孫同，何夢溪，何理*，金濤

1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室

2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院

3.中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司

黨的二十大報告提出，要推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展，這對加快傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)業(yè)化、信息化、智能化改造升級提出了新要求[1]。近年來，在“工業(yè)4.0”和“數(shù)智化轉(zhuǎn)型”的雙重促進(jìn)下，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)整體效率以及智能化水平顯著提升。據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，智能制造裝備在國內(nèi)市場占有率已超過50%[2]，信息技術(shù)與實體產(chǎn)業(yè)深入融合已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)升級的主要方式。

土壤和地下水污染治理作為生態(tài)建設(shè)的重要部分，同樣需要提升裝備智能化水平。隨著污染場地水文[3]、地質(zhì)條件的不斷變化[4]，配套技術(shù)條件的不斷升級[5]，以及國家對生態(tài)環(huán)境要求的提升[6-9]，土壤與地下水修復(fù)在技術(shù)和項目管理方面都出現(xiàn)新挑戰(zhàn)、新需求[3,10-11]。針對這些困難和挑戰(zhàn)，我國已加大投入治理研發(fā)資金力度，但仍存在修復(fù)設(shè)備功能較單一、可持續(xù)利用性能差、修復(fù)精度較低、單位修復(fù)成本功耗較高等問題，因此掌握目標(biāo)地塊污染物的賦存與分布特征等基本情況，建立污染場地土壤與地下水長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[12]，提高自動修復(fù)能力[13]，對提高污染場地修復(fù)的智能化水平和科學(xué)信息管理能力[14]十分必要。

為提高我國污染土壤“智能化”修復(fù)技術(shù)水平，推動我國土壤地下水修復(fù)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，通過現(xiàn)存問題分析—總體架構(gòu)設(shè)計—關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的思路，整合大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)交換中心、云計算平臺與數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了完整的“大智物云”土壤與地下水修復(fù)智慧平臺（簡稱“大智物云”修復(fù)平臺）。基于該平臺，場地修復(fù)可以實現(xiàn)從機(jī)械自動化到實時優(yōu)化的轉(zhuǎn)變過程，修復(fù)人員也能夠隨時獲取場地修復(fù)信息。該平臺的設(shè)計和應(yīng)用，可以較大程度降低修復(fù)費(fèi)用，同時為打造土壤地下水智能修復(fù)新模式提供了新的思路。

1 土壤與地下水修復(fù)裝備智能化升級存在的問題

結(jié)合土壤與地下水修復(fù)自身的需求和行業(yè)特點(diǎn)，當(dāng)前我國土壤地下水修復(fù)裝備智能化過程存在以下不足。

1.1 智能化水平較低

我國智能化水平總體不斷上升，但土壤與地下水修復(fù)裝備智能化研究及核心技術(shù)研發(fā)工作仍處于起步階段[15]，污染土壤與地下水修復(fù)的集成化和智能化水平還需要進(jìn)一步提高，現(xiàn)有修復(fù)裝備難以滿足工程化的重大需求[16]，特別是控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理建設(shè)、平臺服務(wù)功能需要繼續(xù)提升。

1.2 軟硬件結(jié)合效率較低

目前國外已經(jīng)研發(fā)了監(jiān)測預(yù)警、污染控制、治理修復(fù)等系列關(guān)鍵技術(shù)及裝備，開展了規(guī)模化工程應(yīng)用。我國當(dāng)前的修復(fù)工作大多借鑒歐美等國家和地區(qū)已有技術(shù)，直接使用或升級改造，沒有形成成套的、完備化的土壤與地下水修復(fù)施工體系[17-18]，尤其是軟件系統(tǒng)和修復(fù)裝備、原位施工和室內(nèi)管理方面存在不協(xié)調(diào)、信息不對稱等問題，極大降低了修復(fù)效率。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化不足

歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在20 世紀(jì)70 年代已啟動土壤與地下水修復(fù)的研究和實踐工作，至今已建立了較為完善的理論、方法和技術(shù)體系，形成了比較完備的技術(shù)集成和裝備標(biāo)準(zhǔn)化體系[19-20]。與國際先進(jìn)水平相比，我國的基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)、修復(fù)裝備和管理決策等還存在不足，表現(xiàn)在基礎(chǔ)理論原創(chuàng)性、技術(shù)與裝備實用性、管理能力和經(jīng)驗等方面[21]。

總體而言，我國土壤與地下水修復(fù)設(shè)備無論是從軟件發(fā)展，還是硬件支撐方面都和發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合當(dāng)下第四次信息革命機(jī)遇，建設(shè)智能化、信息化管理平臺，用新技術(shù)、新體系、新方法縮短我國與國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距。

2 “大智物云”修復(fù)平臺設(shè)計思路

“大智物云”修復(fù)平臺面向“新工藝、新裝備、新工廠”，致力于建立全生命周期的新型修復(fù)模式，通過新信息技術(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）的應(yīng)用（圖1），融合修復(fù)需求，采用自上而下、模塊推進(jìn)的設(shè)計思路，分別針對土壤與地下水修復(fù)過程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信息服務(wù)等需求設(shè)計了相應(yīng)的模塊，把“數(shù)字化”“智能化”“共享化”應(yīng)用于場地修復(fù)全過程，創(chuàng)造新型的修復(fù)與管理模式，最終實現(xiàn)精細(xì)化修復(fù)、精準(zhǔn)化服務(wù)和現(xiàn)代化管理的目標(biāo)，數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)新，讓大數(shù)據(jù)技術(shù)能力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。

圖1 土壤與地下水智慧修復(fù)總體路線Fig.1 Overall technical route for intelligent remediation of soil and groundwater

3 “大智物云”修復(fù)平臺架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

傳統(tǒng)的場地修復(fù)過程復(fù)雜，現(xiàn)場環(huán)境對工人不友好，存在著修復(fù)過程可視化、智能化程度低等問題。針對土壤與地下水修復(fù)工程實施中存在的問題，設(shè)計了一體化“大智物云”修復(fù)平臺(圖2)，平臺由大數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、業(yè)務(wù)處理模塊、信息服務(wù)平臺、綜合數(shù)據(jù)平臺5 個模塊構(gòu)成。每一模塊的結(jié)構(gòu)都建立于前面各模塊的基礎(chǔ)之上，同時每一模塊的功能實現(xiàn)都是對其他各模塊的豐富與拓展。

圖2 “大智物云”修復(fù)平臺詳細(xì)架構(gòu)Fig.2 Detailed architecture of the platform based on big data,intelligent control,IoT and cloud computing

大數(shù)據(jù)采集模塊采用了多信息感知技術(shù)，通過將智能感應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用傳感和5G 技術(shù)相結(jié)合實時采集場地修復(fù)過程數(shù)據(jù)，并傳入大數(shù)據(jù)采集中心系統(tǒng)，系統(tǒng)可以設(shè)置采集時間、頻率、頻次等參數(shù)，并根據(jù)場地修復(fù)情況進(jìn)行后臺設(shè)置，實現(xiàn)階段性靈活調(diào)配參數(shù)，使場地場景和時間數(shù)據(jù)采集更及時、準(zhǔn)確和全面。

數(shù)據(jù)庫管理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系對大數(shù)據(jù)采集模塊獲取的多源信息進(jìn)行分類，模塊根據(jù)不同修復(fù)目標(biāo)、施工人員、修復(fù)場景，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，完成各種數(shù)據(jù)的數(shù)量計算與邏輯計算，生成對應(yīng)不同層級數(shù)據(jù)庫，為前端交互提供基礎(chǔ)參數(shù)支撐，滿足不同服務(wù)層和應(yīng)用層的需要。同時數(shù)據(jù)庫針對不同修復(fù)設(shè)備、不同施工人員、不同角色設(shè)置的多源數(shù)據(jù)設(shè)置了不同的接口方式（圖3），使整個系統(tǒng)的擴(kuò)展性、應(yīng)用性、實時性更強(qiáng)大。為實現(xiàn)環(huán)境修復(fù)數(shù)據(jù)的安全性、可操作性，系統(tǒng)還設(shè)置了多重權(quán)限管理平臺，可以根據(jù)時間、地點(diǎn)、人員、角色、數(shù)據(jù)權(quán)限等進(jìn)行靈活設(shè)置，將數(shù)據(jù)分層應(yīng)用給不同需求的人。

