智慧水務(wù)丨再生水廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的賦智方案

2022-10-21作者：捷碼瀏覽：次

　　污水處理廠是人類社會得以正常運轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，隨著污水處理行業(yè)在運營管理、工藝設(shè)計等方面已經(jīng)達到瓶頸，運行人員對廠內(nèi)動態(tài)的透徹感知和精細化管控提出了全面需求。而廠內(nèi)運行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)作為污水處理廠的重要數(shù)字資產(chǎn)可有效輔助運行人員優(yōu)化及完善水廠的精細化生產(chǎn)運行策略。因此受到了運行人員前所未有的重視。在技術(shù)方面，信息技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等智慧技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足水廠自動化、信息化、智慧化管控提供了硬件條件。在政策方面，《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》中對市政設(shè)施建設(shè)智慧化提出了更明確的要求，即實現(xiàn)污水設(shè)施信息化、賬冊化、推行污水體系中數(shù)據(jù)智能化聯(lián)動和動態(tài)更新。

　　相較于我國，歐美國家的在污水處理行業(yè)及其自動化、智能化方面起步相對較早，目前已在水廠自動化及智能化領(lǐng)域積累了大量實踐經(jīng)驗。以美國芝加哥Stickney廠為例，其監(jiān)控系統(tǒng)高度自動化，控制系統(tǒng)通過計算對設(shè)備狀態(tài)及工藝進行優(yōu)化，形成自動采集、自動判斷、自動調(diào)整和自動控制四位一體的運行模式。荷蘭Amsterdam West廠則在智能化基礎(chǔ)上進行了智慧化的探索，形成了廠內(nèi)數(shù)據(jù)庫及決策支持平臺，通過預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，不僅可任意調(diào)取數(shù)據(jù)，還可對數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出、對比分析，基本實現(xiàn)無人值守。

　　實踐證明，智慧水務(wù)平臺的形成可消除現(xiàn)在水廠中信息孤島的困境。通過建立設(shè)備儀表離線填報的一體化平臺，運營人員可對所獲廠內(nèi)數(shù)據(jù)進行分析，定位成本損失，控制服務(wù)成本，有針對性優(yōu)化運營管理手段，挖掘新的獲益增長點；同時，運行人員可通過該平臺及時發(fā)現(xiàn)工藝問題并處理，保障高效運營，提高業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定性；對于工藝優(yōu)化人員,可通過該平臺達到對水廠的透徹感知，從常規(guī)經(jīng)驗判斷的運行模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)驗理論相結(jié)合的運行模式。

　　本文以北京市朝陽區(qū)某水廠為例，詳細闡述以污水處理廠最終賦智為導(dǎo)向，設(shè)計智慧水務(wù)平臺并實施建設(shè)的過程，并從業(yè)務(wù)組成、組織構(gòu)建和實施重點等角度提出了智慧水務(wù)建設(shè)要點,強調(diào)信息技術(shù)在業(yè)務(wù)場景中應(yīng)用，推動我國再生水廠數(shù)字化智慧水務(wù)的落地實踐。

　　智慧水務(wù)的發(fā)展概況

　　1.1智慧化基本要素及發(fā)展瓶頸

　　根據(jù)高德納公司對世界范圍內(nèi)40家位于行業(yè)前沿水務(wù)公司的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大部分公司對智慧水務(wù)的部署均停留在僅發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)或數(shù)采網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)階段，或剛引入自控或數(shù)據(jù)分析工具的機會階段。Dodge數(shù)據(jù)公司分析了智慧水務(wù)相關(guān)技術(shù)在美國水務(wù)公司中的應(yīng)用程度，發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)信息和移動化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用至美國水務(wù)公司，大部分水務(wù)公司嘗試工藝方面的數(shù)字孿生技術(shù)，但暫無任何一家公司能完成基于數(shù)字技術(shù)的運營決策支持及自如使用數(shù)字資產(chǎn)。BLACK等認為這可能是數(shù)據(jù)量大，且無效數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)清洗方法不確定、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不成熟等原因造成的。

　　目前對水廠實現(xiàn)智慧化的各個過程劃分方法并不統(tǒng)一，中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會根據(jù)水廠實施成果進程，將智慧水務(wù)分為四個階段：智能感知、智能控制、智能管理和智慧決策；IWA則根據(jù)水務(wù)智慧設(shè)計的復(fù)雜程度，將智慧水廠分為交易型、過渡型和動態(tài)流動型三個階段。還可根據(jù)引進的技術(shù)的順序，將智慧水務(wù)分為自動化、信息化、數(shù)字化、智能化及智能體五個階段。盡管不同機構(gòu)對智慧水務(wù)建設(shè)的各個階段劃分方法不同，但通過對建設(shè)階段定義進行按序合并或拆分，均可歸入數(shù)字化、智能化及智慧化三個階段（如表1所示）。根據(jù)對部分在建智慧項目的水廠進行了解，發(fā)現(xiàn)智慧化程度不同的各項目所面臨的瓶頸差異較大。

