Как цифровые двойники позволяют сэкономить до 30% на водоподготовке
Вода - это сложный химический «коктейль», где присутствуют растворенные соли, газы, органика, примеси, реагенты. В промышленности и городском водоснабжении требуется обязательная водоподготовка. В противном случае вода выводит из строя трубопроводы, теплообменники, котлы, а питьевая вода должна соответствовать СанПиН.
В пищевой отрасли, микроэлектронике контроль качества воды ― непременное условие технологических процессов. Цифровые двойники в водоподготовке и водоотведении уже научились не только предсказывать аварии, но и управлять самими процессами очистки: дозированием реагентов, режимами промывок фильтров, энергопотреблением. И делать это дешевле, чем традиционными способами.
Что такое цифровой двойник системы водоснабжения
Цифровой двойник - это не просто 3D-модель труб. Это виртуальная копия всей инфраструктуры: от водозабора и насосных станций до разводящих сетей и точек водоразбора, включая технологические процессы очистки. В цифровую модель в режиме реального времени непрерывно поступают данные о физических (температура, давление, расход, мутность) и химических (водородный показатель, удельная электропроводность) параметрах качества воды.
Доктор технических наук В. Н. Штепа отмечает: оптимальная детализация цифрового двойника - это точка равновесия между затратами на разработку и экономическим эффектом. Если моделировать каждую мелочь, проект не окупится. Если брать только магистрали, то теряется точность прогнозов [1].
Какие данные нужны для работы модели
Функционирование цифрового двойника базируется на комплексе взаимосвязанных данных. Основу составляют:
· технологическая схема с характеристиками оборудования;
· принципиальные решения АСУ ТП и КИП;
· непрерывный поток текущих показаний с датчиков;
· информация из журналов;
Как отмечают в своей совместной работе профессор кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники БГТУ И. В. Войтов, профессор В. Н. Штепа и старший научный сотрудник М.Ю. Охтилев, без лабораторного блока модель не понимает, что происходит с качеством воды, и становится бесполезной для управления реагентным хозяйством [2].
Как цифровые двойники управляют процессами очистки
Цифровой двойник воспроизводит внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта при изменении исходных параметров потока. Главное преимущество такого подхода — прямая интеграция с оборудованием: показания датчиков, установленных на реальном оборудовании, служат входными сигналами для виртуальной модели.
Управление реагентной обработкой. Модель на основе исторических данных и текущих замеров подсказывает оператору оптимальную дозировку коагулянтов. По данным В.Н. Штепы, интеллектуальное управление дозированием позволяет снизить удельный расход реагентов в среднем на 12-15% без потери качества [1].
Оптимизация промывок фильтров. Регенерация фильтров выполняется цифровым двойником не по таймеру, а на основании данных о текущей степени загрязнения фильтрующей загрузки. Войтов и соавторы указывают, что переход на промывки по состоянию сокращает расход промывной воды на 10-20% [2].
Моделирование работы обратноосмотических установок.
Благодаря расчету параметров в режиме реального времени цифровой двойник оптимизирует работу обратноосмотической установки и помогает принимать обоснованные решения. Это дает возможность снизить эксплуатационные затраты за счет исключения несвоевременных химических промывок, предотвратить аварийные остановки, а также своевременно проводить планово-предупредительные ремонты и замену комплектующих. По оценкам исследователей, это увеличивает межпромывочный цикл на 15-25% [1].
Снижение затрат на водоотведение
Цифровые двойники в водоотведении решают три задачи: оптимизируют энергопотребление насосов, прогнозируют засоры и контролируют несанкционированные сбросы.
Старший преподаватель Государственного университета аэрокосмического приборостроения А. А. Березина в журнале «Компетентность» (2025) приводит данные внедрения цифрового двойника на целлюлозно-бумажном комбинате. Система на основе нейросетей позволила сократить превышения нормативов по химическому потреблению кислорода на 91%, снизить расход реагентов на 12–26% и получить годовую экономию 8,4 млн рублей только за счет оптимизации реагентного хозяйства. Также предотвращены аварии с потенциальным ущербом свыше 10 млн рублей [3].
Где это уже работает в России
В 2024 году «Росатом» через структуру «Российские инновационные ресурсы» (РИР) внедрил цифрового двойника сетей водоснабжения в Обнинске. По данным портала TAdviser, в единый центр мониторинга интегрировали более 70 объектов и свыше 500 многоквартирных домов, автоматизирова до 80% диспетчерских операций [4].
