5G智慧水廠的構建與實施

創(chuàng)造單位：廣州市自來水有限公司北部水廠

主 創(chuàng) 人：林 立 羅 斌

創(chuàng) 造 人：敬東明 何元春 何立新 李洪榮 馮冰妍 潘鐵軍 賴源平 張靖雯

廣州市自來水有限公司創(chuàng)建于1905年10月，發(fā)展至今已成為一家集自來水生產(chǎn)、銷售、服務和多種經(jīng)營為一體的特大型供水企業(yè)。公司設計綜合生產(chǎn)能力519萬立方米/日，供水范圍覆蓋廣州市中心城區(qū)。

2020年公司供水總量為16.51億立方米，供水服務面積達997平方公里，市政管網(wǎng)長度7274公里，是全國供水總量第二的服務單體。

近年來，廣州自來水公司加速智慧水務建設，致力推進供水云服務平臺建設，參與大量國家重大科技專項和省市的重點科研項目，取得“國家高新技術企業(yè)”“省級企業(yè)技術中心”“市級企業(yè)技術中心”“省級工程技術研究中心”認定，科技成果顯著。

黨的十九大以來，為滿足人民對城市供水保障需求，建設安全、便民、高效、綠色、經(jīng)濟、智慧的現(xiàn)代化城鎮(zhèn)水務體系，成為水務行業(yè)發(fā)展大趨勢。在以云計算、5G等為代表的“數(shù)字基建”時代，5G通訊通用技術革命、大數(shù)據(jù)、人工智能為智慧水務插上嶄新的翅膀。

2019年，公司緊抓時代發(fā)展機遇，深入貫徹落實國家“新基建”戰(zhàn)略部署，以廣州“新城建”試點建設和5G發(fā)展為契機，借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新技術和水務行業(yè)標桿企業(yè)經(jīng)驗，全力搭建集優(yōu)質服務理念、領先技術標準、高效營運經(jīng)驗為一體的智慧供水云平臺，建成廣州市首個5G智慧水廠——北部水廠，打造“廣州模式”的行業(yè)智慧供水規(guī)范，助推廣州建設幸福宜居文明城市。

一、背景與目標

（一）實施背景

1.“5G+”政策支持，智慧水務迎來發(fā)展機遇

2019年以來，信息技術持續(xù)高效發(fā)展，國家全面推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡、平臺、安全三大體系建設，支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地建設，建設“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應用先導區(qū)，加快培育工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)骨干龍頭企業(yè)。5G與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術融合，并與智慧供水技術深度融合，融智賦能。國務院國資委辦公廳在《關于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的通知》中要求“推動新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，打造數(shù)字經(jīng)濟新優(yōu)勢，促進國有企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展”，在頂層愿景、目標和發(fā)展戰(zhàn)略上給出指引方向。廣州市出臺關于加快5G等新型信息基礎設施建設的相關部署，要求把握5G發(fā)展新形勢、新機遇，推動5G網(wǎng)絡建設、應用和產(chǎn)業(yè)協(xié)調發(fā)展，為廣州自來水探索“5G+供水”提供強而有力的政策支持。此外，2021年中國水協(xié)發(fā)布《城鎮(zhèn)水務2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出智慧水務發(fā)展目標和任務、實施路徑與方法，進一步為智慧水廠長遠發(fā)展建設“掌舵”。

2.國內外水務行業(yè)智慧水務建設現(xiàn)狀及存在問題

（1）國外智慧水務建設現(xiàn)狀

在國外，早期發(fā)展的水務公司重點在于部署軟件平臺、新型傳感器與智能水表，數(shù)字化程度高的公司逐步應用VR、大數(shù)據(jù)、人工智能技術，制定智能化方案，提高水務管理工作的能力和水平。

蘇伊士集團通過與OptimaticsTM公司合作，引進整合OptimizerTM數(shù)字技術，擴展其數(shù)字化解決方案，為用戶提供貫穿于管網(wǎng)設計到運營全生命周期的水務基礎設施優(yōu)化服務，搶占水務創(chuàng)新數(shù)字解決方案制高點；

新加坡數(shù)字化轉型最終目標是創(chuàng)建一個單一的高效水系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，用水監(jiān)測、污廢水收集和處理、飲用水生產(chǎn)及輸配的所有過程都能在系統(tǒng)級別上得到優(yōu)化，而不是“各走各路”，從而實現(xiàn)高效管理；

美國IBM公司為哥倫比亞水務局創(chuàng)建了一套監(jiān)督系統(tǒng)，實現(xiàn)水務基礎設施的率先維護，使管理工作由被動變主動；

日本東京都自來水踐行“確保供水穩(wěn)定”“提升地震發(fā)生時的應對措施”以及“可生飲和口感好的自來水”三大供水指導思想。在東京供水長期戰(zhàn)略構想（2020年）中，計劃建設涵蓋供水監(jiān)控、能源優(yōu)化、應急供水、水質管理等關鍵業(yè)務的水務數(shù)字化系統(tǒng)，確保東京都自來水制訂的18項具體任務和15個考核指標能得到有效落實。

