智慧水廠的建設(shè)策略探析

萬(wàn)偉 楊卓

摘 要：當(dāng)前凈水廠的建設(shè)與運(yùn)行管理過程存在著系統(tǒng)信息整合亟需加強(qiáng)、巡檢管理方式有待升級(jí)、業(yè)務(wù)協(xié)同工作開展不到位與科學(xué)決策支持工作不完善等問題，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技術(shù)的發(fā)展為凈水廠的智慧化運(yùn)行帶來技術(shù)手段，通過構(gòu)建多技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)與業(yè)務(wù)融合、“人機(jī)料法環(huán)”全要素打通、智慧管控平臺(tái)為核心的智慧水廠，可實(shí)現(xiàn)水廠的全面及時(shí)管理，達(dá)到出水達(dá)標(biāo)、決策科學(xué)、運(yùn)維便利、節(jié)能降耗、運(yùn)營(yíng)增效的業(yè)務(wù)效果，為城市供排水安全保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：智慧水廠;智慧化;建設(shè)架構(gòu);數(shù)據(jù)中臺(tái);業(yè)務(wù)中臺(tái)

中圖分類號(hào)：TU991.62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0117-03

0引言

水是生命之源、健康之本。凈水廠是城市運(yùn)行的基本保障[1]，具有一定的政府職能，在智慧城市建設(shè)的過程中，智慧水廠應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前水廠在建設(shè)與運(yùn)行管理過程多存在依賴人工、數(shù)據(jù)孤島、信息孤島等問題。雖然當(dāng)前有各方企業(yè)努力探索，推出大量設(shè)想、產(chǎn)品及解決方案[2]，但實(shí)現(xiàn)智慧水廠的建設(shè)仍沒有清晰脈絡(luò)，未形成共識(shí)，需頂層規(guī)劃，探索智慧水廠科學(xué)性、系統(tǒng)性、全生命周期建設(shè)策略。

1項(xiàng)目工程概況

杭州市城北凈水廠工程，選址于杭鋼單元（GS16）控制性詳細(xì)規(guī)劃用地范圍內(nèi)，320國(guó)道西側(cè)，劉文路以東，臨一路以南。新建一座設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m?/d的凈水廠，其中外管線進(jìn)廠分配井及尾水出廠管線設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬(wàn)m?/d。同時(shí)在凈水廠的前端設(shè)污水緩沖調(diào)蓄池，有效容積為2萬(wàn)m?。

1.1 水廠建設(shè)現(xiàn)狀

當(dāng)前水廠建設(shè)主要存在著系統(tǒng)信息整合亟需加強(qiáng)、巡檢管理方式有待升級(jí)、業(yè)務(wù)協(xié)同工作開展不到位與科學(xué)決策支持工作不完善的難題。

1.1.1 系統(tǒng)信息整合亟需加強(qiáng)

很多水廠在早期進(jìn)行信息化建設(shè)時(shí)，往往會(huì)選擇外部供應(yīng)商購(gòu)買設(shè)備、部署應(yīng)用軟件，導(dǎo)致所建設(shè)的信息化系統(tǒng)軟件與自身需求匹配程度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)、應(yīng)用。隨著水廠自主研發(fā)軟件的上線，與原有老舊軟件間兼容性較差，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效整合，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享、挖掘與應(yīng)用困難。

1.1.2 巡檢管理方式有待升級(jí)

當(dāng)前，雖然部分水廠已經(jīng)完成了信息化建設(shè)，但其管理方式較傳統(tǒng)，未充分利用已建信息化系統(tǒng)。當(dāng)利用傳統(tǒng)巡檢作業(yè)的方式進(jìn)行設(shè)備管理時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的實(shí)時(shí)管控，其實(shí)際運(yùn)維與技術(shù)人員自身技術(shù)水平相關(guān)，存在設(shè)備檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法針對(duì)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行有效處理的情況[3]。此外，由于傳統(tǒng)巡檢作業(yè)基于紙面作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，其人工作業(yè)量大、工作效率低，容易造成管理上的漏洞，難以及時(shí)分析與利用數(shù)據(jù)。

