基于2D?3D數(shù)字孿生平臺(tái)的溫泉地?zé)崽飫?dòng)態(tài)監(jiān)測與智慧化運(yùn)維管理研究

摘要

當(dāng)前國內(nèi)多數(shù)溫泉地?zé)崽镩_發(fā)管理仍處于粗放運(yùn)維階段，地下熱儲(chǔ)演化過程看不見摸不著，溫泉井溫度、水位、流量、井下成像巡檢等監(jiān)測數(shù)據(jù)分散獨(dú)立，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重；溫泉開采?尾水回灌動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)難以直觀管控，水溫水量衰減隱患無法提前預(yù)警。隨著智慧地?zé)峤ㄔO(shè)推進(jìn)，溫泉文旅項(xiàng)目亟需一套可視化、數(shù)字化、一體化智慧監(jiān)管平臺(tái)。本文搭建適配溫泉康養(yǎng)項(xiàng)目的地?zé)?/span>2D?3D數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)，集成井下高清成像歷次井筒內(nèi)窺影像、深井分層測溫?水位長期時(shí)序監(jiān)測數(shù)據(jù)、溫泉出水流量水質(zhì)監(jiān)測、熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)賬、區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)檔案多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建溫泉地?zé)峋?/span>?地層熱儲(chǔ)三維可視化數(shù)字鏡像模型。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫泉井溫度水位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)警、開采效果仿真模擬、井筒病害演化趨勢推演、溫泉采灌均衡仿真分析。結(jié)合山東某大型溫泉度假區(qū)運(yùn)行實(shí)例，分析數(shù)字孿生平臺(tái)在地?zé)釡厝L效保護(hù)、地?zé)岵晒嗑庹{(diào)控、溫泉文旅項(xiàng)目智慧運(yùn)維、地?zé)豳Y源數(shù)字化監(jiān)管方面應(yīng)用價(jià)值，為國內(nèi)溫泉地?zé)嶂腔郾O(jiān)測平臺(tái)建設(shè)提供新的技術(shù)思路與工程范本。

關(guān)鍵詞：溫泉地?zé)崽铮粩?shù)字孿生；3D可視化；地?zé)釀?dòng)態(tài)監(jiān)測；溫泉智慧運(yùn)維；地?zé)岵晒嗑?；地?zé)岽髷?shù)據(jù)平臺(tái)；溫泉康養(yǎng)

1 引言

溫泉康養(yǎng)文旅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國休閑經(jīng)濟(jì)重要板塊，一大批溫泉度假區(qū)、溫泉康養(yǎng)小鎮(zhèn)相繼建成運(yùn)營。溫泉地?zé)豳Y源屬于緩慢再生資源，長期高強(qiáng)度開采如果缺少科學(xué)管控，很容易造成地下水位下降、熱儲(chǔ)降溫、溫泉出水衰減，一旦地?zé)豳Y源退化，溫泉度假區(qū)將面臨巨大經(jīng)營危機(jī)。現(xiàn)階段國內(nèi)絕大多數(shù)溫泉項(xiàng)目運(yùn)維管理模式仍然比較傳統(tǒng)。溫度、水位、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同設(shè)備終端，井下電視巡檢視頻單獨(dú)存檔，鉆井地質(zhì)資料保存在紙質(zhì)檔案當(dāng)中，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)互不連通，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)孤島。運(yùn)維管理人員很難把地層地質(zhì)條件、井筒健康狀況、長期開采動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合起來綜合分析，溫泉井病害往往等到故障爆發(fā)之后才被動(dòng)搶修，突發(fā)性故障容易造成溫泉度假區(qū)停業(yè)損失。

數(shù)字孿生技術(shù)是新一代數(shù)字化智慧管理技術(shù)，通過物理地?zé)崽飳?shí)體在虛擬計(jì)算機(jī)空間建立一比一三維鏡像模型，把地下地層、地?zé)峋⒈O(jiān)測設(shè)備、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)全部映射到孿生模型當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。近年來數(shù)字孿生技術(shù)逐步在地?zé)峁┡?、礦山監(jiān)測領(lǐng)域開展試點(diǎn)應(yīng)用，但是面向溫泉康養(yǎng)文旅項(xiàng)目的地?zé)釘?shù)字孿生監(jiān)測平臺(tái)案例仍然較少。北京鴻鷗成運(yùn)依托井下雙目成像、深井分層測溫硬件監(jiān)測設(shè)備，配套開發(fā)溫泉地?zé)釋Ｓ?/span>2D?3D數(shù)字孿生智慧平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溫泉地?zé)崽锒嘣幢O(jiān)測數(shù)據(jù)融合管理。本文圍繞溫泉地?zé)釘?shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、工程應(yīng)用案例展開研究，探索溫泉地?zé)崽镏腔圻\(yùn)維新模式。