（2）國內智慧水務建設現(xiàn)狀

國內的一些大型水務集團也積極探索數(shù)字化、一體化建設。如北控水務，通過建立“全業(yè)務一體化”的BECloud智慧云平臺，達到對各項目統(tǒng)一管控和標準化管理，有效提高運營能力；重慶水務與阿里巴巴集團合作，共同打造智慧水務大數(shù)據(jù)中心，并計劃在智能客服、智能調度、決策輔助和故障診斷等場景中投入應用；深圳水務聚焦水安全運行、水質量提升和水環(huán)境改善，構建集團化數(shù)字運營管理基礎，融合智能核心技術，驅動業(yè)務流程、運營模式創(chuàng)新，賦能環(huán)境水務產(chǎn)業(yè)升級，構建智慧化水務生態(tài)。在深圳市鹽田直飲水示范工程中，深水集團通過智慧化手段，構建了鹽田直飲數(shù)字化管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了從“源頭到龍頭”水質安全監(jiān)管一張圖管理，實現(xiàn)了自來水直飲全流程數(shù)字化管控。

（3）智慧水務建設面臨的問題

多年來，國內供水運營管理一直在自動化、信息化、智能化中積極探索，然而供水系統(tǒng)復雜、流程長、環(huán)節(jié)多、數(shù)據(jù)信息量大、視頻等非結構化信息利用少等問題，造成管理系統(tǒng)平臺分散，數(shù)字技術賦能業(yè)務的水平偏低，以下問題一定程度制約智慧水務進程：

一是部分水務企業(yè)缺乏頂層統(tǒng)一數(shù)字化規(guī)劃，各業(yè)務系統(tǒng)建設相對分散，各自為政，制約企業(yè)數(shù)字化轉型效率。

二是傳統(tǒng)水務運營環(huán)節(jié)和操作流程管理仍顯粗放，部分業(yè)務管理鏈條中存在信息化空白，無法構建全業(yè)務驅動的數(shù)字化平臺，導致難以形成有效協(xié)同以及實現(xiàn)全方位監(jiān)管督辦、立體化管理，智慧水務信息系統(tǒng)不能為企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展和管理運營提供有力支撐，無法實現(xiàn)企業(yè)各項業(yè)務的規(guī)范化、標準化管理。

三是水務行業(yè)在新一代5G技術運用、數(shù)字資源挖掘、智慧化管理等方面任重而道遠。傳統(tǒng)的智慧水務信息系統(tǒng)局限于結構化數(shù)據(jù)處理，視頻、圖像識別等非結構化數(shù)據(jù)處理和分析利用不足，制約了數(shù)據(jù)價值的釋放，無法深入地挖掘、分析與應用全息數(shù)據(jù)支撐供水運營智慧化管理場景。

3.廣州自來水智慧供水發(fā)展，“三步走”邁入黃金時期

廣州市自來水有限公司的智慧供水發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：

初級階段是從20世紀80年代到2000年，全國的供水信息系統(tǒng)都是剛剛起步，廣州自來水在該時期主要建設了生產(chǎn)調度系統(tǒng)、水廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng)，水廠水質監(jiān)測系統(tǒng)，管網(wǎng)管理基本沒有信息系統(tǒng)；

中間階段是2000年到2015年，企業(yè)逐步建立多個獨立的業(yè)務信息系統(tǒng)，如管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、營業(yè)系統(tǒng)、客服系統(tǒng)、從水源至管網(wǎng)水質監(jiān)測系統(tǒng)，初步實現(xiàn)主要業(yè)務信息化管理，但各業(yè)務系統(tǒng)相互獨立，信息煙囪、數(shù)據(jù)孤島導致內部數(shù)據(jù)未打通，大量數(shù)據(jù)處理和利用共享不足，數(shù)字化效能較低；

“十三五”以來，公司進一步發(fā)展，把各個分散獨立的系統(tǒng)向云端整合，邁進智能化。2019年，與浪潮軟件集團有限公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等方面深入合作，建立全方位、深層次的戰(zhàn)略合作關系，推進公司向數(shù)字化、自動化轉型升級，打造“智慧廣水、情潤萬家”品牌，全面提升企業(yè)競爭力。

圖1 北部水廠工藝流程

（二）發(fā)展目標

在“生態(tài)文明”新發(fā)展理念、“碳中和”遠景目標的指導下，以廣州建設國家重要中心城市和粵港澳大灣區(qū)區(qū)域發(fā)展核心引擎為契機，深入貫徹落實習近平總書記視察廣東時提出的推動“四個出新出彩”實現(xiàn)老城市新活力的重要指示精神，以提高供水保障服務水平、實現(xiàn)區(qū)域優(yōu)質供水為目標，運用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，加快構建水務數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈，打通“水安全、水資源、水管理、水經(jīng)濟”循環(huán)，助力水務行業(yè)運營、管理、服務模式的數(shù)字化升級與創(chuàng)新。

