石化企業(yè)“智慧水務(wù)”建設(shè)及未來發(fā)展思考

焦云強(qiáng), 李晨光, 王建平,宋昊爽,呂波

(1. 石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司,北京 100020; 2. 中國(guó)石化天津分公司,天津 300271)

石化行業(yè)水務(wù)專業(yè)在“十三五”期間,通過深入開展專業(yè)競(jìng)賽,裝置安穩(wěn)運(yùn)行水平不斷提升,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷進(jìn)步,服務(wù)保障能力不斷增強(qiáng),節(jié)能環(huán)保取得顯著成效,但是在合規(guī)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面,也存在諸多問題。為此,需要通過建設(shè)“智慧水務(wù)”實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)升級(jí),不斷提升水務(wù)裝置裝備水平與服務(wù)保障能力,提高水務(wù)挖潛創(chuàng)效的能力,緩解人工依賴度大和現(xiàn)場(chǎng)用工不足等問題。在水務(wù)生產(chǎn)與管理中實(shí)現(xiàn)運(yùn)行自動(dòng)化、數(shù)據(jù)信息化、決策智能化,已成為水務(wù)業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展思路和主要方向。

中國(guó)石化天津分公司作為中國(guó)石化集團(tuán)公司水務(wù)信息化試點(diǎn)單位,與石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司合作,圍繞水務(wù)“水量、水質(zhì)、指標(biāo)”專業(yè)重點(diǎn),進(jìn)行了水務(wù)智能化應(yīng)用平臺(tái)的開發(fā),現(xiàn)已開發(fā)崗位運(yùn)行、生產(chǎn)監(jiān)控、水量管理、水質(zhì)管理、報(bào)警預(yù)警、樣板水場(chǎng)、水務(wù)競(jìng)賽、決策支持、移動(dòng)應(yīng)用等水務(wù)數(shù)字化應(yīng)用,得到集團(tuán)公司的高度認(rèn)可,相應(yīng)成果已經(jīng)在中國(guó)石化各企業(yè)水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行推廣;在智能化驗(yàn)機(jī)器代人、污水建模優(yōu)化、動(dòng)態(tài)水平衡、水質(zhì)預(yù)測(cè)等水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面也成功進(jìn)行了探索,積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近年來,隨著人員退休老齡化、新增裝置等情況,造成裝置操作自動(dòng)化程度低和人員相對(duì)不足矛盾日益突出,屬地化管理、專業(yè)管理分散也影響了水務(wù)裝置運(yùn)行水平的進(jìn)一步提升。因此,未來還需進(jìn)一步對(duì)水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造,逐步實(shí)現(xiàn)水務(wù)現(xiàn)場(chǎng)裝置“無人值守、少人值守”,并大力推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與“智慧水務(wù)”建設(shè),探索新型創(chuàng)新管理模式,也存在現(xiàn)實(shí)緊迫性和需求。

1 建設(shè)思路與實(shí)踐

“智慧水務(wù)”建設(shè)的核心是水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,即以提高運(yùn)行操作效率和專業(yè)管理效率為目標(biāo),通過裝置自動(dòng)化改造和管理信息化開發(fā),實(shí)現(xiàn)“運(yùn)行自動(dòng)化、數(shù)據(jù)信息化、決策智能化”。現(xiàn)場(chǎng)裝置操作“無人化、少人化”,大幅降低人員依賴;專業(yè)管理科學(xué)、高效,實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)管理向?qū)I(yè)管理提升,建設(shè)“智慧水務(wù)”。

“智慧水務(wù)”按照技術(shù)層面和業(yè)務(wù)層面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì),總體架構(gòu)為以數(shù)據(jù)感知為基礎(chǔ),歸集多數(shù)據(jù)源的水務(wù)數(shù)據(jù);結(jié)合各類業(yè)務(wù)模型,提供平臺(tái)化服務(wù);基于平臺(tái)服務(wù),建立面向不同業(yè)務(wù)的智慧應(yīng)用模塊。整體平臺(tái)架構(gòu)充分利用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的信息技術(shù)[1-5],構(gòu)建智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能處置和智能服務(wù)全方位的智慧水務(wù)應(yīng)用平臺(tái)[6-7],實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行過程的動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)測(cè)和集中管控;開展水務(wù)系統(tǒng)的智慧分析應(yīng)用,進(jìn)行水務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深度挖掘應(yīng)用,構(gòu)建感知更全面、服務(wù)更主動(dòng)、資源更整合、決策更科學(xué)、應(yīng)對(duì)更及時(shí)的水務(wù)系統(tǒng)管控體系,形成水務(wù)智能化應(yīng)用平臺(tái)。智慧水務(wù)應(yīng)用平臺(tái)功能架構(gòu)如圖1所示。