1.1.3 業(yè)務(wù)協(xié)同工作開展不到位

水廠各部門開展工作時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)用軟件往往只適用于自身內(nèi)部工作的開展，部門間數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)困難，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。且在信息傳遞的過程中，各部門只能通過內(nèi)部通訊軟件、電話以及常見的短信進(jìn)行通訊，這也導(dǎo)致信息傳遞的及時(shí)性和可追溯性變差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨部門作業(yè)，更不能保證協(xié)同業(yè)務(wù)的有效開展，制約水廠現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1.1.4 科學(xué)決策支持工作不完善

部分水廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公與自動(dòng)生產(chǎn)的信息化建設(shè)，整體信息功能系統(tǒng)的使用往往都是以信息服務(wù)為主，生產(chǎn)調(diào)度、水源保護(hù)等方面的決策類和統(tǒng)計(jì)類系統(tǒng)應(yīng)用不足，無(wú)法為水廠經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)的科學(xué)決策提供助力。除此以外，水廠運(yùn)行須保證設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控與應(yīng)急管理，而當(dāng)前信息化建設(shè)尚未達(dá)成此目標(biāo)，仍需要大量的人力、物力和財(cái)力投入。

智慧水廠是充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技術(shù)，通過技術(shù)與業(yè)務(wù)融合方式，將水廠“人機(jī)料法環(huán)”全要素打通，最終實(shí)現(xiàn)以智慧管控平臺(tái)為核心的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的水廠，可在解決上述問題的同時(shí)，達(dá)到出水達(dá)標(biāo)、決策科學(xué)、運(yùn)維便利、節(jié)能降耗、運(yùn)營(yíng)增效的業(yè)務(wù)效果，是未來水廠建設(shè)與升級(jí)的發(fā)展方向。

1.2 智慧水廠目標(biāo)

通過建設(shè)智慧水廠，最終實(shí)現(xiàn)智慧管控、智慧生產(chǎn)、智慧運(yùn)營(yíng)、智慧服務(wù)。

智慧管控：使管理者能夠?qū)崟r(shí)掌握生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況，以實(shí)時(shí)管理指令優(yōu)化底層控制，指導(dǎo)生產(chǎn)，規(guī)范業(yè)務(wù)流程，提高工作效率，降低管理成本。

智慧生產(chǎn)：利用新一代信息通信技術(shù)，采集大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)生產(chǎn)的過程和結(jié)果進(jìn)行深入分析，提升監(jiān)測(cè)、預(yù)警、分析研判和綜合智能決策能力。

智慧運(yùn)營(yíng)：加強(qiáng)水務(wù)信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、原物應(yīng)用的整合與成果復(fù)用，實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)和充分共享，促進(jìn)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化升級(jí)和業(yè)務(wù)模型創(chuàng)新。

智慧服務(wù)：依托先進(jìn)技術(shù)，將水廠生產(chǎn)運(yùn)行成果進(jìn)行對(duì)外展示，融入城市高質(zhì)量公共服務(wù)體系，推廣智能運(yùn)行管理模式。

1.3 智慧水廠建設(shè)架構(gòu)

智慧水廠建設(shè)構(gòu)架由上自下分為展示層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)中臺(tái)層、模型層、數(shù)據(jù)中臺(tái)層、數(shù)據(jù)接入層、設(shè)施層、連接層與終端層，如圖1所示。

展示層：建設(shè)展示園區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、人員、車輛、設(shè)備設(shè)施、安防、能源、環(huán)境、資產(chǎn)等綜合態(tài)勢(shì)的大屏軟硬件及應(yīng)用，同時(shí)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)人駕駛艙（含多角色門戶），用于支撐各級(jí)管理層的管理需要。

