智慧水廠的建設策略探析

萬偉 楊卓

摘 要：當前凈水廠的建設與運行管理過程存在著系統信息整合亟需加強、巡檢管理方式有待升級、業務協同工作開展不到位與科學決策支持工作不完善等問題，物聯網、大數據、邊緣計算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技術的發展為凈水廠的智慧化運行帶來技術手段，通過構建多技術應用、技術與業務融合、“人機料法環”全要素打通、智慧管控平臺為核心的智慧水廠，可實現水廠的全面及時管理，達到出水達標、決策科學、運維便利、節能降耗、運營增效的業務效果，為城市供排水安全保駕護航。

關鍵詞：智慧水廠;智慧化;建設架構;數據中臺;業務中臺

中圖分類號：TU991.62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0117-03

0引言

水是生命之源、健康之本。凈水廠是城市運行的基本保障[1]，具有一定的政府職能，在智慧城市建設的過程中，智慧水廠應運而生。當前水廠在建設與運行管理過程多存在依賴人工、數據孤島、信息孤島等問題。雖然當前有各方企業努力探索，推出大量設想、產品及解決方案[2]，但實現智慧水廠的建設仍沒有清晰脈絡，未形成共識，需頂層規劃，探索智慧水廠科學性、系統性、全生命周期建設策略。

1項目工程概況

杭州市城北凈水廠工程，選址于杭鋼單元（GS16）控制性詳細規劃用地范圍內，320國道西側，劉文路以東，臨一路以南。新建一座設計規模為10萬m?/d的凈水廠，其中外管線進廠分配井及尾水出廠管線設計規模為20萬m?/d。同時在凈水廠的前端設污水緩沖調蓄池，有效容積為2萬m?。

1.1 水廠建設現狀

當前水廠建設主要存在著系統信息整合亟需加強、巡檢管理方式有待升級、業務協同工作開展不到位與科學決策支持工作不完善的難題。

1.1.1 系統信息整合亟需加強

很多水廠在早期進行信息化建設時，往往會選擇外部供應商購買設備、部署應用軟件，導致所建設的信息化系統軟件與自身需求匹配程度不高，無法實現二次開發、應用。隨著水廠自主研發軟件的上線，與原有老舊軟件間兼容性較差，在設備運轉的過程中無法實現對信息的有效整合，導致數據共享、挖掘與應用困難。

1.1.2 巡檢管理方式有待升級

當前，雖然部分水廠已經完成了信息化建設，但其管理方式較傳統，未充分利用已建信息化系統。當利用傳統巡檢作業的方式進行設備管理時，難以實現系統性的實時管控，其實際運維與技術人員自身技術水平相關，存在設備檢驗時無法針對設備的實際運轉狀態進行有效處理的情況[3]。此外，由于傳統巡檢作業基于紙面作業進行數據記錄，其人工作業量大、工作效率低，容易造成管理上的漏洞，難以及時分析與利用數據。

1.1.3 業務協同工作開展不到位

水廠各部門開展工作時，其內部應用軟件往往只適用于自身內部工作的開展，部門間數據共享實現困難，數據孤島現象嚴重。且在信息傳遞的過程中，各部門只能通過內部通訊軟件、電話以及常見的短信進行通訊，這也導致信息傳遞的及時性和可追溯性變差，無法實現跨部門作業，更不能保證協同業務的有效開展，制約水廠現代化建設目標的實現。

1.1.4 科學決策支持工作不完善

部分水廠已經實現了無紙化辦公與自動生產的信息化建設，整體信息功能系統的使用往往都是以信息服務為主，生產調度、水源保護等方面的決策類和統計類系統應用不足，無法為水廠經營生產的科學決策提供助力。除此以外，水廠運行須保證設備的實時監控與應急管理，而當前信息化建設尚未達成此目標，仍需要大量的人力、物力和財力投入。