在智慧水務(wù)建設(shè)中,采用了以下的實(shí)施思路,并通過實(shí)踐進(jìn)行研究驗(yàn)證。

1.1 運(yùn)行自動(dòng)化建設(shè)

為了夯實(shí)水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ),針對(duì)原有水務(wù)裝置建設(shè)分散、自動(dòng)化水平低的情況,進(jìn)行了化學(xué)水、循環(huán)水整合,先后關(guān)停了烯烴、化工化學(xué)水站和聚醚循環(huán)水系統(tǒng),按照“無人值守、少人值守”的方式,新建了烯烴三循和化工二循兩套循環(huán)水裝置,對(duì)水五化學(xué)水站等7個(gè)車間裝置設(shè)計(jì)了自動(dòng)化改造方案,將水務(wù)部5種類型DCS操作系統(tǒng)整合成一種操作系統(tǒng)。各個(gè)區(qū)域操作系統(tǒng)通過光纜遷入CCR2控制室,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和操作模式的統(tǒng)一,內(nèi)操人數(shù)降至32人,支撐水務(wù)部職工總?cè)藬?shù)降至300人,降幅達(dá)30%;形成支撐“1+3+N”管理架構(gòu),即1個(gè)中心控制室、3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)和N個(gè)外操巡檢點(diǎn),并為遠(yuǎn)期實(shí)施“1+2+N” 專業(yè)管理架構(gòu)提升打下基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)據(jù)信息化建設(shè)

水務(wù)管理信息系統(tǒng)在前期感知層建設(shè)過程中,在綜合考慮覆蓋率與成本的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮現(xiàn)有成熟的通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì),構(gòu)建了異構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了水務(wù)系統(tǒng)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的泛在接入[8]。

針對(duì)崗位數(shù)據(jù),采用崗位報(bào)表電子化的方式,實(shí)現(xiàn)崗位電子報(bào)表的自動(dòng)取數(shù);同時(shí)面向崗位技術(shù)工人提供敏捷、友好、輕量化的數(shù)據(jù)錄入與核對(duì)功能。共開發(fā)電子報(bào)表62個(gè),包含信息3 760項(xiàng),崗位報(bào)表電子化不僅使崗位運(yùn)行管理規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),而且彌補(bǔ)了部分儀表不具備自動(dòng)取數(shù)條件的不足,使水務(wù)信息化感知層面更加完整。

對(duì)于廠區(qū)內(nèi)及周圍較為分散的計(jì)量/監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及設(shè)備巡檢數(shù)據(jù),采用了工業(yè)無線技術(shù),通過構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)無線局域網(wǎng)的方式,將較為分散的計(jì)量與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、設(shè)備巡檢的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并接入企業(yè)管理網(wǎng),并通過OPC推送至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,對(duì)DCS進(jìn)行了較好的補(bǔ)充。

對(duì)于廠區(qū)外較為偏遠(yuǎn)區(qū)域的計(jì)量節(jié)點(diǎn)以及對(duì)第三方的監(jiān)視數(shù)據(jù),充分發(fā)揮4G/5G物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì),采用信息中心提供的VPDN技術(shù),實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)地區(qū)及第三方數(shù)據(jù)的接入。

對(duì)水務(wù)系統(tǒng)中已有的LIMS和數(shù)采系統(tǒng)等多類型系統(tǒng)集成接入的需求,開發(fā)了多數(shù)據(jù)源接入的數(shù)據(jù)感知與集中集成接口,實(shí)現(xiàn)了包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、無線數(shù)采數(shù)據(jù)庫、巡檢數(shù)據(jù)庫、LIMS數(shù)據(jù)庫、振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫等7大類別數(shù)據(jù)源、7 118個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的感知與集成接入。