一是打造以云化部署為核心的智慧供水運營管控平臺，將水廠全流程生產(chǎn)管理業(yè)務集成在統(tǒng)一平臺，構建節(jié)能增效型智慧水廠運營管理數(shù)字化體系，形成基礎設施云化、前端觸點數(shù)字化、業(yè)務在線化、運營數(shù)據(jù)化、決策智能化。

二是以“工業(yè)+5G”為核心，借助5G網(wǎng)絡、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術，在先進、有效和可靠的智能算法和控制策略指導下，以北部水廠為試點，開發(fā)涵蓋水源到終端的全過程智慧生產(chǎn)管理場景，將生產(chǎn)、運營、綜合管理等場景全面重構，并利用彈性敏捷、高復用的數(shù)字化技術推動公司的業(yè)務模式、組織架構、企業(yè)文化等持續(xù)變革，使廣州自來水公司成為供水行業(yè)數(shù)字化轉型的領軍企業(yè)。

二、實施辦法

廣州市國資委在《關于加快推進廣州國資國企數(shù)字化轉型工作的指導意見》指出，要加快建設智慧國資，促進國有企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展。為進一步構筑智慧水廠未來發(fā)展戰(zhàn)略性的新優(yōu)勢，持續(xù)激發(fā)高質量發(fā)展新活力，廣州自來水公司北部水廠主動順應數(shù)字化發(fā)展大勢，系統(tǒng)謀劃、創(chuàng)新舉措，通過搭建“四化融合”體系，切實把數(shù)字化轉型深度融入國資國企改革發(fā)展。

廣水智造的“四化”，是指以水廠生產(chǎn)全流程自動化控制為基礎，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理業(yè)務集成平臺化，不斷深化5G融合應用，賦能水廠運營管理移動化，構建智慧應用場景，全面推動水廠業(yè)務數(shù)字化管理，引領城市供水高質量發(fā)展。

（一）生產(chǎn)全流程自動化，管理效率不斷提高

北部水廠采用先進的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)從原水到出廠水全流程控制自動化。藥劑投加系統(tǒng)可以根據(jù)原水以及生產(chǎn)過程中水質、水量的變化，自動調節(jié)助凝劑、消毒劑的投加量；常規(guī)凈水系統(tǒng)的反應沉淀池實現(xiàn)了自動排泥，濾池實現(xiàn)了自動運行以及反沖洗；超濾膜系統(tǒng)更是實現(xiàn)了系統(tǒng)自動適配水量，膜組自動清洗，無人值守；排泥水處理系統(tǒng)通過對各工藝段的協(xié)調控制，能自動處理不同原水濁度下的排泥水。通過不斷對生產(chǎn)流程優(yōu)化更新，各凈水工藝協(xié)調聯(lián)動全自動化運行，系統(tǒng)控制更加精準可靠，大大減輕巡檢維護工作量，逐步邁向少人、無人車間的目標。

1.藥劑自動投加

在自來水工藝流程中，藥劑投加一直是較難控制的一環(huán)。在絮凝劑投加方面，北部水廠根據(jù)對投加大數(shù)據(jù)的分析以及實驗室的混凝試驗，優(yōu)化得出不同原水濁度下的最佳藥耗，按水量的變化實時調節(jié)投加設備，實現(xiàn)了絮凝劑的準確投加。在消毒劑投加方面，北部水廠考慮包括日照時間、實時水量、過程中的水質參數(shù)等多方面的因素，通過計算實現(xiàn)了前、后消毒劑的全自動投加。

目前，北部水廠正在創(chuàng)新開展絮凝體（礬花）圖像識別的研究，日后將對投加后的絮凝體的大小、單位數(shù)量、形狀等進行圖像實時分析，通過智能分析計算得出最優(yōu)的投加量，配合精準的數(shù)字計量泵實行精確投加。

2.排泥水處理系統(tǒng)自動運行

北部水廠的排泥水處理系統(tǒng)等同于一個中小型的污水處理廠，其工藝包括了濃縮沉淀、上清液回用和余泥脫水外運。

圖2 北部水廠排泥水處理系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)利用PLC對各工藝環(huán)節(jié)協(xié)調控制，能夠適應不同時期原水濁度變化而導致的排泥量增減。系統(tǒng)安裝了多個濃度計對濃縮沉淀的效果進行監(jiān)測，精準控制脫水前的泥水濃度，使脫水機運行在最優(yōu)工況，確保脫水后的泥餅保持在含固率30%以上。經(jīng)計算，泥餅含固率由平均20%提升至30%，泥餅體積減量約1/3，每年污泥外運費用減少約200萬元。因實現(xiàn)了全自動控制，無需人員參與運行，大大降低了運行維護成本；而且使指令執(zhí)行更及時準確，目標控制更加精準，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)廢水零排放。