智慧水廠是充分利用物聯網、大數據、邊緣計算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技術，通過技術與業務融合方式，將水廠“人機料法環”全要素打通，最終實現以智慧管控平臺為核心的數字化運營的水廠，可在解決上述問題的同時，達到出水達標、決策科學、運維便利、節能降耗、運營增效的業務效果，是未來水廠建設與升級的發展方向。

1.2 智慧水廠目標

通過建設智慧水廠，最終實現智慧管控、智慧生產、智慧運營、智慧服務。

智慧管控：使管理者能夠實時掌握生產經營狀況，以實時管理指令優化底層控制，指導生產，規范業務流程，提高工作效率，降低管理成本。

智慧生產：利用新一代信息通信技術，采集大量的生產數據，并對生產的過程和結果進行深入分析，提升監測、預警、分析研判和綜合智能決策能力。

智慧運營：加強水務信息化基礎設施、數據資源、原物應用的整合與成果復用，實現全面互聯和充分共享，促進業務流程優化升級和業務模型創新。

智慧服務：依托先進技術，將水廠生產運行成果進行對外展示，融入城市高質量公共服務體系，推廣智能運行管理模式。

1.3 智慧水廠建設架構

智慧水廠建設構架由上自下分為展示層、應用層、業務中臺層、模型層、數據中臺層、數據接入層、設施層、連接層與終端層，如圖1所示。

展示層：建設展示園區的生產運營、人員、車輛、設備設施、安防、能源、環境、資產等綜合態勢的大屏軟硬件及應用，同時建設領導人駕駛艙（含多角色門戶），用于支撐各級管理層的管理需要。

應用層：建設廠區管理系統，實現廠區設備、人、車輛的安全管理;建設自動化控制系統實現生產工藝段的自動化控制;建設生產管理系統，實現生產全過程的運行管理、報警管理、值班管理、水質管理、能源管理;建設運營管理系統，實現人員管理、設備管理、調度管理、安全管理。

業務中臺層：建設包含底圖在內的GIS平臺、GIS服務共享管理平臺、GIS服務綜合展示平臺、BIM系統、工單系統、設備管理系統、視頻監控及會議系統、規則引擎及流程引擎系統、AV/VR系統和統一運維管理平臺，用于支撐定位管理、生產控制、運行管理、會議等業務更加高效、科學的開展。

模型層：建設工藝仿真及數據模型，實現生產全過程的真實仿真、趨勢預測預警，并對仿真模型進行評估分析;建設智能機理模型，實現生產全過程的決策支撐，包括加藥、反沖洗、沉淀池控制等，最終實現整體智能運行;建設視頻AI模型，提供各種場景長尾算法。

數據中臺層：包含數據治理工具、數據治理服務、大數據分析服務、BI報表、大數據平臺支撐及數據倉庫平臺等內容，實現智慧水廠全域級數據全生命周期的管理，用于支撐業務應用、模型分析、AR/VR的大數據平臺支撐高效準確運行。

數據業務接入平臺：物聯網接入平臺（IoT平臺），包括設備接入、設備管理、數據服務、物聯展示、訂閱推送、能力開放、用戶管理、日志管理、運維監控等內容，用于實現物聯網數據的統一接入和管理。

ICT基礎設施層：建設混合云平臺，對不同業務的實際運行需要提供計算、存儲、網絡等資源，同時提供云管服務平臺，支持混合云的高效管理;對廠區網絡資源進行統一的分配和管理，并通過設置安全隔離區、網絡管理區等保障廠區網絡安全;構建ICT運維體系，實現ICT基礎設施的運行監控管理、運維流程管理、資產配置管理，并通過主場服務，實現對水廠運維組織保障能力的提升。

邊緣計算層：實現對邊緣計算網關的管理，并針對不同應用場景，開發針對性的協議及邊緣計算算法模型。

終端層：包含門禁、攝像機、智慧屏和工藝水質數據采集設備等物聯終端，實現出入管理、安防管理、智慧辦公和智慧運營的需要。

2智慧水廠建設成效

通過智慧水廠的建設策劃，為凈水廠的生產運行、水質監測、設備管理、自動化運維、安全管理、無人值守提供統一的運維、監控、管理與決策平臺，為水務集團輔助分析決策奠定良好的基礎，為企業管理、節能降耗、減員增效和精細化管理提供強大的技術支持，打造國內信息化建設標桿。