經(jīng)過采取多數(shù)據(jù)源集成、多路徑開發(fā)的方式,構(gòu)建多源數(shù)據(jù)采集接入的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),水務(wù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集覆蓋率可達(dá)到90%以上,支撐了水務(wù)系統(tǒng)崗位錄入、流程監(jiān)控、性能分析、健康評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)預(yù)警等業(yè)務(wù)的進(jìn)一步提升與完善,輔助支撐了水務(wù)系統(tǒng)的精細(xì)化管理,為水務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型夯實(shí)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 決策智能化建設(shè)

為了能夠提高決策科學(xué)性,提高管理人員的工作效率,圍繞水量管理、污水運(yùn)行、循環(huán)水水質(zhì)及水源優(yōu)化等方面工作的決策智能化進(jìn)行了開發(fā)探索,在關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行大數(shù)據(jù)探索與嘗試,建立水務(wù)系統(tǒng)的模擬模型、診斷模型、數(shù)據(jù)穿透模型,通過數(shù)據(jù)整合、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián),進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深度挖掘應(yīng)用,嘗試構(gòu)建感知更全面、服務(wù)更主動(dòng)、資源更整合、決策更科學(xué)、應(yīng)對(duì)更及時(shí)的水務(wù)系統(tǒng)智能決策支持體系。

1.3.1 構(gòu)建煉化企業(yè)用水節(jié)水綜合指標(biāo)和工業(yè)水平衡體系

建立以“三級(jí)節(jié)水指標(biāo)”為管控基準(zhǔn)的全廠用水動(dòng)態(tài)管理體系及以“單位產(chǎn)品用水定額/單耗”、裝置用水成本為管控基準(zhǔn)的裝置用水動(dòng)態(tài)管理體系,實(shí)現(xiàn)全廠水平衡與裝置用水的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián);構(gòu)建具有示范推廣價(jià)值的煉化企業(yè)用水節(jié)水綜合指標(biāo)在線管控體系和動(dòng)態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)體系[9],基于由上向下、由外向內(nèi)、流程端到端的數(shù)據(jù)穿透方法,建立水務(wù)系統(tǒng)穿透業(yè)務(wù)模型,實(shí)現(xiàn)用水異常的報(bào)警、預(yù)警及定位,實(shí)現(xiàn)企業(yè)動(dòng)態(tài)高效的節(jié)水減排管理與全流程效果評(píng)價(jià)。

基于多信息源集成技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、動(dòng)態(tài)鏈接展示技術(shù),構(gòu)建天津石化區(qū)域動(dòng)態(tài)水平衡體系,建立全廠工業(yè)水整體平衡、區(qū)域平衡及裝置平衡的三級(jí)在線動(dòng)態(tài)平衡模型,對(duì)全廠工業(yè)水的供用水平衡進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)平衡,通過全廠供用水平衡分析、區(qū)域用水當(dāng)量分析、裝置供用水分析、用水同比與環(huán)比分析等高層級(jí)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)工業(yè)水利用現(xiàn)狀的分析應(yīng)用,覆蓋天津石化59套生產(chǎn)裝置,7個(gè)水處理車間,6個(gè)水專業(yè),構(gòu)建了全廠完整的用水管理體系。

1.3.2 構(gòu)建“一圖、一庫、一平臺(tái)”的智慧水網(wǎng)體系

2021年開始結(jié)合總部智能水網(wǎng)項(xiàng)目,基于GIS技術(shù)、BIM技術(shù)等專業(yè)工具[10]以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息化手段,依托實(shí)體水網(wǎng)、空間數(shù)據(jù)、地理信息、業(yè)務(wù)流程、用水工藝,集成空間數(shù)據(jù)水網(wǎng)、工藝流程水網(wǎng)和拓?fù)潢P(guān)系水網(wǎng)信息,構(gòu)建“一張圖”——一張全廠水網(wǎng)地理信息圖,“一庫”——一個(gè)水網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫,“一平臺(tái)”——一個(gè)水網(wǎng)數(shù)字集成平臺(tái),形成“一圖、一庫、一平臺(tái)”的智慧水網(wǎng)體系,提供基于天津石化整體的虛擬水系統(tǒng),服務(wù)于整體優(yōu)化和管理。數(shù)字化管理支持管理創(chuàng)新和運(yùn)營(yíng)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)全廠水網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速傳輸、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、優(yōu)化決策、精準(zhǔn)調(diào)配、高效管理。