3.超濾膜系統(tǒng)無人值守

北部水廠擁有全國最大規(guī)模的單一膜處理車間，一期日最大產(chǎn)量達60萬立方米。超濾膜系統(tǒng)共有40個膜堆，分4組獨立運行，每組均配有物理清洗系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)、膜完整性檢測系統(tǒng)，另外還有共同使用的提升系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、配藥系統(tǒng)及中和系統(tǒng)。

北部水廠超濾膜的自控系統(tǒng)共設5個PLC控制主站和52個PLC控制子站。主站采用具有雙CPU雙網(wǎng)絡的冗余PLC，搭建一個雙層工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，并結合多種通信技術，實現(xiàn)中央監(jiān)控管理系統(tǒng)上位機集中統(tǒng)一監(jiān)控。通過中央監(jiān)控管理系統(tǒng)，集成過程監(jiān)控、報警功能、趨勢功能、報表系統(tǒng)、用戶管理等功能。借助自動化手段，實現(xiàn)了超濾膜系統(tǒng)運行無人值守，不斷為應急處理提速，提升企業(yè)經(jīng)營效率。

（二）數(shù)據(jù)、業(yè)務平臺化，多維度提升智能決策

結合生產(chǎn)管理實際，北部水廠整合資源、統(tǒng)籌規(guī)劃，在現(xiàn)有的自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)基礎上，通過云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，搭建智慧生產(chǎn)管理云平臺，借助應用MDA的建模開發(fā)理念，構建統(tǒng)一開發(fā)平臺、統(tǒng)一業(yè)務支撐平臺、統(tǒng)一移動平臺，實現(xiàn)了水廠管理全流程數(shù)據(jù)集中、業(yè)務統(tǒng)一集成，推動水廠管理從信息化到智能化再到智慧化的躍升。

圖3 北部水廠超濾膜處理車間

圖4 北部水廠智慧供水云平臺

圖5 工作人員借助AR設備和App巡檢

圖6 5G終端記錄設備現(xiàn)場情況

北部水廠智慧生產(chǎn)管理平臺利用云技術，以生產(chǎn)調度控制、水質全流程管理、設備全生命周期管理為主線，將水廠ERP（包括計劃經(jīng)營、財務資產(chǎn)、供應鏈、人力資源、協(xié)同辦公、黨政工團管理、風險控制等）等系統(tǒng)資源進行有機的串聯(lián)和整合，完成廠內各生產(chǎn)要素之間的數(shù)據(jù)打通，全面重構生產(chǎn)管理各業(yè)務系統(tǒng)，實現(xiàn)各業(yè)務流程的聯(lián)通、業(yè)務的統(tǒng)一集成。水廠智慧生產(chǎn)管理平臺如同水廠大腦，通過匯集生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分析預警、輔助決策，進一步提升水廠經(jīng)營管理水平。

1.生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時綜合監(jiān)控

傳統(tǒng)水廠的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)集合了監(jiān)測、控制、報警等功能，一般需要通過多個界面，呈現(xiàn)多重信息，當設備發(fā)生故障報警時，值班人員需要頻繁切換界面查看，故障處理的效率并不高。為此，北部水廠自主開發(fā)了自動化綜合監(jiān)控平臺系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中超過10萬個數(shù)據(jù)清晰記錄。通過生產(chǎn)報表對龐大的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫進行計算和挖掘分析后，實現(xiàn)對廠內的生產(chǎn)流程、重要設備的運行狀況進行監(jiān)控，并可根據(jù)系統(tǒng)設定的故障等級劃分，對生產(chǎn)異常情況進行實時報警。

2.生產(chǎn)能耗優(yōu)化管控

通過大數(shù)據(jù)實時對比分析供水量變化對生產(chǎn)成本和物耗、電耗等的影響，云平臺自動調整生產(chǎn)計劃，使系統(tǒng)在最優(yōu)設計工況下運行；平臺可聯(lián)動管網(wǎng)最不利點的壓力，結合大數(shù)據(jù)綜合分析用戶情況、季節(jié)影響、周邊工程和搶修等因素，計算壓力控制的最優(yōu)值。通過水廠調頻控制使出廠壓力始終動態(tài)穩(wěn)定在合理水平，實現(xiàn)水廠夜間壓力優(yōu)化控制是確保供水安全和能耗優(yōu)的雙重目標。

3.生產(chǎn)設備全生命周期管理

云平臺配置的設備采購、到貨、安裝、巡檢、運維、改造、報廢等全生命周期流程，將水廠的設備資產(chǎn)全生命周期數(shù)據(jù)在線管理。通過大數(shù)據(jù)分析評估設備資產(chǎn)健康情況，輔助設備管理決策。例如通過日常巡檢大數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)自動生成并分發(fā)維修任務，并跟蹤任務執(zhí)行，任務完成后形成設備故障維修記錄臺賬，根據(jù)預先設定的設備使用年限，系統(tǒng)經(jīng)過對設備維護保養(yǎng)、維修數(shù)據(jù)分析后，將會對設備的更新改造和報廢作出提醒，并輔助制定設備更新改造以及報廢計劃。