2 溫泉地?zé)崽飻?shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫泉地?zé)?/span>2D?3D數(shù)字孿生監(jiān)測平臺(tái)整體架構(gòu)自下而上分為四層：感知硬件層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中臺(tái)層、數(shù)字孿生仿真應(yīng)用層。

2.1 感知硬件層

感知硬件層就是部署在溫泉地?zé)崽铿F(xiàn)場的各類監(jiān)測設(shè)備，也是數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)來源。硬件設(shè)備主要包含：深井分層測溫水位監(jiān)測系統(tǒng)、溫泉出水流量在線監(jiān)測設(shè)備、水質(zhì)監(jiān)測傳感器、雙目/單目井下成像檢測設(shè)備。在線監(jiān)測設(shè)備7×24小時(shí)不間斷采集溫泉井溫度、水位、流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；井下成像設(shè)備定期開展井筒巡檢，留存井筒高清影像檔案。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、影像資料統(tǒng)一上傳至平臺(tái)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

采用4G/5G無線傳輸為主，光纖有線傳輸為輔的數(shù)據(jù)傳輸方案。野外溫泉度假區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位大多分布范圍廣，無線傳輸部署靈活，施工成本低，監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端服務(wù)器。

2.3 數(shù)據(jù)中臺(tái)層

數(shù)據(jù)中臺(tái)是整個(gè)數(shù)字孿生平臺(tái)的數(shù)據(jù)倉庫。集中存儲(chǔ)溫泉項(xiàng)目全部歷史資料：地?zé)峋@井地質(zhì)檔案、地層剖面圖、歷次井下成像巡檢視頻與病害報(bào)告、多年溫度?水位?流量時(shí)序監(jiān)測數(shù)據(jù)、溫泉開采臺(tái)賬、洗井維修維保記錄。中臺(tái)完成多源數(shù)據(jù)清洗、分類、存儲(chǔ)，打通地質(zhì)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)維檔案之間的數(shù)據(jù)壁壘，解決以往數(shù)據(jù)孤島問題。

2.4 2D?3D孿生仿真應(yīng)用層

該層面向管理人員提供可視化操作界面。2D平面視圖展示溫泉地?zé)崽锞浩矫娣植肌⒈O(jiān)測點(diǎn)位位置、監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)列表；3D可視化模塊構(gòu)建地下地層?熱儲(chǔ)?地?zé)峋踩S立體模型，直觀展示地下深部熱儲(chǔ)空間分布；井筒歷次內(nèi)窺影像直接掛載在三維井筒模型對應(yīng)深度位置，點(diǎn)擊井筒某一深度，即可調(diào)取該位置歷史井下視頻影像；實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線在孿生界面動(dòng)態(tài)刷新。管理人員在電腦、手機(jī)移動(dòng)端就可以遠(yuǎn)程查看溫泉地?zé)崽镎w運(yùn)行狀態(tài)。

3 溫泉數(shù)字孿生平臺(tái)核心功能模塊

3.1 地?zé)崽锶S地層可視化展示模塊

導(dǎo)入溫泉項(xiàng)目地質(zhì)勘探資料，建立地下地層三維模型，直觀展示恒溫帶、熱儲(chǔ)含水層、隔水層空間分布位置，各個(gè)開采井、回灌井井筒在三維地層當(dāng)中的空間關(guān)系一目了然。幫助管理人員建立地下地?zé)峥臻g整體認(rèn)知。

3.2 多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與智能預(yù)警模塊

溫度、水位、流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入孿生平臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)置溫泉開采預(yù)警閾值。當(dāng)溫泉水位下降過快、出水溫度降低超出預(yù)警區(qū)間，平臺(tái)自動(dòng)發(fā)出聲光預(yù)警消息，推送預(yù)警信息至管理人員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫泉資源衰減隱患早發(fā)現(xiàn)、早處置。