Компания «РМ Нанотех» создала цифровую копию системы управления для водоподготовительной установки на предприятии «СВЕЗА Усть-Ижора». Решение позволяет уменьшить затраты на несвоевременные промывки и аварийные остановки [5].
В России разрабатывается национальный стандарт «Интеллектуальные системы управления процессом водоподготовки», нацеленный на оптимизацию реагентного хозяйства [6].
Экологические выгоды и безопасность данных
Моделирование позволяет оценить влияние сбросов на водоем еще до начала сброса. Создание цифровых двойников водных объектов входит в задачи подпрограммы «Цифровое развитие отраслей экономики» [7].
В Обнинске используется российская IoT-платформа из реестра отечественного ПО, соответствующая требованиям ФСТЭК. Данные шифруются, критические операции дублируются ручным режимом [4]. По данным отчета Black & Veatch, 95% коммунальных предприятий называют кибербезопасность главным драйвером внедрения цифровых систем [8].
Перспективы
Цифровые двойники водоснабжения ― базовый слой для современного умного города. На системах очистки сточных вод такие модульные системы уже работают в Китае (пилотный проект в округе Боай, провинция Хэнань, на 150 тыс. жителей) и в Милане, Италия. В последнем примере внедрение технологии позволило сэкономить 630 тыс. евро в год [10].
Сотрудники Брестского государственного технического университета В.Н. Коваленко, А.И. Трипутько и А.Д. Гуринович в своем исследовании 2024 года подсчитали: оптимальная детализация цифрового двойника — это точка равновесия между затратами на разработку и экономической отдачей. На примере условного населенного пункта они показали, как правильно выбранный уровень детализации модели позволяет снижать эксплуатационные расходы и повышать качество услуг [9].
Водоканалы, которые вкладываются в цифру сейчас, через 5-7 лет будут иметь себестоимость кубометра воды на 20-30% ниже конкурентов. Для промышленных предприятий, которые критически зависят от системы водоподготовки, внедрение цифровых двойников для контроля качества воды, будет ещё одним конкурентным преимуществом (снижение энергопотребления, и эксплуатационных расходов).
Источники:
1. Штепа В.Н. Рациональные подходы к внедрению цифровых двойников в водопроводно-канализационные хозяйства // Журнал «Информатика и кибернетика». - 2025. - № 3(37). - С. 51-57. Автор - доктор технических наук, профессор Белорусского государственного технического университета (БГТУ).
2. Войтов И.В., Штепа В.Н., Охтилев М.Ю. Цифровые двойники технологических процессов водоснабжения и водоотведения: производственные и образовательные аспекты // Сборник научных трудов «Наука и технологии - ЖКХ». - 2025. - № 2. - С. 17-23. Авторы - профессора и научные сотрудники БГТУ.
3. Березина А.А. Архитектура цифрового двойника системы водоотведения на основе нейронных сетей // Журнал «Компетентность / Competency (Russia)». - 2025. - № 10. - С. 23-27. Автор -старший преподаватель Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП).
4. TAdviser. «Росатом» внедрил искусственный интеллект в систему управления ЖКХ Обнинска // TAdviser.ru. - 5 декабря 2024.
5. Компания «РМ Нанотех». Цифровые решения для установок водоподготовки: кейс «СВЕЗА Усть-Ижора» // Официальный сайт ООО «РМ Нанотех». - 14 декабря 2023.
6. NormaCS. Проекты национальных стандартов: ПНСТ «Интеллектуальные системы управления процессом водоподготовки. Общие требования» // Система NormaCS. - 2025.
7. Паспорт федерального проекта «Цифровое развитие отраслей экономики» // Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ. - 2024.
8. Black & Veatch. 2025 Water Report: Resilience and Cybersecurity in Water Utilities // Black & Veatch Holdings. - 2025.
9. Коваленко В.Н., Трипутько А.И., Гуринович А.Д. К вопросу детализации цифровых двойников систем жизнеобеспечения // Сборник «Перспективные направления инновационного развития и подготовки кадров». - Брест: БрГТУ, 2024. - Ч. 2. - С. 30-38. Авторы - сотрудники Брестского государственного технического университета (БрГТУ). В статье на примере условного населенного пункта Энск они анализируют различные подходы к детализации моделей: от максимально подробных до укрупненных, и определяют «точку эффективности» - баланс между затратами на разработку и экономической отдачей.
10. Digital Twins for Wastewater Treatment: A Technical Review - ScienceDirect
#цифровыедвойникивводоподготовке #системыводоснабжения #водоотведение #процессыочистки #дозированиереагентов #умныегорода #реагентногохозяйства #промывка #водоотведение #водоснабжение #мембрана #сбросстоков #фильтр