智慧水廠發(fā)展現狀及建設思考

2021-07-08  來源：智慧水務雜談作者：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，智慧水務作為其中一部分也應運而生。智慧水廠作為智慧水務的基礎，近幾年來備受關注，但是，關于智慧水廠，目前還沒有一個比較正式、描述比較準確的定義。

智慧水廠是以傳統(tǒng)的自動化制水技術為基礎，通過進一步增“智”，在實現水廠全自動化運行的基礎上，通過信息通信技術（ICT）、建模與決策支持系統(tǒng)的集成應用，實現水廠的智慧化運營。在美國，智慧水廠更側重于“自動化”、“智能化”和“交互性”。

2智慧水廠發(fā)展現狀及存在問題

2.1發(fā)展現狀

經過幾年的發(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，全自動水廠/無人水廠是智慧水廠的基礎。

從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0，工廠逐漸通過技術創(chuàng)新不斷提高生產力，實現了從工業(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、水泵的發(fā)明，使水廠能夠工業(yè)化、電氣化，而繼電器技術、PLC的發(fā)明，則使自動化成為可能。目前，國內不少老舊水廠還走在實現自動化的路上，而一些新建水廠則通過先進技術的應用，已經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營，盡管后續(xù)還有待完善。

2.2智慧水廠建設存在的問題

與電力領域相比，水務領域的信息化、智慧化建設一直比較落后，智慧水務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企業(yè)主要有三類，一是大型水務集團，他們擁有強大的資金實力投資信息化系統(tǒng)研發(fā)，也非常熟悉水廠運營，但是他們研發(fā)的系統(tǒng)通常都是定制化，主要供內部使用；二是傳統(tǒng)制水系統(tǒng)制造商，即為水廠建設及設備自控系統(tǒng)施工方，他們了解制水過程，擁有大量的實際經驗，但對智慧水廠方面入門晚，信息技術薄弱；三是信息技術公司，這類企業(yè)通常掌握的信息化技術較為全面，但缺乏水務專業(yè)技術支撐，導致開發(fā)的系統(tǒng)有很多功能成為“雞肋”。

從當前已經建成的智慧水廠來看，通常都存在以下幾個問題：

（1）缺少頂層設計：傳統(tǒng)的智慧水廠建設往往根據水廠現狀進行信息化升級，這樣做的優(yōu)勢是可以充分利用現有資源，但缺點在于缺少自上而下的頂層設計，雖然結合當下熱門的人工智能、大數據、區(qū)塊鏈等技術，但仍然難以實現水廠管理、服務的全面智慧化；

（2）標準不統(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)都有自己的標準，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，但是往往沒有結合水廠實際運行模式和軟硬件情況進行設計，實用性不強。

3智慧水廠建設思考

3.1以實用為核心的智慧水廠系統(tǒng)

從自動化、信息化、數字化概念的發(fā)展來看，不同的名稱突顯的只是不同的技術實現手段，但其應用性的本質是沒有改變的。智慧水廠系統(tǒng)的建設必須以實用為核心，根據水廠的實際需求進行建設，在解決行業(yè)或企業(yè)本身存在的運行、管理難題基礎上，深度挖掘大數據價值，通過信息化系統(tǒng)軟件和管理軟件的高度融合，實現水廠整體的智慧化運營。

3.2建立統(tǒng)一標準

智慧水廠涵蓋生產工藝、運行保障、原材料管理、設備維護、構筑物維護、環(huán)境管理、人員管理、安全保障等涉及水廠運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)一的數據標準、協(xié)議標準、接口標準、通信協(xié)議，使所有系統(tǒng)之間的數據可以整合共享，由此組成的智慧水廠成為一個有機整體。

4智慧水廠建設內容

智慧水廠的建設應從底層的基礎硬件出發(fā)，向上逐步構建數據處理的智慧大腦，最后通過多個智慧化應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輸送到水廠進行加藥、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的全過程實現自動化控制，這是實現智慧水廠的硬件基礎。

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)等構筑的安全防范系統(tǒng)，對水廠建筑群及其內部的人員、設備、區(qū)域實現安全防范。

環(huán)境自動化：通過構筑物監(jiān)測系統(tǒng)，實現對水廠溫度、濕度、有害氣體、設備接點溫度、水位、煙霧信號、明火信號等環(huán)境數據監(jiān)測，環(huán)境參數超標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)護系統(tǒng)，利用多種定制化灌溉策略，實現定時智能循環(huán)澆灌，感應土壤含水量自動澆水，根據氣象數據、土壤蒸騰量調節(jié)灌溉制度；通過植物數據庫和專家系統(tǒng)后臺，提出病蟲害防治預案及科學養(yǎng)護建議。