2.1 智能取水

實現水廠的智能取水。通過智能取水系統實現依據實際總量需求進行取水量的自動調控調節，在取水系統內配以相應的應急投加系統，通過模擬計算投藥總量實現預處理，保障取水系統自動工作時能根據水質的不同進行自動處理，確保滿足基礎供水需求。

2.2 智能給藥

實現水廠的智能給藥。對于水廠而言，自身在制水過程中必須保證對水質的及時有效調控，加藥過程必須匹配水質變化情況。通過智能加藥系統的有效應用，建立加藥數學模型，布設池底水質感應系統，對水質情況進行實時判斷，保證藥劑的精確投加。

2.3 智能消毒

實現水廠的智能消毒。當前水廠的消毒工作存在著一定的滯后性，在進行相關工作開展的過程中，就必須要實現對其干擾因素進行有效處理。通過智能消毒系統的應用，根據消毒藥品的實際特性進行參數模型的建造，保證多種工藝混合應用，根據模型判斷來實現對整體水質的分析，實現科學自動加氯，同時降低氯的消耗，提高消毒效果。

2.4 智能配電

實現水廠的智能配電。通過對水廠總體耗能參數、設備狀態以及電能質量參數進行全面的監控分析，保證配電設備正常運轉，提升配電系統運轉的安全性，通過實現對設備的遠程控制，降低運營成本。

2.5 智能監管

實現水廠的智能監管。由于水廠往往建設規模較大且設備眾多，單純依靠人工巡檢和監管必然會存在管理死角。通過機械設備路線規劃與智能化機器巡檢工作的落實，能夠保證全天候精確無誤的定位巡檢，并利用搖桿方式來實現對設備的有效檢驗。同時搭載檢驗系統，實現對各設備整體運行情況的全面分析，并通過自動生成檢驗報告進行數據上傳，這樣既能夠實現滿足檢驗管理的要求，又能夠實現在檢驗的過程中第一時間匯總數據，保證相關管理人員實現對數據的全面實時分析，進而做好后續的保障工作。

2.6 智能預警

實現水廠的智能預警。為保證智慧水廠的建設貼合實際需求，通過對大數據的有效應用結合互聯網技術進行軟件開發，實現對水質、水量數據的全面監測與收集，利用多維顯示來滿足監控畫面的調控，保證對水質的實時分析與水量的實時監控。當源頭水質、水量出現數據異常時，就能通過警報提示幫助工作人員盡快找到問題源頭，并實現對其的應急處理。

2.7 數據利用

實現水廠的數據打通。企業業務的支撐平臺就是企業的數據中心，同時也是決策和知識中心。通過規范編程語言進行統一化技術構架、優化網絡結構，建立數據中心，將現有的人力資源及硬件資源進行有效整合。同時，由于數據中心的可兼容性和開放性，使得與上級數據中心進行數據交換的方式更加便利，從而徹底消除信息孤島、數據孤島。

3結語

智慧水廠的建設能夠滿足智慧城市的發展，所以為了保證供排水企業在未來的發展中能夠更加貼合社會的需要，則必須要確保智能化信息化技術的全面應用，這樣才能在建設的過程中更加貼合社會的主題。

參考文獻

[1] 衛鋒.凈水廠智慧型生產運行專家平臺的構想[J].上海建設科技，2018（2）：93-95.

[2] 陸繼誠.從“自動化”到“智慧化”——智慧水廠建設的新思路[J].給水排水，2017，53（11）：1-3.

[3] 徐濤，梁新華，梅春雨.智慧水務信息化系統建設[J].城鄉建設，2020（6）：54-55.

[4] 徐偉忠，于紅濤，宋鑫峰，等.水廠生產管理智慧化建設實踐[J].凈水技術，2019，38（S2）：126-129.