3.3 井筒病害全生命周期檔案模塊

歷次井下成像巡檢影像、病害檢測報(bào)告全部掛載到三維井筒模型。系統(tǒng)自動(dòng)對比不同年份同一深度井筒影像變化，自動(dòng)分析套管腐蝕、結(jié)垢病害演化趨勢，預(yù)判井筒故障發(fā)生時(shí)間，從過去被動(dòng)搶修轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防性維保。

3.4 溫泉采?灌均衡仿真推演模塊

針對同時(shí)具備開采井、尾水回灌井的大型溫泉度假區(qū)，平臺(tái)可以根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)仿真模擬不同開采流量、不同回灌水量條件下地下熱儲(chǔ)溫度、水位變化趨勢。管理人員在虛擬孿生平臺(tái)當(dāng)中調(diào)整開采方案，提前預(yù)判開采效果，優(yōu)化溫泉井群開采調(diào)度計(jì)劃，維持地?zé)崽锊晒鄤?dòng)態(tài)均衡，保護(hù)溫泉地?zé)豳Y源。

3.5 維保臺(tái)賬一體化管理模塊

溫泉井洗井、維修、設(shè)備檢修記錄全部錄入孿生平臺(tái)，建立完整運(yùn)維電子檔案，實(shí)現(xiàn)溫泉地?zé)峋芷跀?shù)字化臺(tái)賬管理。

4 工程案例?山東溫泉度假區(qū)智慧地?zé)崞脚_(tái)建設(shè)應(yīng)用

山東某大型溫泉康養(yǎng)度假區(qū)，占地1200畝，建有溫泉酒店、溫泉水樂園、康養(yǎng)中心等業(yè)態(tài)，共有開采地?zé)峋?/span>3口，地?zé)嵛菜毓嗑?/span>2口，溫泉年開采規(guī)模較大。項(xiàng)目運(yùn)營前期監(jiān)測數(shù)據(jù)分散，溫度水位記錄存儲(chǔ)在獨(dú)立監(jiān)測終端，井下檢測視頻單獨(dú)保存，管理人員無法直觀掌握整個(gè)地?zé)崽镞\(yùn)行狀態(tài)。曾經(jīng)出現(xiàn)一口溫泉井水溫突然下降，事后才發(fā)現(xiàn)套管腐蝕破損，淺層冷水涌入井筒，造成溫泉酒店停業(yè)維修18天，產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失。

為提升地?zé)崽镞\(yùn)維管理水平，度假區(qū)引入鴻鷗成運(yùn)地?zé)?/span>2D?3D數(shù)字孿生監(jiān)測系統(tǒng)?，F(xiàn)場部署深井分層測溫水位在線監(jiān)測設(shè)備，5口地?zé)峋拷尤雽?shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；定期采用雙目井下成像系統(tǒng)巡檢井筒，影像數(shù)據(jù)上傳至孿生平臺(tái)；收集整理項(xiàng)目歷年地質(zhì)鉆井資料、運(yùn)維檔案，完成溫泉地?zé)崽锶S地層?井筒數(shù)字孿生模型搭建。平臺(tái)運(yùn)行之后，管理人員通過3D孿生界面就能夠直觀查看每一口地?zé)峋畬?shí)時(shí)溫度水位數(shù)據(jù)，隨時(shí)調(diào)取井筒歷史內(nèi)窺影像。平臺(tái)設(shè)置溫泉水位水溫預(yù)警閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)臨近警戒值自動(dòng)推送預(yù)警消息。運(yùn)行一年以來，平臺(tái)提前預(yù)警2次水位異常波動(dòng)隱患，運(yùn)維人員及時(shí)調(diào)整開采流量，隱患得到快速處置，沒有再發(fā)生溫泉井突發(fā)性故障停業(yè)事件。平臺(tái)仿真推演功能幫助度假區(qū)優(yōu)化開采?回灌調(diào)度方案，溫泉出水溫度穩(wěn)定性明顯提升，數(shù)字孿生智慧運(yùn)維顯著。

