智慧水廠發(fā)展現(xiàn)狀及建設(shè)思考
2021-07-08 來源：智慧水務(wù)雜談作者：蕭楓
1智慧水廠概念
自從2010年IBM首次正式提出智慧城市的概念之后，智慧水務(wù)作為其中一部分也應(yīng)運(yùn)而生。智慧水廠作為智慧水務(wù)的基礎(chǔ)，近幾年來備受關(guān)注，但是，關(guān)于智慧水廠，目前還沒有一個比較正式、描述比較準(zhǔn)確的定義。
智慧水廠是以傳統(tǒng)的自動化制水技術(shù)為基礎(chǔ)，通過進(jìn)一步增“智”，在實(shí)現(xiàn)水廠全自動化運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過信息通信技術(shù)（ICT）、建模與決策支持系統(tǒng)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)水廠的智慧化運(yùn)營。在美國，智慧水廠更側(cè)重于“自動化”、“智能化”和“交互性”。
2智慧水廠發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題
2.1發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過幾年的發(fā)展，業(yè)界基本上形成了一個共識，智慧水廠≠全自動水廠/無人水廠。但不可否認(rèn)，全自動水廠/無人水廠是智慧水廠的基礎(chǔ)。
從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0，工廠逐漸通過技術(shù)創(chuàng)新不斷提高生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)了從工業(yè)化、電氣化到自動化再到智慧化的發(fā)展，水廠的發(fā)展也不例外，電、電機(jī)、水泵的發(fā)明，使水廠能夠工業(yè)化、電氣化，而繼電器技術(shù)、PLC的發(fā)明，則使自動化成為可能。目前，國內(nèi)不少老舊水廠還走在實(shí)現(xiàn)自動化的路上，而一些新建水廠則通過先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)打造出了初具雛形的智慧水廠，例如深圳光明智慧水廠目前已投入運(yùn)營，盡管后續(xù)還有待完善。
2.2智慧水廠建設(shè)存在的問題
與電力領(lǐng)域相比，水務(wù)領(lǐng)域的信息化、智慧化建設(shè)一直比較落后，智慧水務(wù)是近十年才逐漸受到政府、企業(yè)的重視。
目前智慧水廠的建設(shè)企業(yè)主要有三類，一是大型水務(wù)集團(tuán)，他們擁有強(qiáng)大的資金實(shí)力投資信息化系統(tǒng)研發(fā)，也非常熟悉水廠運(yùn)營，但是他們研發(fā)的系統(tǒng)通常都是定制化，主要供內(nèi)部使用；二是傳統(tǒng)制水系統(tǒng)制造商，即為水廠建設(shè)及設(shè)備自控系統(tǒng)施工方，他們了解制水過程，擁有大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，但對智慧水廠方面入門晚，信息技術(shù)薄弱；三是信息技術(shù)公司，這類企業(yè)通常掌握的信息化技術(shù)較為全面，但缺乏水務(wù)專業(yè)技術(shù)支撐，導(dǎo)致開發(fā)的系統(tǒng)有很多功能成為“雞肋”。
從當(dāng)前已經(jīng)建成的智慧水廠來看，通常都存在以下幾個問題：
（1）缺少頂層設(shè)計：傳統(tǒng)的智慧水廠建設(shè)往往根據(jù)水廠現(xiàn)狀進(jìn)行信息化升級，這樣做的優(yōu)勢是可以充分利用現(xiàn)有資源，但缺點(diǎn)在于缺少自上而下的頂層設(shè)計，雖然結(jié)合當(dāng)下熱門的人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，但仍然難以實(shí)現(xiàn)水廠管理、服務(wù)的全面智慧化；
（2）標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：智慧水廠通常由不同企業(yè)開發(fā)的多個系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家、不同系統(tǒng)，軟硬件難兼容；
（3）為“智慧”而“智慧”：軟件智慧化功能很強(qiáng)，但是往往沒有結(jié)合水廠實(shí)際運(yùn)行模式和軟硬件情況進(jìn)行設(shè)計，實(shí)用性不強(qiáng)。
3智慧水廠建設(shè)思考
3.1以實(shí)用為核心的智慧水廠系統(tǒng)
從自動化、信息化、數(shù)字化概念的發(fā)展來看，不同的名稱突顯的只是不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，但其應(yīng)用性的本質(zhì)是沒有改變的。智慧水廠系統(tǒng)的建設(shè)必須以實(shí)用為核心，根據(jù)水廠的實(shí)際需求進(jìn)行建設(shè)，在解決行業(yè)或企業(yè)本身存在的運(yùn)行、管理難題基礎(chǔ)上，深度挖掘大數(shù)據(jù)價值，通過信息化系統(tǒng)軟件和管理軟件的高度融合，實(shí)現(xiàn)水廠整體的智慧化運(yùn)營。