應(yīng)用層：建設(shè)廠區(qū)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)設(shè)備、人、車輛的安全管理;建設(shè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝段的自動(dòng)化控制;建設(shè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的運(yùn)行管理、報(bào)警管理、值班管理、水質(zhì)管理、能源管理;建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員管理、設(shè)備管理、調(diào)度管理、安全管理。

業(yè)務(wù)中臺(tái)層：建設(shè)包含底圖在內(nèi)的GIS平臺(tái)、GIS服務(wù)共享管理平臺(tái)、GIS服務(wù)綜合展示平臺(tái)、BIM系統(tǒng)、工單系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控及會(huì)議系統(tǒng)、規(guī)則引擎及流程引擎系統(tǒng)、AV/VR系統(tǒng)和統(tǒng)一運(yùn)維管理平臺(tái)，用于支撐定位管理、生產(chǎn)控制、運(yùn)行管理、會(huì)議等業(yè)務(wù)更加高效、科學(xué)的開展。

模型層：建設(shè)工藝仿真及數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的真實(shí)仿真、趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)警，并對(duì)仿真模型進(jìn)行評(píng)估分析;建設(shè)智能機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的決策支撐，包括加藥、反沖洗、沉淀池控制等，最終實(shí)現(xiàn)整體智能運(yùn)行;建設(shè)視頻AI模型，提供各種場(chǎng)景長(zhǎng)尾算法。

數(shù)據(jù)中臺(tái)層：包含數(shù)據(jù)治理工具、數(shù)據(jù)治理服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)、BI報(bào)表、大數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)智慧水廠全域級(jí)數(shù)據(jù)全生命周期的管理，用于支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用、模型分析、AR/VR的大數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐高效準(zhǔn)確運(yùn)行。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入平臺(tái)：物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)（IoT平臺(tái)），包括設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、物聯(lián)展示、訂閱推送、能力開放、用戶管理、日志管理、運(yùn)維監(jiān)控等內(nèi)容，用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入和管理。

ICT基礎(chǔ)設(shè)施層：建設(shè)混合云平臺(tái)，對(duì)不同業(yè)務(wù)的實(shí)際運(yùn)行需要提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源，同時(shí)提供云管服務(wù)平臺(tái)，支持混合云的高效管理;對(duì)廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一的分配和管理，并通過設(shè)置安全隔離區(qū)、網(wǎng)絡(luò)管理區(qū)等保障廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)安全;構(gòu)建ICT運(yùn)維體系，實(shí)現(xiàn)ICT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控管理、運(yùn)維流程管理、資產(chǎn)配置管理，并通過主場(chǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠運(yùn)維組織保障能力的提升。

邊緣計(jì)算層：實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的管理，并針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)針對(duì)性的協(xié)議及邊緣計(jì)算算法模型。

終端層：包含門禁、攝像機(jī)、智慧屏和工藝水質(zhì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備等物聯(lián)終端，實(shí)現(xiàn)出入管理、安防管理、智慧辦公和智慧運(yùn)營(yíng)的需要。

2智慧水廠建設(shè)成效

通過智慧水廠的建設(shè)策劃，為凈水廠的生產(chǎn)運(yùn)行、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、自動(dòng)化運(yùn)維、安全管理、無(wú)人值守提供統(tǒng)一的運(yùn)維、監(jiān)控、管理與決策平臺(tái)，為水務(wù)集團(tuán)輔助分析決策奠定良好的基礎(chǔ)，為企業(yè)管理、節(jié)能降耗、減員增效和精細(xì)化管理提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，打造國(guó)內(nèi)信息化建設(shè)標(biāo)桿。

2.1 智能取水

實(shí)現(xiàn)水廠的智能取水。通過智能取水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依據(jù)實(shí)際總量需求進(jìn)行取水量的自動(dòng)調(diào)控調(diào)節(jié)，在取水系統(tǒng)內(nèi)配以相應(yīng)的應(yīng)急投加系統(tǒng)，通過模擬計(jì)算投藥總量實(shí)現(xiàn)預(yù)處理，保障取水系統(tǒng)自動(dòng)工作時(shí)能根據(jù)水質(zhì)的不同進(jìn)行自動(dòng)處理，確保滿足基礎(chǔ)供水需求。