在污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)與綜合管理應(yīng)用中,利用污水管線“環(huán)保一張圖”,實(shí)現(xiàn)污雨管的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可視化維護(hù)管理,包括對(duì)管道分布走向、環(huán)保設(shè)施、拓?fù)潢P(guān)系、文檔資料、路由變更的日常維護(hù)管理;排放監(jiān)測(cè)管理對(duì)已有的排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)污雨水管線分布情況,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)內(nèi)控指標(biāo)及外排指標(biāo)的綜合展示、實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史追溯;污水管線應(yīng)急處置通過對(duì)突發(fā)事件快速定位、路由拓?fù)浞治觥h(huán)境敏感點(diǎn)污染分析,融合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、環(huán)保應(yīng)急預(yù)案、模型模擬、移動(dòng)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)環(huán)保應(yīng)急處置各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同管理。

1.3.3 構(gòu)建循環(huán)水運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控新體系

基于多信息源集成技術(shù)、故障診斷技術(shù)及軟測(cè)量建模技術(shù),采用以“壓差法”為特征的生物粘泥在線檢測(cè)思路,建立“趨勢(shì)溫度法”進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)粘附速率的在線檢測(cè)新方法;對(duì)生產(chǎn)裝置特定水冷器的關(guān)鍵信息進(jìn)行在線感知與狀態(tài)報(bào)警,形成了以水冷器法為核心的循環(huán)水運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控新方法;對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模、在線計(jì)算并預(yù)測(cè)循環(huán)水運(yùn)行質(zhì)量,形成了以水質(zhì)法為核心的循環(huán)水運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控新方法;最終構(gòu)建了集成智能監(jiān)測(cè)換熱器法、裝置水冷器法、循環(huán)水水質(zhì)法的全新循環(huán)水質(zhì)量監(jiān)控體系,覆蓋該廠煉油、化工、烯烴、熱電區(qū)域。

1.3.4 工業(yè)水多水源優(yōu)化與循環(huán)水全流程優(yōu)化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

以系統(tǒng)用水成本最小為目標(biāo),建立多水源優(yōu)化分配模型,綜合考慮企業(yè)實(shí)際約束條件,開展水務(wù)系統(tǒng)的多水源優(yōu)化,通過調(diào)節(jié)各水源的補(bǔ)水比例,降低系統(tǒng)補(bǔ)水量,給出最佳的多水源優(yōu)化分配方案,將基于經(jīng)驗(yàn)的用水分配提升到基于模型的“定量分配”,可降低水務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用的優(yōu)化管理,熱電、煉油脫鹽水用水水源優(yōu)化、擴(kuò)大回用水用量,實(shí)現(xiàn)年降本增效1千萬元人民幣以上。多水源優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用流程如圖2所示。

基于超結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模、軟測(cè)量建模及流程模擬技術(shù),開發(fā)循環(huán)水全流程優(yōu)化技術(shù)。綜合考慮循環(huán)水系統(tǒng)流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、循環(huán)水管網(wǎng)、壓力、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件等多項(xiàng)因素,搭建循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化模型,對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行水量、壓力及節(jié)電優(yōu)化,開展循環(huán)水系統(tǒng)的全流程優(yōu)化,獲得更加切合煉油企業(yè)實(shí)際的循環(huán)水系統(tǒng)整體優(yōu)化方案,減少裝置的循環(huán)水用量,降低循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力,節(jié)省循環(huán)水系統(tǒng)的電力消耗。通過循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)節(jié)水10%以上、節(jié)電20%以上,獲得經(jīng)濟(jì)效益525萬元/年。

1.3.5 智能診斷技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

智能診斷分析技術(shù)在水務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)備診斷、系統(tǒng)運(yùn)行診斷、不平衡量診斷分析等方面有較大的應(yīng)用前景,使現(xiàn)場(chǎng)用戶能精確定位工業(yè)水系統(tǒng)的故障,及時(shí)把控預(yù)警點(diǎn)的故障征兆,提高工業(yè)水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行管理水平。

智能診斷技術(shù)以系統(tǒng)當(dāng)前狀況為依據(jù),利用歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從狀態(tài)特征信息的復(fù)雜性和不確定性出發(fā),采用定性和定量特征相結(jié)合的思想,充分利用各種監(jiān)測(cè)、診斷、試驗(yàn)系統(tǒng)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)特征證據(jù),通過全面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、可靠性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)等手段,判斷設(shè)備的狀態(tài),識(shí)別故障的早期征兆,在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)及時(shí)提出預(yù)警,提前對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷和預(yù)防,對(duì)故障部位及其嚴(yán)重程度、故障發(fā)展趨勢(shì)作出判斷。