3.2建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)
智慧水廠涵蓋生產(chǎn)工藝、運(yùn)行保障、原材料管理、設(shè)備維護(hù)、構(gòu)筑物維護(hù)、環(huán)境管理、人員管理、安全保障等涉及水廠運(yùn)行方方面面的一系列系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可能由不同的企業(yè)開發(fā)，因此需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議，使所有系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)可以整合共享，由此組成的智慧水廠成為一個有機(jī)整體。
4智慧水廠建設(shè)內(nèi)容
智慧水廠的建設(shè)應(yīng)從底層的基礎(chǔ)硬件出發(fā)，向上逐步構(gòu)建數(shù)據(jù)處理的智慧大腦，最后通過多個智慧化應(yīng)用打造一個完善智慧化水廠。
4.1第一層：自動化
水廠工藝流程自動化：從取水泵站取水通過管網(wǎng)輸送到水廠進(jìn)行加藥、混凝、沉淀、過濾、加氯凈化處理后，由供水泵房加壓輸送至供水管網(wǎng)的全過程實(shí)現(xiàn)自動化控制，這是實(shí)現(xiàn)智慧水廠的硬件基礎(chǔ)。
安防自動化：通過周界防范系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)等構(gòu)筑的安全防范系統(tǒng)，對水廠建筑群及其內(nèi)部的人員、設(shè)備、區(qū)域?qū)崿F(xiàn)安全防范。
環(huán)境自動化：通過構(gòu)筑物監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水廠溫度、濕度、有害氣體、設(shè)備接點(diǎn)溫度、水位、煙霧信號、明火信號等環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，環(huán)境參數(shù)超標(biāo)自動警告及自動排障功能，警情管控、故障定位等功能。通過自動綠化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，利用多種定制化灌溉策略，實(shí)現(xiàn)定時智能循環(huán)澆灌，感應(yīng)土壤含水量自動澆水，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、土壤蒸騰量調(diào)節(jié)灌溉制度；通過植物數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)后臺，提出病蟲害防治預(yù)案及科學(xué)養(yǎng)護(hù)建議。
4.2第二層：智慧大腦
物聯(lián)網(wǎng)平臺：將現(xiàn)代信息技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)與水廠深度融合，實(shí)現(xiàn)整個智慧水廠從計劃、生產(chǎn)、管理、物料、倉儲、采購、維修等各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)的集中采集、存儲和分析，進(jìn)而從大量數(shù)據(jù)中挖掘得到有價值的新信息，從而促進(jìn)水廠生產(chǎn)管理的創(chuàng)新、提升經(jīng)營水平和生產(chǎn)運(yùn)作效率，是實(shí)現(xiàn)智慧水廠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
智能視頻監(jiān)控平臺：采用圖像處理、模式識別和計算機(jī)視覺技術(shù)，通過智能視頻分析模塊，借助計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，自動對視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行快速高效的分析，判斷監(jiān)控畫面中的異常情況，并以最快和最佳的方式發(fā)出警報或觸發(fā)其它動作，大幅提升傳統(tǒng)依賴人工檢查視頻畫面的效率和效果。
人工智能平臺：基于SPARK機(jī)器學(xué)習(xí)庫和TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架，建立高級智能算法，搭建水廠的知識圖譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓機(jī)器有能力“思考”，形成具有智慧決策能力的人工智能大腦。
4.3第三層：智慧應(yīng)用
4.3.1智慧安防
通過人臉識別、車輛識別管理、非法侵入位追蹤、無人機(jī)巡檢、AR眼鏡監(jiān)測、遠(yuǎn)程在線設(shè)備故障診斷處置、重點(diǎn)區(qū)域闖入預(yù)警構(gòu)建水廠全面、立體的安保系統(tǒng)，通過云計算、無線覆蓋、移動終端、人員識別、人員定位等技術(shù)手段，通過事先確定的路線和活動范圍，規(guī)范人員的活動，并提供照明、通風(fēng)空調(diào)以及說明、講解、應(yīng)急聯(lián)絡(luò)等服務(wù)，保證生產(chǎn)安全、人員安全。