圖3 平臺數(shù)據(jù)庫多接口訪問方式Fig.3 Multi-interface access to the platform database

業(yè)務(wù)處理模塊實現(xiàn)數(shù)字仿真和裝備智能控制兩大核心功能。其中數(shù)字仿真模塊包含基礎(chǔ)模塊、云計算模塊以及數(shù)字孿生模塊，云計算模塊通過邊緣計算以及云數(shù)據(jù)傳輸，配合中心計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與關(guān)系提取，為構(gòu)建虛擬工廠提供數(shù)據(jù)支撐；數(shù)字孿生模塊通過將實體數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)映射、傳感映射、模型映射、多位映射，構(gòu)建虛擬工廠，為信息服務(wù)平臺3D 場景構(gòu)建提供后端支撐。裝備工藝智能控制模塊同樣包含基礎(chǔ)模塊、控制模塊、評價系統(tǒng)以及校正模塊，基礎(chǔ)模塊對接綜合數(shù)據(jù)庫海量處理信息，控制模塊負(fù)責(zé)對機(jī)器人自動物料傳輸、巡檢、修復(fù)裝備運(yùn)行實現(xiàn)自動控制，評價模塊負(fù)責(zé)對場地各修復(fù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價，并通過后續(xù)的校正模塊實現(xiàn)工藝調(diào)整、錯誤糾正以及二次優(yōu)化，整個模塊通過控制—評價—反饋—校正的方式實現(xiàn)污染場地物料配送自動化和修復(fù)裝備運(yùn)行自動化。

信息服務(wù)平臺通過前后端協(xié)調(diào)配合，使用HTML5+WebGL 技術(shù)實現(xiàn)可視化系統(tǒng)平臺，修復(fù)人員可以借助系統(tǒng)顯卡，在瀏覽器里流暢地展示修復(fù)場地3D 場景和模型，還能生成復(fù)雜的數(shù)據(jù)視覺化效果，從而強(qiáng)化對整個環(huán)境修復(fù)過程的動態(tài)感知。同時，本模塊采用雙推送模式，將信息以本地大屏與遠(yuǎn)程APP 2 種模式進(jìn)行展示，使場地修復(fù)人員可以24 h 對修復(fù)過程進(jìn)行感知。

綜合數(shù)據(jù)平臺充分綜合上述模塊信息處理結(jié)果，通過數(shù)據(jù)匯總—結(jié)果分析—信息推送的方式，對系統(tǒng)的總體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評價，輔助系統(tǒng)運(yùn)維人員進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，也有助于后續(xù)系統(tǒng)的升級。通過5 個模塊多層級協(xié)作聯(lián)通，修復(fù)平臺實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)控制、云平臺調(diào)控與管理以及本地大屏展示與遠(yuǎn)程APP 管理功能，同時實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)源綜合分析。

3.2 修復(fù)平臺關(guān)鍵技術(shù)

為了充分解決我國現(xiàn)有土壤與地下水修復(fù)裝備中存在的智能化水平不高、軟硬件結(jié)合效率較低的問題，平臺采用了多項先進(jìn)技術(shù)，通過動態(tài)化采集、智能通信、智能控制、數(shù)字孿生構(gòu)建智能土壤地下水修復(fù)體系。

