况及其设备状态等实现全方位显示与动态化交互｡借助于手机APP,则可以对整体监测系统实施更加便捷的远程控制,用户可直接在手机客户端上远程查看监测区域内的水境数据及其设备运行状态数据等,从而为相应的数据分析､远程监控及其远程管理提供足够有力的技术支持｡

4、结论

综上所述,数字孪生技术是对物理环境中的各种真实事物进行数字化模拟,并对其实际发展与运行状态进行实时监测的一种先进技术形式｡在当今的环境监测领域中,数字孪生技术发挥的优势十分显著｡基于此,相关单位､研究者与技术人员应加强对该技术的应用研究,并结合实际情况,将该技术合理应用到环境监测系统中,以此进一步提升环境监测工作效果,满足实际的环境远程监控需求｡

参考文献:

[1]乔玥,单红仙,王宏威,等.基于数字孪生的海底悬浮物时空变化可视化技术实现与应用[J].海洋学报(中文版),2023(8):166-177.

[2]钱玮昕,唐铭,张欢,等.数字孪生在室内空气物理环境评估中的初步探索与应用[J].世界建筑,2022(11):102-103.

[3]孟丹,刘建业,杨博,等.数字孪生在矿业数字化转型中的应用[J].有色金属(矿山部分),2021(6):9-18,31.

[4]苏州圣蒙莱科技有限公司.基于数字孪生的智慧城市生态环境监测系统:CN202310856321.0[P].2023-11-07.

[5]湖北省协诚交通环保有限公司.生态环境监测传感器数字孪生体部署方法及系统:CN202310157411.0[P].2023-03-28.

基金资助:广东省教育厅普通高校青年创新人才项目“金属硫化物量子点的绿色制备及光催化降解甲醛的性能研究”(2022KQNCX236);汕头职业技术学院高层次人才科研启动项目“改性二氧化钛降解甲醛的效能研究”(SZK2022G06);汕头职业技术学院青年课题“基于高光谱影像的识别算法对农田‘非粮化’问题的监测研究”(SZK2023Q03);

文章来源:王珅,陈琦.数字孪生技术在水环境监测领域的应用[J].黑龙江环境通报,2025,38(04):25-27.