　　（1）水廠信息化。在該階段，水廠須完善廠內(nèi)信息化的基礎(chǔ)建設(shè)，我國大部分水廠的智慧化建設(shè)也暫處于該階段。水廠信息化建設(shè)的瓶頸為耗資較大，大量資金用于購買硬件設(shè)備、配置物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，及維持信息化服務(wù)的運行。此外，僅停留在信息化建設(shè)的污水處理廠，其收益回報周期長且回報率低，因此對于規(guī)模較小或營收能力較差的水廠，資金門檻過高成為限制其實現(xiàn)信息化的主要瓶頸。

　?。?）水廠智能化。水廠智能化是指廠內(nèi)實現(xiàn)部分或者全部設(shè)備的智能控制、運行工單的自動派發(fā)、簡單報警的提示等，用機器替代部分運行人員功能。

　　在該階段，水廠可根據(jù)信息基礎(chǔ)建設(shè)所獲的數(shù)據(jù)進行簡單的智能控制應(yīng)用。但這一階段的應(yīng)用瓶頸主要在于水廠協(xié)同能力欠缺，使得可智能化應(yīng)用的業(yè)務(wù)深度與廣度拓展嚴重不足。

　?。?）水廠智慧化。在水廠信息化相對完善的基礎(chǔ)上，通過人工智能決策智慧的植入可以實現(xiàn)水廠的智慧化。具體方法為，在水廠智慧化階段可采集到大量運行數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進行標準化處理和有效信息提取之后，并通過引入大數(shù)據(jù)、人工智能學(xué)習(xí)及工藝水質(zhì)模型等技術(shù)手段，建立信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將所獲得的智慧輔助決策關(guān)系及智慧結(jié)論加以表達與展示。但水廠智慧化因其在數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用的方法不明確以及在水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用場景不夠具體，目前存在較大應(yīng)用瓶頸。

　　1.2智慧水務(wù)技術(shù)現(xiàn)狀

　　為逐步實施上述階段，智慧水務(wù)平臺的搭建依賴于計算機輔助技術(shù)（IT）和業(yè)務(wù)技術(shù)（OT）這兩方面的技術(shù)。計算機輔助技術(shù)包括：數(shù)據(jù)的采集、通訊、儲存、調(diào)用與搜索；數(shù)據(jù)庫的建立與備份；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準化處理，數(shù)據(jù)關(guān)系分析技術(shù)，異常值清洗技術(shù)、缺省值插入技術(shù)及數(shù)據(jù)展示技術(shù)等。業(yè)務(wù)技術(shù)主要包括相關(guān)事件監(jiān)測與統(tǒng)計、事件間關(guān)聯(lián)分析、事件預(yù)防預(yù)警、事件診斷與響應(yīng)、策略優(yōu)化等。

　　由于國外在智慧水務(wù)方向起步較早，目前已有國外公司可提供該領(lǐng)域的成熟計算機輔助技術(shù)，但較少有針對污水處理廠內(nèi)部運行的服務(wù)架構(gòu)軟件，在實際實施中，信息技術(shù)人員常用開源程序進行二次編寫以完成使用目的。業(yè)務(wù)技術(shù)則可分為機理理論推導(dǎo)和大數(shù)據(jù)分析兩部分。其中，基于機理理論推導(dǎo)的技術(shù)包括出水水質(zhì)預(yù)測技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)，精確加藥或曝氣技術(shù)，基于生物模型的過程參數(shù)控制技術(shù)、基于k-ε湍流模型等流態(tài)模型的二沉池出水SS值預(yù)測技術(shù)等。對于理論模型無法涉及或理論模型偏差較大的業(yè)務(wù)場景，則采用大數(shù)據(jù)分析方法，開發(fā)基于模擬量特征值識別的穩(wěn)定出水水質(zhì)的運行策略及根據(jù)圖形特征或聲波特征識別的運營故障甄別技術(shù)等。

　　在智慧水務(wù)的需求下，我國部分基礎(chǔ)條件較好的污水處理水廠已著手開展智慧水務(wù)的試點建設(shè)并取得一定進展。其中，廣州瀝滘污水處理廠可在智慧系統(tǒng)完成巡檢管理功能；北京市青龍河污水處理廠建設(shè)了提供智慧加藥及精確曝氣功能的智慧運行平臺；上海竹園污水處理廠的智慧水務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)目前已在規(guī)劃中，該廠將引入圖像識別及聲音識別技術(shù)，用于設(shè)備故障的檢測。