利用噪聲檢測(cè)儀進(jìn)行滲漏識(shí)別是智能診斷技術(shù)的一項(xiàng)典型應(yīng)用。噪聲監(jiān)測(cè)儀能夠幫助供水單位快速、高效地辨別供水管道是否漏損。通過底部強(qiáng)磁吸附在供水管道或者金屬管件上,每日夜間對(duì)前后管道的漏水噪聲進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè);通過終端反饋的監(jiān)測(cè)結(jié)果,同時(shí)結(jié)合噪聲音頻文件和頻譜分析,普通的檢漏人員即可輕松地確診漏點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,突破了人工檢漏的各項(xiàng)局限,不受環(huán)境、氣候、埋深、特殊管段的影響,不僅能夠全天候工作,而且能夠大幅縮短巡檢周期,使檢漏工作變得便捷高效,在“保安全、降漏損”方面建立高效“人機(jī)結(jié)合”模式,有效支持全廠水平衡工作。

1.4 智能化驗(yàn)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

水質(zhì)管理是水務(wù)業(yè)務(wù)的核心任務(wù),關(guān)系到鍋爐、機(jī)泵、水冷器等用水設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和煉化裝置長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行,良好的水質(zhì)依靠高水平的過程管理與高質(zhì)量的分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)。近年來,水質(zhì)分析人員數(shù)量不足問題突出,加強(qiáng)水質(zhì)過程管理的基礎(chǔ)十分薄弱,這就需要加快推進(jìn)水務(wù)管理信息化進(jìn)程。集團(tuán)公司推薦了在線儀表、實(shí)驗(yàn)室智能儀表和“工業(yè)制程”三種化驗(yàn)解決方案,其中,“工業(yè)制程”是天津石化科研立項(xiàng)研究開發(fā)的工業(yè)過程水質(zhì)分析解決方案,通過智能化的中央控制技術(shù)及多參數(shù)、多功能、一體化、信息化的系統(tǒng)集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)了原位分析、智能檢測(cè),一機(jī)多項(xiàng)、一項(xiàng)多點(diǎn),遠(yuǎn)程診斷、應(yīng)用服務(wù)等內(nèi)容,自2020年底投用后,展現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。智能化驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 智能化驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用流程示意

智能化驗(yàn)技術(shù)是將工業(yè)機(jī)器人、分析化驗(yàn)儀器與信息管理平臺(tái)結(jié)合實(shí)現(xiàn)采集、化驗(yàn)、數(shù)據(jù)輸出一體化的技術(shù)。傳統(tǒng)化驗(yàn)室是大量化驗(yàn)人員重復(fù)作業(yè)采集化驗(yàn)數(shù)據(jù),有檢測(cè)分析周期長(zhǎng)、分析效率低、分析力量不足的問題。現(xiàn)將工業(yè)機(jī)器人引入化驗(yàn)系統(tǒng)替代手工操作,可大幅減少人工誤差在分析化驗(yàn)中的產(chǎn)生,提升化驗(yàn)效率與準(zhǔn)確性。同時(shí),信息管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、報(bào)告、預(yù)警等功能,為水質(zhì)化驗(yàn)分析開發(fā)出新的解決方案,并通過大數(shù)據(jù)、數(shù)字化驗(yàn)、新型檢測(cè)方法和信息化的聯(lián)合應(yīng)用,強(qiáng)化水質(zhì)監(jiān)督與預(yù)測(cè),解決傳統(tǒng)分析化驗(yàn)相對(duì)滯后,無法支撐高質(zhì)量運(yùn)行的瓶頸問題,實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多樣、一機(jī)多項(xiàng)、無人檢測(cè)”,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工藝分析化驗(yàn)的自動(dòng)化、智能化及批量化,滿足系統(tǒng)高質(zhì)量運(yùn)行對(duì)化驗(yàn)分析的高頻次、多項(xiàng)目及工藝調(diào)整需要,滿足現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化、智能化及批量化的工藝分析化驗(yàn)需求,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)化驗(yàn)分析的“機(jī)器代人”,支持水務(wù)裝置高質(zhì)量運(yùn)行,現(xiàn)已陸續(xù)在鍋爐水、循環(huán)水、凝液、化學(xué)水及污水系統(tǒng)進(jìn)行推廣。