4.2第二層：智慧大腦

物聯(lián)網平臺：將現代信息技術物聯(lián)網與水廠深度融合，實現整個智慧水廠從計劃、生產、管理、物料、倉儲、采購、維修等各個環(huán)節(jié)所產生的各類數據的集中采集、存儲和分析，進而從大量數據中挖掘得到有價值的新信息，從而促進水廠生產管理的創(chuàng)新、提升經營水平和生產運作效率，是實現智慧水廠的數據基礎。

智能視頻監(jiān)控平臺：采用圖像處理、模式識別和計算機視覺技術，通過智能視頻分析模塊，借助計算機強大的數據處理能力，自動對視頻監(jiān)控畫面進行快速高效的分析，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機器學習庫和TensorFlow深度學習框架，建立高級智能算法，搭建水廠的知識圖譜和神經網絡結構，讓機器有能力“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、無人機巡檢、AR眼鏡監(jiān)測、遠程在線設備故障診斷處置、重點區(qū)域闖入預警構建水廠全面、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、通風空調以及說明、講解、應急聯(lián)絡等服務，保證生產安全、人員安全。

4.3.2智慧生產

通過對水廠生產過程的數據采集、清洗、存儲、分析和輸出展現，實現對水廠數據進行遠程集中化的水廠運行綜合管理，讓各級管理人員應能通過系統(tǒng)能夠及時、準確、全面、直觀的了解和掌握生產狀況。

4.3.3智慧運營

通過建立水廠運行關鍵績效指標評估機制，從管理質量、能耗分析、藥耗分析、設備運行效率、環(huán)境效益、運行工藝參數、績效考核等多個方面定期對自來水廠的運行管理狀況進行綜合評定。

4.3.4智能運維

基于水廠的產生運維需求，定制個性化巡檢路徑，結合巡檢點、設備和傳感器實時數據、視頻監(jiān)控、機器人、AR，實現高效運維巡檢。

4.3.5設備資產管理

基于先進的資產全生命周期管理理論，通過核心臺賬對企業(yè)中各類設備及資產的生命周期進行一元化管理，并有機結合歷史管理、庫存管理、預算管理、統(tǒng)計分析、工作流等功能，提供完整的日常性設備/資產管理平臺，同時與IoT及大數據分析等應用技術進行融合對接，實現設備實時狀態(tài)監(jiān)控，按需維保，預防性維保等高級別應用。

4.3.6智能監(jiān)盤

基于水廠智能化建模手段，將運行規(guī)程和安全規(guī)程知識化，利用智能知識庫協(xié)助監(jiān)盤人員對運行中的各類參數和設備狀態(tài)進行監(jiān)測，并根據重要程度依次將異常預警信號呈現給監(jiān)盤人員。監(jiān)盤人員可以實時監(jiān)視水廠各工藝流程、系統(tǒng)、設備的健康狀態(tài)，查看故障預警、設備健康狀態(tài)和故障報警信息。

4.3.7智慧辦公

利用云計算技術對辦公業(yè)務所需的軟硬件設備進行智能化管理，通過建立個人辦公、公共信息、行政事務、公文流轉、知識管理、幫助、系統(tǒng)管理等模塊，實現水廠人事管理、財務管理、資產管理、科研管理等信息化和自動化。

4.3.8智慧環(huán)境控制

根據不同設備、不同人員的不同需求，通過對水廠照明、通風、空調等等制定精準的控制策略，并與其他系統(tǒng)的配合，在滿足人員的舒適性、設備的安全性等前提下，達到節(jié)能、減排、減少污染的目的。

4.3.9智慧養(yǎng)護

根據氣象信息、植物檔案信息，通過自動澆灌系統(tǒng)、植物管理系統(tǒng)對水廠綠植實現自動澆灌，并提供養(yǎng)護計劃，適時安排施肥、修剪等養(yǎng)護工作。

4.3.10智慧構筑物監(jiān)測

針對重要構筑物，建立構筑物健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測構筑物應力、變形、沉降等敏感參數，與設計參數進行比較，實時評估構筑物安全狀況。

4.3.11數字孿生

通過BIM、傳感器等技術，搭建一個高度鏡像化的數字水廠，通過物理信息系統(tǒng)(Cyber-Phyical System,CPS)，實現物理水廠與數字水廠的交互與融合，從而實現水廠的透明化管理，全面提升管理效率。

5總結

智慧水廠建設是一項龐大而復雜的工程，需要站在智慧城市的高度，自上而下做好頂層設計，再結合水廠的實際情況，分步完成各個系統(tǒng)的建設，最終實現智慧水廠的目標，而其成熟的標志就是人工干預越來越少。