5 溫泉數(shù)字孿生系統(tǒng)推廣難點(diǎn)與優(yōu)化對策

目前溫泉地?zé)釘?shù)字孿生技術(shù)推廣落地還存在部分難點(diǎn)。第一，部分老舊溫泉度假區(qū)早期地質(zhì)資料不全，三維地層建?；A(chǔ)資料缺失；第二，溫泉項(xiàng)目運(yùn)維人員數(shù)字化操作水平有待提升；第三，數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)一次性投入成本相對較高。針對以上問題提出優(yōu)化對策：對于地質(zhì)檔案缺失的老舊溫泉項(xiàng)目，可以補(bǔ)充開展深井分層測溫、井下成像檢測，補(bǔ)齊地下數(shù)據(jù)；加強(qiáng)運(yùn)維管理人員數(shù)字化平臺(tái)操作培訓(xùn)；中小型溫泉項(xiàng)目可優(yōu)先選用輕量化2D監(jiān)測平臺(tái)，分步建設(shè)3D孿生系統(tǒng)，降低前期投入門檻；后期逐步升級(jí)優(yōu)化。

6 結(jié)論與展望

基于2D?3D數(shù)字孿生的溫泉地?zé)崽镏腔郾O(jiān)測平臺(tái)，打通了地質(zhì)檔案、實(shí)時(shí)監(jiān)測、井下可視化巡檢、運(yùn)維臺(tái)賬多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建溫泉地?zé)崽锾摂M鏡像，實(shí)現(xiàn)溫泉運(yùn)行狀態(tài)可視化監(jiān)管、隱患智能預(yù)警、開采方案仿真推演，改變傳統(tǒng)粗放式溫泉運(yùn)維管理模式。山東溫泉度假區(qū)工程案例證明數(shù)字孿生平臺(tái)可以有效降低溫泉井突發(fā)性故障風(fēng)險(xiǎn)，提升溫泉地?zé)崽锊晒嗑夤芸啬芰?。未來?shù)字孿生技術(shù)將在全國更多溫泉康養(yǎng)度假區(qū)推廣應(yīng)用，成為溫泉地?zé)豳Y源長效保護(hù)、智慧運(yùn)維管理重要技術(shù)手段，推動(dòng)溫泉文旅產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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全套匯總分類關(guān)鍵詞

一、設(shè)備硬件類

800米深井測溫系統(tǒng)，高精度數(shù)字溫度變送器，深井耐壓傳感器，屏蔽式耐高溫傳輸電纜，多路信號(hào)采集主機(jī)，電動(dòng)絞車下放裝置，水位傳感模塊，低功耗物聯(lián)網(wǎng)模塊，4G無線傳輸模塊

二、監(jiān)測技術(shù)類

地?zé)峋謱訙y溫，長線纜數(shù)字信號(hào)傳輸，多點(diǎn)同步采集，地溫梯度測試，10米間隔密集測點(diǎn)，溫度?水位一體化監(jiān)測，地溫梯度曲線生成

三、軟件平臺(tái)類

地?zé)嵩票O(jiān)測平臺(tái)，移動(dòng)端小程序，無人值守在線監(jiān)測，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，溫度異常AI預(yù)警，監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出

四、行業(yè)應(yīng)用類

地源熱泵，淺層地?zé)豳Y源，復(fù)合熱泵系統(tǒng)，地?zé)釗Q熱井，井筒結(jié)垢堵塞故障診斷，回灌通道監(jiān)測，地?zé)峋淳\(yùn)維，水文地質(zhì)勘察，冀中坳陷地?zé)峥辈?/span>

五、行業(yè)對比與技術(shù)突破類

友商淺層測溫瓶頸（150?300m），北京鴻鷗成運(yùn)，國產(chǎn)化深井監(jiān)測裝備，800m深度技術(shù)突破，地下空間分層檢測升級(jí)，中深層地?zé)峋O(jiān)測研發(fā)

推薦產(chǎn)品如下：

地源熱泵溫度監(jiān)控系統(tǒng)/地源熱泵測溫／多功能鉆孔成像分析儀／井下電視／鉆孔成像儀／地?zé)峋@孔成像儀／井下鉆孔成像儀/數(shù)字超聲成像測井系統(tǒng)/多功能超聲成像測井系統(tǒng)/超聲成像測井系統(tǒng)/超聲成像測井儀/成像測井系統(tǒng)/多功能井下超聲成像測井儀/超聲成象測井資料分析系統(tǒng)/超聲成像