2 “智慧水務(wù)”未來發(fā)展思考

未來進(jìn)一步實(shí)施水務(wù)業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、建設(shè)智慧水務(wù)工作中,一方面應(yīng)以現(xiàn)有的技術(shù)與智能化應(yīng)用為基礎(chǔ)擴(kuò)展推廣,另一方面還需要關(guān)注以下新技術(shù)的研究及在智慧水務(wù)建設(shè)中的應(yīng)用。

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用

“數(shù)字孿生技術(shù)”被譽(yù)為“未來制造的新的數(shù)字技術(shù)范式”“點(diǎn)燃第四次工業(yè)革命的顛覆性創(chuàng)新之火”,該技術(shù)已成為從工業(yè)到產(chǎn)業(yè)、從軍事到民生各個(gè)領(lǐng)域的智慧新代表。數(shù)字孿生技術(shù)是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型,通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài),通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為,通過相關(guān)數(shù)字模型間相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身,同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。

未來通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)數(shù)字化BIM交付,可助力水務(wù)系統(tǒng)打造設(shè)備級(jí)、單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、全廠級(jí)數(shù)字孿生體,繪制水務(wù)系統(tǒng)智慧虛擬畫像,激活水務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源價(jià)值,實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)可控可預(yù)測(cè)、模擬仿真廠區(qū)動(dòng)態(tài)運(yùn)行[11]。該技術(shù)在智慧水務(wù)建設(shè)中,還可以應(yīng)用在工業(yè)水系統(tǒng)漫游導(dǎo)航、管網(wǎng)溯源、關(guān)鍵設(shè)備定位、應(yīng)急管理以及操作培訓(xùn)等多個(gè)方面,具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.2 智能優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用

智能優(yōu)化技術(shù)是融合線性優(yōu)化、非線性優(yōu)化、混合整數(shù)優(yōu)化、流程模擬技術(shù)、進(jìn)化算法、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)為一體的優(yōu)化技術(shù)[12],基于智能優(yōu)化技術(shù),可開展水務(wù)系統(tǒng)、系統(tǒng)單元(循環(huán)水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)、新鮮水系統(tǒng))、相關(guān)設(shè)備(水泵、風(fēng)機(jī))的離線優(yōu)化和在線優(yōu)化,在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,輸出系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化下的最佳運(yùn)行方案,給出系統(tǒng)的改造方案,有效減少系統(tǒng)的水耗、電耗和藥耗,降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。循環(huán)水優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用流程如圖4所示。

圖4 循環(huán)水優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用流程示意

2.3 智能預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)及其應(yīng)用

智能預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)通過采集水務(wù)系統(tǒng)的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在有效監(jiān)控關(guān)鍵指標(biāo)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,通過人工智能算法進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析,預(yù)測(cè)其未來的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行提前預(yù)警,并采取相應(yīng)措施,使系統(tǒng)運(yùn)行保持在最佳狀態(tài)[13-14]。

基于智能預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù),可建立工業(yè)水系統(tǒng)的預(yù)測(cè)預(yù)警中心,通過對(duì)工業(yè)水系統(tǒng)中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警,給出當(dāng)前關(guān)注指標(biāo)現(xiàn)狀和未來變化趨勢(shì)的評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào),并針對(duì)突發(fā)性事件,制定有效的應(yīng)急處理預(yù)案,為運(yùn)行管理部門的決策制定提供有效、及時(shí)和可靠的依據(jù),使得決策部門能夠及時(shí)采取安全應(yīng)急響應(yīng)措施,保證現(xiàn)場(chǎng)用水安全。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)系統(tǒng)的有效管理,使水務(wù)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于良好運(yùn)行狀態(tài),提高運(yùn)行效率,降低能耗,維持水質(zhì)使其保證在合理的狀態(tài),降低全廠工藝流程的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 智能應(yīng)急處理技術(shù)及其應(yīng)用