3.2.1 場地實時數(shù)據(jù)采集和動態(tài)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)場地監(jiān)測數(shù)據(jù)在線采集、施工管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合集成及人工填報數(shù)據(jù)的收集，該系統(tǒng)通過搭建物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)，集多場景管理與多角度感知任務(wù)于一體，實現(xiàn)土壤與地下水?dāng)?shù)據(jù)分布式采集。之后通過5G 無線傳輸、有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等方式將在線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他輸入數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)存儲單元，數(shù)據(jù)存儲單元通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)清洗程序完成一系列多源大數(shù)據(jù)處理工作，并構(gòu)建元數(shù)據(jù)庫，采用科學(xué)有效的機(jī)制對元數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并向環(huán)境修復(fù)應(yīng)用軟件開發(fā)人員、環(huán)境修復(fù)工程師提供元數(shù)據(jù)服務(wù)，滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，為后續(xù)數(shù)據(jù)資源分析和應(yīng)用服務(wù)提供支撐。

3.2.2 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

場地修復(fù)過程中需要收集分析大量數(shù)據(jù)，包括大量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)庫必須要實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的高效訪問，才能使信息分析平臺和信息服務(wù)系統(tǒng)中各功能的實現(xiàn)成為可能。為了更好地存儲不同類型的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選擇不同的存儲方式：對于一些與地理空間無關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，如經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、造價數(shù)據(jù)等，采用普通的Oracle 數(shù)據(jù)表進(jìn)行存儲；而對于大量與地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)，如污染物分布水平、歷史土壤數(shù)據(jù)等，則采用ESRI 開發(fā)的地理數(shù)據(jù)庫模型（Geodatabase Model）進(jìn)行存儲。對空間數(shù)據(jù)的訪問，采用ArcGIS 的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE，而對于屬性數(shù)據(jù)的訪問，則采用ADO（ActiveX 數(shù)據(jù)對象）方式。ADO 是微軟公司提供的應(yīng)用程序接口（API），用以訪問關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可大大提高系統(tǒng)對非空間數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）的訪問效率。

3.2.3 智能通信技術(shù)

土壤與地下水環(huán)境修復(fù)涉及多場景管理業(yè)務(wù)、多領(lǐng)域感知設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理與整合，且數(shù)據(jù)量隨施工進(jìn)度推進(jìn)而劇增，常規(guī)的數(shù)據(jù)傳輸方式已無法滿足對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和及時分析的要求?！按笾俏镌啤毙迯?fù)平臺充分開展了物聯(lián)網(wǎng)通信研發(fā)與數(shù)據(jù)中心建設(shè)，首先明確了一體化修復(fù)裝備中各類傳感器的位置功能參數(shù)，確定整體設(shè)備的通信架構(gòu)，完成傳感器與平臺間實時通信的設(shè)計；針對項目中具體數(shù)據(jù)，建立合適的模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能挖掘，并明確大屏展示的具體內(nèi)容；隨后撰寫完成需求文檔說明書，確定系統(tǒng)整體開發(fā)框架，明確其中應(yīng)用到的主要技術(shù)；針對項目數(shù)據(jù)通信問題，開發(fā)人員通過采用有線網(wǎng)絡(luò)及5G 技術(shù)，完成傳感器數(shù)據(jù)通信傳輸功能，保證傳感器數(shù)據(jù)可以按照固定時間或者實時傳送到服務(wù)器進(jìn)行保存和處理，并且實現(xiàn)了基于過程控制的對象鏈接和嵌入（OPC）數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換機(jī)制，保證不同傳感器與服務(wù)器之間的連接以及數(shù)據(jù)的識別與處理。

3.2.4 云服務(wù)與智能控制技術(shù)

“大智物云”修復(fù)平臺充分利用云存儲、現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫等技術(shù)構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，實現(xiàn)場地修復(fù)方案的智能分析決策、場地修復(fù)裝備工況的智能監(jiān)控預(yù)警與自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

平臺優(yōu)化了修復(fù)過程全周期智能分析方法。其智能分析的內(nèi)容不僅包括單臺修復(fù)設(shè)備的質(zhì)量水平、運(yùn)行狀態(tài)、使用管理情況等，還包括對整體環(huán)境條件、管理約束、整體安全狀況等方面的分析。在整體環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，作出周期調(diào)整、維修、檢驗、監(jiān)督檢查、中止等決策。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建大數(shù)據(jù)環(huán)境下的污染場地分析與決策體系，匯集全生命周期全鏈條的大數(shù)據(jù)，建立分析、診斷、評估、預(yù)測與預(yù)警模型，并利用大數(shù)據(jù)挖掘、云計算、現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)等技術(shù)對其進(jìn)行求解與分析，從而對修復(fù)工藝和修復(fù)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)控制。