4.3.2智慧生產(chǎn)
通過對水廠生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、清洗、存儲、分析和輸出展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對水廠數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中化的水廠運(yùn)行綜合管理，讓各級管理人員應(yīng)能通過系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確、全面、直觀的了解和掌握生產(chǎn)狀況。
4.3.3智慧運(yùn)營
通過建立水廠運(yùn)行關(guān)鍵績效指標(biāo)評估機(jī)制，從管理質(zhì)量、能耗分析、藥耗分析、設(shè)備運(yùn)行效率、環(huán)境效益、運(yùn)行工藝參數(shù)、績效考核等多個方面定期對自來水廠的運(yùn)行管理狀況進(jìn)行綜合評定。
4.3.4智能運(yùn)維
基于水廠的產(chǎn)生運(yùn)維需求，定制個性化巡檢路徑，結(jié)合巡檢點(diǎn)、設(shè)備和傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、機(jī)器人、AR，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維巡檢。
4.3.5設(shè)備資產(chǎn)管理
基于先進(jìn)的資產(chǎn)全生命周期管理理論，通過核心臺賬對企業(yè)中各類設(shè)備及資產(chǎn)的生命周期進(jìn)行一元化管理，并有機(jī)結(jié)合歷史管理、庫存管理、預(yù)算管理、統(tǒng)計分析、工作流等功能，提供完整的日常性設(shè)備/資產(chǎn)管理平臺，同時與IoT及大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行融合對接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控，按需維保，預(yù)防性維保等高級別應(yīng)用。
4.3.6智能監(jiān)盤
基于水廠智能化建模手段，將運(yùn)行規(guī)程和安全規(guī)程知識化，利用智能知識庫協(xié)助監(jiān)盤人員對運(yùn)行中的各類參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)重要程度依次將異常預(yù)警信號呈現(xiàn)給監(jiān)盤人員。監(jiān)盤人員可以實(shí)時監(jiān)視水廠各工藝流程、系統(tǒng)、設(shè)備的健康狀態(tài)，查看故障預(yù)警、設(shè)備健康狀態(tài)和故障報警信息。
4.3.7智慧辦公
利用云計算技術(shù)對辦公業(yè)務(wù)所需的軟硬件設(shè)備進(jìn)行智能化管理，通過建立個人辦公、公共信息、行政事務(wù)、公文流轉(zhuǎn)、知識管理、幫助、系統(tǒng)管理等模塊，實(shí)現(xiàn)水廠人事管理、財務(wù)管理、資產(chǎn)管理、科研管理等信息化和自動化。
4.3.8智慧環(huán)境控制
根據(jù)不同設(shè)備、不同人員的不同需求，通過對水廠照明、通風(fēng)、空調(diào)等等制定精準(zhǔn)的控制策略，并與其他系統(tǒng)的配合，在滿足人員的舒適性、設(shè)備的安全性等前提下，達(dá)到節(jié)能、減排、減少污染的目的。
4.3.9智慧養(yǎng)護(hù)
根據(jù)氣象信息、植物檔案信息，通過自動澆灌系統(tǒng)、植物管理系統(tǒng)對水廠綠植實(shí)現(xiàn)自動澆灌，并提供養(yǎng)護(hù)計劃，適時安排施肥、修剪等養(yǎng)護(hù)工作。
4.3.10智慧構(gòu)筑物監(jiān)測
針對重要構(gòu)筑物，建立構(gòu)筑物健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測構(gòu)筑物應(yīng)力、變形、沉降等敏感參數(shù)，與設(shè)計參數(shù)進(jìn)行比較，實(shí)時評估構(gòu)筑物安全狀況。
4.3.11數(shù)字孿生
通過BIM、傳感器等技術(shù)，搭建一個高度鏡像化的數(shù)字水廠，通過物理信息系統(tǒng)(Cyber-Phyical System,CPS)，實(shí)現(xiàn)物理水廠與數(shù)字水廠的交互與融合，從而實(shí)現(xiàn)水廠的透明化管理，全面提升管理效率。
5總結(jié)
智慧水廠建設(shè)是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工程，需要站在智慧城市的高度，自上而下做好頂層設(shè)計，再結(jié)合水廠的實(shí)際情況，分步完成各個系統(tǒng)的建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)智慧水廠的目標(biāo)，而其成熟的標(biāo)志就是人工干預(yù)越來越少。