智能應(yīng)急處理技術(shù)是以預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)為指導(dǎo),互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、GIS與GPS技術(shù)等為支持,以實(shí)現(xiàn)資源快速調(diào)配完成故障搶修的智能化平臺(tái)。該技術(shù)同時(shí)與物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)對(duì)接,實(shí)時(shí)獲取關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種運(yùn)行調(diào)度信息,結(jié)合模型計(jì)算和預(yù)測(cè)分析技術(shù),對(duì)突發(fā)事故應(yīng)急處理提供服務(wù)決策支持[15-17]。在智慧水務(wù)建設(shè)中,該技術(shù)面向企業(yè)水務(wù)系統(tǒng)建立模型,實(shí)現(xiàn)水資源聯(lián)合調(diào)度與利用、風(fēng)險(xiǎn)管理等分析,為領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策提供支持。該技術(shù)對(duì)現(xiàn)有水務(wù)信息平臺(tái)的預(yù)警、報(bào)警信號(hào)快速響應(yīng),通過各類在線的運(yùn)行數(shù)據(jù)確定緊急情況發(fā)生地點(diǎn)、故障程度,并針對(duì)已有資源反饋?zhàn)罴训娜藛T、設(shè)備調(diào)配方案,最終完成故障排除。相關(guān)單位可以依據(jù)該技術(shù)進(jìn)行各類應(yīng)急預(yù)案與重大活動(dòng)保障預(yù)案的制定。

2.5 移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)及其應(yīng)用

工業(yè)場(chǎng)景的移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)是基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)信息平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)集群通信、多媒體調(diào)度能力、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ艿募夹g(shù)[18]。

目前,復(fù)雜多樣的水系統(tǒng)往往貫穿整個(gè)廠區(qū),并且上下游相互關(guān)聯(lián)牽一發(fā)而動(dòng)全身,在檢修、故障排查等任務(wù)時(shí)需要多人多地同時(shí)工作。而移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)在智慧水務(wù)建設(shè)中可以提供多媒體調(diào)度能力,通過集群語音、視頻監(jiān)控信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)“一人多地”“遠(yuǎn)程指導(dǎo)”的工作模式,大幅提升了水務(wù)系統(tǒng)中的工作效率。

同樣,移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)作為配套的移動(dòng)端軟件服務(wù)基于現(xiàn)有水務(wù)信息平臺(tái),可以方便檢修部門在手機(jī)終端上快速查詢相關(guān)水務(wù)信息[19],便于預(yù)知水務(wù)系統(tǒng)故障、檢查水務(wù)運(yùn)行情況等。該系統(tǒng)還可與檢驗(yàn)分析設(shè)備相關(guān)聯(lián),同時(shí)關(guān)聯(lián)廠區(qū)的多個(gè)智能檢驗(yàn)設(shè)備。關(guān)聯(lián)后通過系統(tǒng)可以及時(shí)查看各個(gè)設(shè)備的使用情況,接收設(shè)備發(fā)過來的水務(wù)信息,調(diào)整更改設(shè)備的設(shè)置等,明顯方便了廠區(qū)的水務(wù)管理體驗(yàn)。

2.6 智能化驗(yàn)分析技術(shù)及其應(yīng)用

智能化驗(yàn)技術(shù)是將工業(yè)機(jī)器人、分析化驗(yàn)儀器與信息管理平臺(tái)結(jié)合實(shí)現(xiàn)采集,化驗(yàn),數(shù)據(jù)輸出一體化的技術(shù)[20-21]。傳統(tǒng)化驗(yàn)室是大量化驗(yàn)人員重復(fù)作業(yè)采集化驗(yàn)數(shù)據(jù),有著檢測(cè)分析周期長(zhǎng)、分析效率低、分析力量不足的問題。現(xiàn)將工業(yè)機(jī)器人引入化驗(yàn)系統(tǒng)替代手工操作,可大幅減少人工誤差在分析化驗(yàn)中的產(chǎn)生,提升化驗(yàn)效率與準(zhǔn)確性。同時(shí)信息管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、報(bào)告、預(yù)警等功能。

在智慧水務(wù)建設(shè)中,污水源頭管控、工藝過程調(diào)整與分析化驗(yàn)相對(duì)不足的矛盾日益突出,已經(jīng)成為各公司普遍存在、急需解決的突出問題。而智能化驗(yàn)技術(shù)的選擇,除了能夠滿足常規(guī)性的技術(shù)指標(biāo)外,還能夠在工藝的各個(gè)點(diǎn)位自動(dòng)間斷地讀取檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并上傳到信息平臺(tái),從而形成具有推廣和示范價(jià)值的污水水質(zhì)智能分析系統(tǒng)。該技術(shù)針對(duì)煉化污水開發(fā)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)維便捷的現(xiàn)場(chǎng)無人污水水質(zhì)智能檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多樣、一機(jī)多項(xiàng)、無人檢測(cè)”,滿足污水處理高質(zhì)量運(yùn)行需要,也解決人工分析化驗(yàn)的人員瓶頸問題,降低分析成本。

