《Environmental Modelling & Software》：Digital-twin tool for a drinking water distribution system using augmented reality and EPANET
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供水管网三维可视化与数字孪生集成研究，提出AR-数字孪生工具箱，将EPANET模型数据转换为3D模型并叠加到真实环境，通过GPS定位实现空间对齐，可视化污染扩散与流量分布，提升非技术人员对复杂管网的操作和理解。
朴智烨|金光珠|郑民赫|张仁秀|俞正元|姜美善|裴贤洙|郑昌允|白相洙
韩国庆尚南道庆山市38541，岭南大学环境工程系
摘要
城市供水管网通常使用点和线来表示为二维模型，这种模型无法捕捉空间复杂性和结构细节。为了解决这些问题，本研究开发了一个与数字孪生（DT）框架集成的增强现实（AR）工具箱。这项研究的动机在于需要更直观、具有空间感知能力的可视化工具来支持水资源基础设施管理和公众理解。AR技术能够将虚拟内容叠加到真实环境中，从而增强对管道结构和模拟结果的解释。本研究基于EPANET模型数据生成了一个三维供水系统，并开发了一个移动AR应用程序。该系统通过空间对齐的三维管道对象来可视化污染物扩散和流速情况。模拟结果被映射到现实世界的坐标上，提高了清晰度和用户参与度。该系统设计得易于非技术领域的用户使用，能够实现与复杂供水网络数据的实时、基于位置的交互。
引言
饮用水分配系统在提供饮用水方面发挥着关键作用，对公共健康和社会福祉具有重要意义（Alibrandi, 2022; Ashbolt, 2015）。饮用水的质量受到地下管道状况的影响，这使得供水系统容易受到管道老化和外部污染等风险的影响（Rasekh & Brumbelow, 2014）。此外，供水系统非常复杂，其扩展受到城市快速发展的推动（Duzinkiewicz & Ciminski, 2006; Zhi et al., 2019）。饮用水分配网络的运行依赖于各种组件的相互作用，包括阀门和泵。研究表明，这些组件之间的相互作用直接影响管道内的水压和水质以及整个管道网络的水流（Rasekh & Brumbelow, 2014）。数值模型的应用对于模拟管道内水流和污染物传输的时空变化至关重要（S?mann et al., 2019）。在可用的各种模型中，环境保护署网络评估工具（EPANET）越来越多地被用于供水系统的模拟（Shao et al., 2014）。该模型已广泛应用于各种研究，包括在加压条件下模拟水量和水质（例如：最佳传感器布置搜索（Harif et al., 2023; Naserizade et al., 2018; Piazza et al., 2023）、泄漏点检测（Mashford et al., 2012; Mashhadi et al., 2021）以及最佳供水系统运行（Dini et al., 2022; Khatavkar & Mays, 2019）等）。EPANET模拟输出包括节点高程和其他数值数据；然而，它依赖于由点和线构成的二维网络表示。这种表示方法不利于分析空间数据，因为它无法有效传达高程、坡度和地形效应等三维关系（Pajorova & Ladislav, 2019）。在本研究中，利用增强现实（AR）和数字孪生（DT）系统开发了一个三维可视化模型，通过结合三维空间数据来提高对实际供水系统结构和运行特性的分析准确性。当前工作/文献
数字孪生（DT）技术提供了物理系统的实时副本（Mashaly, 2021）。DT方法为现实世界的环境系统提供了动态的、实时的虚拟表示（Blair, 2021）。在水资源管理领域，DT系统试图模拟水文过程、人类基础设施和人为改变。随着时间的推移，这些改变会经历进化过程，并对水文和环境动态产生显著影响。研究地点
研究区域选定为韩国大邱市Sangyeok市市政厅所在地，坐标为北纬35°53′33.28″，东经128°36′1.70″。该地区的供水由Gongsan净水厂提供。供水管网是根据2023年的数据构建的，以反映研究时的当前系统布局。研究地点的供水系统来自一个主要水源，称为“供水点”（图1）。鉴于本研究的主要目标...饮用水管网中的污染物传输模拟
选择氯作为污染物传输的模拟剂是基于先前文献中的反应函数值（Rossman et al., 2020）。反应函数控制物质在水中及管道壁内的增减情况，当物质通过分配网络时会发生这种变化。模拟区域包括一个以单一供应节点（节点1）为中心的封闭的树状子网络，代表一个低密度、孤立的区域...结论
本研究提出了一种集成工具箱系统，该系统结合了数据转换模块和基于AR的数字孪生可视化平台，用于建模饮用水分配系统。三维可视化系统应用于EPANET饮用水分配系统模型。三维表示方法使用AR系统和GPS数据在指定坐标生成。这种方法便于在虚拟环境中分析供水管网。CRediT作者贡献声明
姜美善：方法论、数据整理。金光珠：方法论、正式分析、数据整理。郑民赫：验证、方法论。张仁秀：方法论、数据整理。俞正元：方法论、数据整理。白相洙：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。朴智烨：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论。裴贤洙：方法论、数据整理。郑昌允：撰写 – 审稿与编辑、监督未引用参考文献
Carmigniani et al., 2011.利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了韩国科学技术信息通信部DGIST研发计划（2024010409）和韩国政府资助的ETRI项目（24ZD1120，区域产业IT融合技术发展与支持项目）的支持。