4.倉儲物料全流程管理

云平臺構建云上物料管理模塊，借助二維碼技術，實現(xiàn)物料到貨、收貨、現(xiàn)場核驗全流程的跟蹤掌控，通過物料儲存、使用信息反饋優(yōu)化控制物料倉存，提升物料閉環(huán)管理效率，實現(xiàn)物料數(shù)字化管理。

（三）前端管理移動化，培育數(shù)字水廠新模式

5G融合應用是促進經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型的重要引擎。聚焦供水云平臺建設關鍵環(huán)節(jié)，借力新基建契機，廣州市自來水有限公司與廣州聯(lián)通強強聯(lián)合在北部水廠成立“5G+智慧”供水實驗室，推動5G等新型技術與城鎮(zhèn)供水業(yè)務深度結合，打造廣州智慧供水“新名片”，為北部水廠“5G+水務”建設提供強而有力的保障。借助5G技術的優(yōu)勢，北部水廠在傳統(tǒng)管理的固定終端基礎上，挖掘移動化終端的潛力，開發(fā)移動業(yè)務提高水廠管理的效率。

（1）移動設備巡檢

以往生產(chǎn)管理、設備管理都是先發(fā)現(xiàn)再處理的模式，對于突發(fā)情況以及故障的發(fā)生有嚴重的滯后性。北部水廠利用5G技術，借助基于5G的可穿戴設備、移動終端，研究拓展生產(chǎn)巡檢移動化，將水廠管理前置。通過設備定位、設置巡檢路線及巡檢標準，云平臺將根據(jù)巡檢計劃自動生成巡檢任務，巡檢人員認領任務后，借助巡檢App對設備設施開展巡檢，利用5G高速率、低延時、大容量的通訊技術，及時把設備現(xiàn)場可視化圖像信息第一時間上傳到云平臺，用于開展設備大數(shù)據(jù)分析。

（2）5G巡檢無人機

除了人員移動巡檢，北部水廠拓展無人機巡檢應用，在設定的巡檢路線上，工作人員可在智慧生產(chǎn)管理云平臺上，實時控制無人機飛行高度、高清攝像頭狀態(tài)，彌補人工巡檢無法覆蓋的盲點區(qū)域，通過無人機將巡檢過程高清影像流暢回傳至調度中心，解決人工巡檢時無數(shù)據(jù)留存的技術難點，提升多維度聯(lián)動能力。

此外，北部水廠正在積極探索無人機的多機協(xié)同自主巡檢以及在地面機器人的配合下開展多架無人機自主巡檢，搭建立體巡檢試驗框架。未來，5G無人機在水廠運營管理的應用，必將引領跨越式發(fā)展。

（四）智慧場景多元化，深度融合5G新技術應用

立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念，北部水廠以“上云、用數(shù)、賦智”為重點突破口，拓展智慧供水領域的廣度和深度，借助5G技術、大數(shù)據(jù)技術、AR技術、互聯(lián)平臺等技術基礎，不斷深化智慧場景應用。

1.智慧安防

面對復雜多變的國際防恐形勢，城市供水安全保障是防恐工作中的重要環(huán)節(jié)，關系到維護社會穩(wěn)定、保障民生安全、提升人民幸福感的高度。水廠作為供水過程中一個重要的生產(chǎn)單位，防恐要求及安全生產(chǎn)保障尤其重要。

圖7 北部水廠利用無人機巡檢

圖8 北部水廠智慧安防系統(tǒng)界面

圖9 當發(fā)現(xiàn)人員闖入立即發(fā)出警報

圖10 周界安全防控實時分析定位闖入人員軌跡

北部水廠聚焦“防入侵、防盜、防事故”三大關注點，重點面向“人、物、地、事、組織”中的人員管理、車輛管理、區(qū)域管理、事件處置等業(yè)務，整合安防、調度、人流、設備、環(huán)境、事件等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，針對廠區(qū)的安全風險控制重點構建智慧安防場景應用。

（1）廠區(qū)安全綜合態(tài)勢感知

北部水廠利用GIS和可視化技術，對廠區(qū)環(huán)境進行數(shù)字建模，呈現(xiàn)廠區(qū)虛擬結構，匯集視頻、門禁、報警、停車場、辦公等數(shù)據(jù)，構建智慧樓宇體征指數(shù)，形成運行評估體系。對重點區(qū)域的進出人員、車輛、重要設施狀態(tài)等的運行情況進行集中呈現(xiàn)，及時研判、發(fā)現(xiàn)，防止異常事件發(fā)生。