關(guān)鍵詞：地?zé)崴Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)峋O(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)峋O(jiān)測／水資源監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)豳Y源回灌遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)峁芾硐到y(tǒng)／地?zé)豳Y源開采遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)豳Y源監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)峁芾磉h(yuǎn)程系統(tǒng)／地?zé)峋詣?dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控／地?zé)豳Y源開發(fā)利用監(jiān)測軟件系統(tǒng)／地?zé)崴詣?dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)／城市供熱管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)／供暖換熱站在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案／換熱站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案/干熱巖溫度監(jiān)測/干熱巖監(jiān)測/干熱巖發(fā)電／干熱巖地溫監(jiān)測統(tǒng)／地源熱泵自動(dòng)控制／地源熱泵溫度監(jiān)控系統(tǒng)／地源熱泵溫度傳感器／地源熱泵中央空調(diào)中溫度傳感器/地源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)/地源熱泵自控系統(tǒng)/地源熱泵自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)/節(jié)能減排自動(dòng)化系統(tǒng)/無人值守地源熱泵自控系統(tǒng)/地?zé)徇h(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

地?zé)峁芾硐到y(tǒng)（geothermal management system）是為實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)而建立的管理系統(tǒng)。

我司深井地?zé)岜O(jiān)測產(chǎn)品系列介紹：

1.0-1000米單點(diǎn)溫度檢測（普通表和存儲(chǔ)表）／0-3000米單點(diǎn)溫度檢測（普通顯示，只能顯示溫度，沒有存儲(chǔ)分析軟件功能）

2.0-1000米淺層地溫能監(jiān)測（采集器采用低功耗、攜帶方便；物聯(lián)網(wǎng)NB無線傳輸至WEB端B/S架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；單總線結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展256個(gè)點(diǎn)；進(jìn)口18B20高精度傳感器，在10-85度范圍內(nèi)，精度在0.1-0.2度）

3. 4.0-10000米分布式多點(diǎn)深層地溫監(jiān)測（采用分布式光纖測溫系統(tǒng)細(xì)分兩大類：1.井筒測試 2.井壁測試）

4.0-2000米NB型液位／溫度一體式自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（同時(shí)監(jiān)測溫度和液位兩個(gè)參數(shù)，MAX耐溫125攝氏度）

5.0-7000米全景型耐高溫測溫成像一體井下電視（同時(shí)監(jiān)測溫度和視頻圖片等）

6. 微功耗采集系統(tǒng)／遙控終端機(jī)——地?zé)豳Y源監(jiān)測系統(tǒng)淺層／地?zé)峁芾硐到y(tǒng)（可在換熱站同時(shí)監(jiān)測溫度／流量／水位／泵內(nèi)溫度／壓力／能耗等多參數(shù)內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，24小時(shí)無人值守）

有此類深井地溫項(xiàng)目，歡迎新老客戶朋友垂詢！北京鴻鷗成運(yùn)儀器設(shè)備有限公司

關(guān)鍵詞：地?zé)峋植际焦饫w測溫監(jiān)測系統(tǒng)／分布式光纖測溫系統(tǒng)／深井測溫儀／深水測溫儀／地溫監(jiān)測系統(tǒng)／深井地溫監(jiān)測系統(tǒng)／地?zé)峋诜植际焦饫w測溫方案／光纖測溫系統(tǒng)／深孔分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)/深井探測儀/測井儀/水位監(jiān)測/水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測/地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測/地?zé)峋畡?dòng)態(tài)監(jiān)測/高溫水位監(jiān)測/水資源實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)/水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件/水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控/高溫液位監(jiān)測/壓力式高溫地?zé)岬叵滤挥?jì)/溫泉液位測量/涌井液位測量監(jiān)測/高溫涌井監(jiān)測水位計(jì)方案/地?zé)峋疁厮粶y量監(jiān)測系統(tǒng)/地下溫泉怎么監(jiān)測水位/ 深井水位計(jì)/投入式液位變送器 /進(jìn)口擴(kuò)散硅/差壓變送器