2.7 智能傳感器技術(shù)及應(yīng)用

智能傳感器是智慧水務(wù)建設(shè)的基礎(chǔ)。目前,水務(wù)系統(tǒng)中核心化驗(yàn)部位的在線檢測(cè)傳感器長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷,有必要開發(fā)新型在線檢測(cè)傳感器的硬件和軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)中核心部位國(guó)產(chǎn)化替代,提升石化行業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平。

智能感知技術(shù)是智慧水務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建的基礎(chǔ)技術(shù)之一。基于物聯(lián)網(wǎng)“泛在網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)“泛在服務(wù)”的技術(shù)思想和應(yīng)用需求,結(jié)合煉化企業(yè)水務(wù)系統(tǒng)的特點(diǎn),可建立PLC數(shù)據(jù)、無線數(shù)據(jù)、DCS數(shù)據(jù)、化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)、崗位運(yùn)行數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)的采集和傳輸接口,實(shí)現(xiàn)不同層面、不同業(yè)務(wù)模塊、不同數(shù)據(jù)類型的全方位數(shù)據(jù)感知,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)控制、生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)和HSSE監(jiān)控等參數(shù)的信息化和移動(dòng)應(yīng)用,充分體現(xiàn)“深入感知、廣泛互聯(lián)、高度智能”的應(yīng)用特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知“測(cè)得準(zhǔn)、傳得快、說得清”的總體目標(biāo)。

傳統(tǒng)的工業(yè)水務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平較低,基本上采用DCS,PLC進(jìn)行局部控制,因此智慧水務(wù)建設(shè)中,亟待開發(fā)水務(wù)系統(tǒng)全局智能控制優(yōu)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)優(yōu)化控制。即以智能控制技術(shù)為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng),接收離線優(yōu)化的指導(dǎo)或在線優(yōu)化的結(jié)果,采用模式識(shí)別、專家系統(tǒng)、多變量模型預(yù)測(cè)控制、大數(shù)據(jù)分析等多種智能化技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),融合現(xiàn)場(chǎng)感知和專家經(jīng)驗(yàn),并采用基于多維度數(shù)字化模型的多對(duì)多協(xié)調(diào)控制方式代替人工,智能化調(diào)節(jié)裝置基礎(chǔ)控制回路的設(shè)定值或閥位值,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和閉環(huán)優(yōu)化。在智慧水務(wù)建設(shè)中應(yīng)用智能控制技術(shù),可充分發(fā)揮過程控制層面在現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)控制系統(tǒng)與上層實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵作用,實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)在控制層面的智能化、數(shù)字化。

2.8 5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用

在智慧水務(wù)的發(fā)展中,5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能帶來更優(yōu)的技術(shù)解決方案以及更加豐富的應(yīng)用前景[22]。基于5G+物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代通信技術(shù),智慧水務(wù)信息傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立可以形成高效、安全的信息傳輸體系,并支持云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用,為構(gòu)建一體化的智慧水務(wù)數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用支撐平臺(tái)提供保障。在智慧水務(wù)建設(shè)的背景下,水務(wù)信息的上傳下達(dá),各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的整合,水務(wù)管理方案和決策的迅速傳達(dá)均發(fā)揮著5G技術(shù)的能力。目前正結(jié)合地下水管線泄漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù),進(jìn)行泄漏噪聲 NB-IoT技術(shù)應(yīng)用研究。

3 結(jié)束語

通過水務(wù)信息化和智能化開發(fā),可以實(shí)現(xiàn)水務(wù)業(yè)務(wù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,建設(shè)智慧水務(wù)平臺(tái),支撐水務(wù)業(yè)務(wù)管理方式和業(yè)務(wù)全面創(chuàng)新提升,對(duì)操作人員的依賴大幅降低。未來發(fā)展中要重視新技術(shù)的應(yīng)用,使運(yùn)行決策更加科學(xué)智能,管理手段更加高效,安全保障能力大幅提高,挖潛創(chuàng)效手段更加全面。