（2）生產(chǎn)區(qū)域周界安全防控

傳統(tǒng)水廠安防系統(tǒng)注重周界入侵報警，沿廠區(qū)圍墻布防可調頻主動紅外對射探測器，當防區(qū)有入侵報警時，監(jiān)控室報警主機和現(xiàn)場聲光報警器一并發(fā)出報警，同時現(xiàn)場投光燈照亮相應圍墻段和聯(lián)動相應攝像槍進行取證，對未經(jīng)允許人員進入時發(fā)出報警。

北部水廠在此基礎上，對廠區(qū)進行細分區(qū)域管控，構建了“區(qū)域防控應用場景”，即在綜合泵房、沉清疊合池、砂濾池、超濾膜車間等重要生產(chǎn)區(qū)域外圍部署多路視頻監(jiān)控，劃分電子監(jiān)控區(qū)域邊界。通過人工智能AI算法平臺分析運算，實現(xiàn)攝像槍監(jiān)控范圍內對人臉、人體、車牌、車型的檢測和識別能力，通過設置黑/白名單對進出人員進行識別管理，在重點生產(chǎn)區(qū)域發(fā)生未經(jīng)允許人員入侵報警后，自動抓拍人臉并上傳到平臺，對布控區(qū)域內入侵行為和意外事件實現(xiàn)快速感知和高效處理。

（3）高壓線限高區(qū)域安全防控

廠區(qū)內有架空高壓線穿越，存在車輛超高意外觸碰高壓線的安全風險，為防止這類安全事故發(fā)生，水廠構建了“限高預警”應用場景。通過在車輛進廠時進行圖像識別，測算車輛高度并回傳調度中心，若車輛超過安全高度，報警系統(tǒng)及時啟動，對車輛進行安全提醒，避免高壓觸線風險。

2.AR遠程診斷

基于AR技術，北部水廠構建了“遠程診斷”應用場景，當工作人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設備異常，可實時連線專家，通過語音視頻通訊、AR實時可視化標注進行實景互動、遠程指導，第一時間制定解決方案，減少時間成本，迅速解決現(xiàn)場問題，進而提高水廠生產(chǎn)、維修、培訓等工作效率。AR遠程診斷場景的應用可進一步優(yōu)化整合企業(yè)的技術、維修人力資源，降低人工成本；還可在因新冠肺炎疫情封閉區(qū)域內，人員進出限制的情況下，實施遠程作業(yè)指導輔助，具有較廣泛的應用價值。

三、主要創(chuàng)新點

北部水廠以國企數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型發(fā)展為契機，以“上云、用數(shù)、賦智”為重點突破口，構筑智慧水廠發(fā)展戰(zhàn)略新優(yōu)勢，在傳統(tǒng)水廠的基礎上，通過部署工業(yè)以太網(wǎng)、有線互聯(lián)網(wǎng)、5G移動網(wǎng)，支持“自動化、平臺化、移動化、場景化”相互融合，協(xié)同多系統(tǒng)、協(xié)調多部門，多維度提升智能決策，不斷提高管理效率，培育數(shù)字水廠新模式，激發(fā)智慧水務高質量發(fā)展新活力。

（一）創(chuàng)新應用5G技術，構建“三網(wǎng)交互”支撐網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互融合

數(shù)字化建設依托三大基礎網(wǎng)絡部署，包括工控網(wǎng)絡、有線互聯(lián)網(wǎng)、5G移動網(wǎng)，“三網(wǎng)交互”為實現(xiàn)“四化”融合提供高效、便捷、安全的重要基礎保障。工控網(wǎng)絡滿足實現(xiàn)生產(chǎn)設備PLC、控制設備、執(zhí)行設備和傳感設備等多樣現(xiàn)場傳感設備的互聯(lián)和控制；有線互聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)在廠區(qū)場所范圍內固定終端的的連接，實現(xiàn)內部管理信息的有效互通；5G通訊網(wǎng)絡是新一代的通訊技術，具有高帶寬、低延時、廣連接的優(yōu)勢，應用于移動管理場景，催生更多的管理價值。

創(chuàng)新應用5G技術在國內走在前列，依托大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算等新技術結合，將基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的水廠信息化管理側重于數(shù)字分析、平面化向實現(xiàn)圖像識別分析、立體化拓展，讓現(xiàn)場信息采集從“看得見”向“看得快”“看得清”轉變。目前，北部水廠在智慧安防、無人機巡檢等方面應用了5G技術，在5G網(wǎng)絡的支持下，無人機響應速度明顯提升，高清視頻和圖像實時傳輸?shù)焦芾砗笈_，有效提升水廠生產(chǎn)全流程管控水平和業(yè)務管理水平，大大減少了巡檢中人力成本的投入。未來，“5G+”技術還將不斷深入創(chuàng)新應用于生產(chǎn)各環(huán)節(jié)。