同時，平臺通過智能控制分析實現(xiàn)污染場地修復(fù)設(shè)備安全預(yù)警，針對修復(fù)設(shè)備出現(xiàn)的故障、損傷、失效、事故、違法操作、管理缺位等異常情況，會采取相應(yīng)措施及時進(jìn)行處理。系統(tǒng)通過自動控制裝置，對超過規(guī)定的過程參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，對不符合規(guī)定的操作予以糾正；當(dāng)外部環(huán)境中有危險的時候，可以立即開啟安全保護(hù)裝置，當(dāng)發(fā)生事故的時候，立即采取緊急的措施，這樣就可以最大限度地避免或減少事故造成的影響。

最后，平臺通過嵌入智能自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，憑借前期的大量數(shù)據(jù)積累，來指導(dǎo)后期的相關(guān)業(yè)務(wù)與服務(wù)工作；同時，反復(fù)的監(jiān)測—診斷—仿真—優(yōu)化控制—反饋—自學(xué)習(xí)流程為環(huán)境修復(fù)工作提供新的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。通過將新數(shù)據(jù)、新關(guān)系納入到數(shù)據(jù)庫中，形成循環(huán)，不斷地增加已收集數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量，充實數(shù)據(jù)知識基礎(chǔ)，使系統(tǒng)能夠自主性地學(xué)習(xí)和發(fā)展，并持續(xù)地提升修復(fù)效率。

3.2.5 互聯(lián)網(wǎng)+虛擬工廠技術(shù)

“大智物云”修復(fù)平臺基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，設(shè)計了移動APP 云平臺和手機(jī)軟件，同時管理修復(fù)中心設(shè)計了專門的修復(fù)大屏和操作終端，移動APP 展示內(nèi)容主要包括數(shù)字地圖、修復(fù)指標(biāo)曲線分析及反應(yīng)器指標(biāo)報警。施工人員通過移動APP 可實現(xiàn)修復(fù)裝備遠(yuǎn)程控制，能夠及時針對土壤與地下水修復(fù)中出現(xiàn)的突發(fā)情況進(jìn)行修正，保證了土壤與地下水修復(fù)資源總量控制落實，杜絕了過度修復(fù)和資源浪費(fèi)。

項目大屏基于虛擬仿真工廠進(jìn)行展示，使用Unity 3D 對每一個相關(guān)裝置的三維場景中單元組件進(jìn)行了設(shè)計（圖4），采用虛擬制造技術(shù)，利用計算機(jī)及外圍設(shè)備，可以產(chǎn)生符合現(xiàn)實環(huán)境的3D 虛擬場景，用戶可以從多個角度、不同視點(diǎn)進(jìn)行觀察，利用輔助裝置與環(huán)境中的對象進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)。企業(yè)人員通過虛擬工廠可以更加方便、隨時隨地了解場地的整體設(shè)計以及各部分的運(yùn)行情況。

圖4 虛擬工廠三維圖Fig.4 Virtual factory 3D map

4 結(jié)語

現(xiàn)有的土壤與地下水修復(fù)施工管理系統(tǒng)難以滿足智慧工廠建設(shè)需求，“大智物云”修復(fù)平臺通過移動互聯(lián)設(shè)備收集現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和云計算等智能控制系統(tǒng)對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，并對實際修復(fù)過程進(jìn)行最優(yōu)管控。同時，利用數(shù)字孿生技術(shù)對實際場地進(jìn)行虛擬建模，實時反映土壤與地下水修復(fù)狀況，從而更好地支撐各級用戶，通過拓展服務(wù)，極大地提升了污染場地土壤與地下水修復(fù)施工的智能化水平。