2.2 智能給藥

實(shí)現(xiàn)水廠的智能給藥。對(duì)于水廠而言，自身在制水過程中必須保證對(duì)水質(zhì)的及時(shí)有效調(diào)控，加藥過程必須匹配水質(zhì)變化情況。通過智能加藥系統(tǒng)的有效應(yīng)用，建立加藥數(shù)學(xué)模型，布設(shè)池底水質(zhì)感應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，保證藥劑的精確投加。

2.3 智能消毒

實(shí)現(xiàn)水廠的智能消毒。當(dāng)前水廠的消毒工作存在著一定的滯后性，在進(jìn)行相關(guān)工作開展的過程中，就必須要實(shí)現(xiàn)對(duì)其干擾因素進(jìn)行有效處理。通過智能消毒系統(tǒng)的應(yīng)用，根據(jù)消毒藥品的實(shí)際特性進(jìn)行參數(shù)模型的建造，保證多種工藝混合應(yīng)用，根據(jù)模型判斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)整體水質(zhì)的分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)自動(dòng)加氯，同時(shí)降低氯的消耗，提高消毒效果。

2.4 智能配電

實(shí)現(xiàn)水廠的智能配電。通過對(duì)水廠總體耗能參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)以及電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行全面的監(jiān)控分析，保證配電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升配電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.5 智能監(jiān)管

實(shí)現(xiàn)水廠的智能監(jiān)管。由于水廠往往建設(shè)規(guī)模較大且設(shè)備眾多，單純依靠人工巡檢和監(jiān)管必然會(huì)存在管理死角。通過機(jī)械設(shè)備路線規(guī)劃與智能化機(jī)器巡檢工作的落實(shí)，能夠保證全天候精確無(wú)誤的定位巡檢，并利用搖桿方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效檢驗(yàn)。同時(shí)搭載檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備整體運(yùn)行情況的全面分析，并通過自動(dòng)生成檢驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)滿足檢驗(yàn)管理的要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)在檢驗(yàn)的過程中第一時(shí)間匯總數(shù)據(jù)，保證相關(guān)管理人員實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而做好后續(xù)的保障工作。

2.6 智能預(yù)警

實(shí)現(xiàn)水廠的智能預(yù)警。為保證智慧水廠的建設(shè)貼合實(shí)際需求，通過對(duì)大數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測(cè)與收集，利用多維顯示來滿足監(jiān)控畫面的調(diào)控，保證對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)分析與水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)源頭水質(zhì)、水量出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，就能通過警報(bào)提示幫助工作人員盡快找到問題源頭，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其的應(yīng)急處理。

2.7 數(shù)據(jù)利用

實(shí)現(xiàn)水廠的數(shù)據(jù)打通。企業(yè)業(yè)務(wù)的支撐平臺(tái)就是企業(yè)的數(shù)據(jù)中心，同時(shí)也是決策和知識(shí)中心。通過規(guī)范編程語(yǔ)言進(jìn)行統(tǒng)一化技術(shù)構(gòu)架、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)中心，將現(xiàn)有的人力資源及硬件資源進(jìn)行有效整合。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)中心的可兼容性和開放性，使得與上級(jí)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式更加便利，從而徹底消除信息孤島、數(shù)據(jù)孤島。

3結(jié)語(yǔ)

智慧水廠的建設(shè)能夠滿足智慧城市的發(fā)展，所以為了保證供排水企業(yè)在未來的發(fā)展中能夠更加貼合社會(huì)的需要，則必須要確保智能化信息化技術(shù)的全面應(yīng)用，這樣才能在建設(shè)的過程中更加貼合社會(huì)的主題。

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