（二）創(chuàng)新應用“四化”融合，構建廠區(qū)數(shù)字化管理體系

智慧水廠數(shù)字化管理體現(xiàn)在四個層次，第一層，在線連接人、設備和流程，采集關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)，能夠秒級感知發(fā)生了什么；第二層，實時歸因分析，秒級獲知事件發(fā)生的原因；第三層，通過模型預測事件變化趨勢；第四層，能夠自動采取應對或決策。北部水廠積極探索數(shù)字化在供水管理全流程全周期的深度應用，通過“四化”融合（自動化、平臺化、移動化、場景化），促進實現(xiàn)數(shù)字化管理的四個層次，逐步達到“管控全面升級（成本更優(yōu)）、業(yè)務協(xié)同高效（效率更高）、應急敏捷響應（安全可控）”的數(shù)字化管理目標。

1.自動化——生產(chǎn)一體化自動控制，夯實水廠數(shù)字化管理的基礎

北部水廠作為設計規(guī)模達150萬立方米、擁有國內最大規(guī)模單一膜處理車間的南方超大型水廠，已建成基于PLC和生產(chǎn)監(jiān)控的工藝全流程自動化控制系統(tǒng)，并為企業(yè)決策和實施提供強大技術支撐。

圖11 高壓線限高區(qū)域安全防控

圖12 AR遠程診斷

圖13 智慧水廠數(shù)字化管理四個層次

針對系統(tǒng)規(guī)模大、水質數(shù)據(jù)監(jiān)控點數(shù)多、控制復雜等特點，北部水廠應用多種通訊技術，揉合多種工業(yè)總線，實現(xiàn)了不同設備、不同子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，達到真正意義上的一體化控制。從取水泵站取水通過管網(wǎng)輸送到水廠進行加藥、混凝、沉淀、過濾、超濾膜處理后，由供水泵房加壓輸送至供水管網(wǎng)的全過程，實現(xiàn)自動化控制，為水廠數(shù)字化管理提供強有力的硬件基礎。

2.平臺化——數(shù)據(jù)、業(yè)務云化構建，打造水廠數(shù)字化管理的中心

以往水務企業(yè)的信息系統(tǒng)構建方式，是以人、財、物、事各業(yè)務線獨立建設業(yè)務系統(tǒng)為主，針對業(yè)務煙囪的問題采用數(shù)據(jù)總線等解決數(shù)據(jù)共享，但存在數(shù)據(jù)版本難以統(tǒng)一、數(shù)據(jù)更新不及時等問題。北部水廠立足企業(yè)信息化基礎，應用MDA的建模開發(fā)構建了廣州智慧供水云平臺。平臺構建核心在于“云”的思維，利用云平臺高可靠、高擴展、多組件等特性，所有的業(yè)務通過統(tǒng)一開發(fā)平臺進行建模，實現(xiàn)協(xié)同辦公、財務、人力、生產(chǎn)管理、項目管理、物料管理等系統(tǒng)資源有機的串聯(lián)整合，完成水廠各要素之間的數(shù)據(jù)打通與連接，降低信息在傳遞過程中產(chǎn)生的信息損耗與信息失真，實現(xiàn)減少層級、提升效率、降低成本的數(shù)字化管理目標。

3.移動化——管理決策層次扁平，助力水廠數(shù)字化管理的效率

前端管理移動化有助于決策權向前線人員轉移，讓離現(xiàn)場更近的人調配資源，從而減少管理層次，提高效率。北部水廠通過構建移動統(tǒng)一平臺，將原先固定應用端的業(yè)務功能發(fā)布到移動應用平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的移動查閱、生產(chǎn)業(yè)務的移動處理等，數(shù)據(jù)可及時獲知，現(xiàn)場情況可及時反饋，業(yè)務指令可及時下達至現(xiàn)場，工作效率大為提升。隨著管理移動化的不斷深入探索，未來，工作人員可借助增強現(xiàn)實、并行三維可視化等現(xiàn)代前沿移動人工智能技術，實現(xiàn)海量信息的快速檢索，現(xiàn)場達到人機一體。

4.場景化——構建智慧應用場景，實現(xiàn)水廠數(shù)字化管理的推廣和深化

管理場景化通過將水廠每一類業(yè)務的管理目標、管理要素、管理流程、業(yè)務模型等進行匯集，提煉形成各類管理場景，再在云平臺開發(fā)形成相應的應用模塊，由此真正達到智慧化管理落地推廣。

北部水廠目前已構建的智慧應用場景包括“AR遠程診斷”“設備生命周期管理”“智能安防管理”，在國內水廠管理中走在前列。處于研究開發(fā)階段的“基于絮凝體（礬花）圖像識別的投藥控制優(yōu)化場景”“基于標識解析的關鍵物料追溯、供應鏈管理等集成創(chuàng)新應用場景”“應急事件處置場景”更具有創(chuàng)新的價值。未來，北部水廠還將深入研發(fā)更多的智慧應用場景，包括水下探測、工業(yè)AR等技術在水廠生產(chǎn)管理的新融合應用等，各類應用場景可以提煉形成通用的示范模塊，通過云平臺的可擴展、可復用、可共享的特性，實現(xiàn)向其他水廠推廣應用。

四、實施效果

（一）經(jīng)濟效益

1.廠區(qū)能耗下降

通過數(shù)據(jù)平臺匯集生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)在線設備監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立專家數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能化自動投加、超濾膜、排泥水系統(tǒng)運行優(yōu)化，有效降低了生產(chǎn)電耗，節(jié)省生產(chǎn)電費約170萬元/年，節(jié)省原材料成本約200萬/年，節(jié)省水資源費約190萬元/年。

2.節(jié)約管理成本

北部水廠形成高度智慧化及自動化作業(yè)后，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是自動化控制的，進一步優(yōu)化值班崗位結構，減少值班人員，節(jié)省人力成本約180萬元/年。

（二）社會效益

1.更優(yōu)質水品質

廣州自來水公司聚焦廣大市民用上放心水、優(yōu)質水，把黨支部建設到工程第一線，“超濾膜+5G”的北部水廠開創(chuàng)了智慧供水高質量發(fā)展新時代。北部水廠基于智慧水廠管理平臺，實現(xiàn)從水源到終端的全過程水質管理體系，切實保障居民飲用水安全，確保每一滴水的品質。5G智慧水廠管理新模式，有效提升數(shù)據(jù)調用、存儲、分析，帶動供水生產(chǎn)決策智能化，實現(xiàn)供水營運和服務精細化、規(guī)范化管理，讓市民喝上更優(yōu)質的自來水，享受更便利的公共服務。

2.更安全水保障

北部水廠建成了廣州首個基于5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧水廠，其立體安防系統(tǒng)對于水廠的安全監(jiān)測和管理起著綜合性控制作用。通過利用5G、物聯(lián)技術實現(xiàn)水廠的安全管理，進一步提高了時長安防質量，實現(xiàn)“全息感知、統(tǒng)一預警、智能聯(lián)動、精準指揮”的安全供水目標。

3.更綠色水生態(tài)

北部水廠對生產(chǎn)廢水處理工藝的自主創(chuàng)新研究，通過在線數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù)，建立專家數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能化自動投加，既做到水質控制精準，又降低藥耗。通過對生產(chǎn)廢水處理工藝的自主創(chuàng)新研究，北部水廠實現(xiàn)排泥水系統(tǒng)全自動控制，提高了泥餅含固率和降低外運費用，大大降低了人員運行維護工作強度，做到水資源利用最大化和生產(chǎn)廢水零排放，助推“綠水青山”的環(huán)保目標。

五、展望與思考

圖14 利用5G技術進行日常巡檢

圖15 廣州市首個5G智慧水廠——北部水廠全景

隨著信息化技術的高速發(fā)展，在智慧城市建設的大潮中，建設智慧水務和新型智慧水廠，提升水廠精細化管理和服務質量及效率，降低運維成本，實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏是廣州自來水智慧供水建設的整體目標。目前，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術升級，為智慧水務建設效果提供了切實保障，為水務行業(yè)高效運轉提供了有力支撐。廣州市自來水有限公司以智造供水云平臺為基礎的5G智慧水廠在國內處于領先，已達到國際發(fā)達國家水平。依托5G的大帶寬、多連接、低時延技術使智慧水廠更高層次的需求升級得以實現(xiàn)，成為智慧水務發(fā)展的核心推動力。

智慧供水建設是一個不斷發(fā)展和持續(xù)優(yōu)化的過程。未來在人工智能、AR、VR技術等新型手段的驅動下，數(shù)字化智能水廠將為進一步提升城市供水水質賦予更多可能。

一是水質管理水平得到全面提升。通過移動生產(chǎn)平臺將生產(chǎn)工藝模塊化，不斷提質增效，員工通過指尖上的水管家就能實時了解生產(chǎn)動態(tài)，掌握運行情況。二是協(xié)同配合整體推進水廠運營管理。生產(chǎn)運營、人力資源、物料管理、安全管理、成本控制均可協(xié)調控制，取得最大的投入產(chǎn)出效率。三是成果轉化提升經(jīng)濟效益。5G時代的智能水廠將大幅改善勞動條件，減少人力成本，提高生產(chǎn)過程標準化及可控性。通過5G網(wǎng)絡與生產(chǎn)設備和工藝流程功能進行無線通信，實現(xiàn)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎上實現(xiàn)資源的整合優(yōu)化，從而進一步提高水廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

按照國企改革三年行動實施方案，到2023年底，借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新技術和水務行業(yè)標桿企業(yè)經(jīng)驗，廣州市自來水有限公司將完成集水源、水廠、管網(wǎng)、用戶為一體的綜合應用業(yè)務體系的構建，推動廣州市智慧供水的整體數(shù)字化能力，加速深耕智慧供水領域技術創(chuàng)新研發(fā)，保障城市供水安全，推動廣州供水事業(yè)高質量發(fā)展，朝著更高品質的供水目標而不懈奮斗！