　　智慧水務(wù)的設(shè)計與建設(shè)實踐

　　以北京市某再生水廠的智慧水務(wù)平臺搭建為例，闡述智慧水務(wù)平臺建設(shè)的步驟、技術(shù)難點及所獲成果。

　　2.1搭建方法

　　由于各廠的差異性，智慧水務(wù)平臺的搭建需結(jié)合再生水廠自身需求，僅靠通過向軟件公司、硬件設(shè)備公司及網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)商購買服務(wù)甚至直接向全套產(chǎn)品供應(yīng)商購買整個系統(tǒng)，無法實現(xiàn)該廠搭建智慧水務(wù)系統(tǒng)的目的，故軟件與硬件的連結(jié)及業(yè)務(wù)技術(shù)與計算機輔助技術(shù)的配合均需在再生水廠的切實需求下定制完成。

　　2.1.1明確再生水廠建設(shè)需求

　　根據(jù)再生水廠對智慧化的程度、需求方面及工期預(yù)算安排協(xié)商出具體需求。該水廠的智慧水務(wù)服務(wù)對象包括廠內(nèi)管理人員、廠內(nèi)生產(chǎn)人員、持有該水廠的集團運營人員，集團工藝工程師，對智慧水務(wù)提出的需求包括角色認證、信息展示、智能控制、生產(chǎn)運維和決策支持五個方向。另外該水廠的建設(shè)周期較長,且工期要求較緊張，廠內(nèi)智慧化建設(shè)需與和土建、設(shè)備等施工同步實施，并分步提交廠內(nèi)的信息化、智能化和智慧化建設(shè)階段性成果?；诖诵枨螅搹S搭建的智慧平臺由單廠感知平臺、單廠智能平臺、單廠工控平臺、單廠移動平臺、集團端管理平臺與智慧決策服務(wù)平臺共同組成

　　其中廠內(nèi)的基本數(shù)字信息由單廠感知平臺獲取，并發(fā)送至單廠智能平臺進行簡單加工。部分數(shù)據(jù)向廠內(nèi)管理人員和廠內(nèi)生產(chǎn)人員展示，另一部分數(shù)據(jù)通過工控平臺直接參與廠內(nèi)自動化智能控制。廠內(nèi)管理人員和廠內(nèi)生產(chǎn)人員根據(jù)單廠智能平臺所展示的信息，進行線下維修、巡檢、填報等工作，而移動平臺提供了更加便捷的端口，保障廠內(nèi)人員可在4 G網(wǎng)絡(luò)條件下接入平臺。隨后部分數(shù)據(jù)通過智能平臺向集團端管理平臺發(fā)送并備份，使得集團端運營人員及工藝工程師實時掌握水廠內(nèi)的動態(tài)，同時選取合適的數(shù)據(jù)發(fā)送至智慧決策服務(wù)平臺，完成數(shù)據(jù)診斷與建模計算。

　　該智慧化平臺將常規(guī)的一體化信息展示與管理交互平臺拆分為單廠智能平臺和集團端管理平臺，并以數(shù)據(jù)流動的方向?qū)蓚€平臺鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入、匯集、共享、儲存、分享、清洗、挖掘和展示。其中，單廠智能平臺主要實現(xiàn)水廠內(nèi)信息化和智能化運行，而集團端管理平臺則實現(xiàn)水廠信息化和智慧化管理。這種拆分平臺的構(gòu)建方法可加快建設(shè)速度，方便不同角色在智慧水務(wù)中的權(quán)限劃分，同時避免了在平臺建設(shè)中不斷對同一界面的迭代優(yōu)化及調(diào)整，增加了用戶對平臺的信任感。

　　2.1.2搭建總體框架

　　在平臺結(jié)構(gòu)方面，由于數(shù)字資產(chǎn)是整個智慧水務(wù)平臺運行的基礎(chǔ)，故以數(shù)據(jù)為核心搭建再生水廠智慧水務(wù)結(jié)構(gòu)。基于水廠內(nèi)數(shù)據(jù)的流動方向，從數(shù)據(jù)獲取層起自下而上搭建智慧水務(wù)平臺，依次包括：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)交互層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，包含智慧水務(wù)所有的數(shù)據(jù)行為。

　　數(shù)據(jù)采集層，即數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施層的硬件部分,承擔系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集功能。該層的組成包括水質(zhì)測定儀、流量計、壓力計、PLC（Programmable Logic Controller）采集系統(tǒng)等，將處理過程中的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，對于部分難以在線自動采集的數(shù)據(jù)可采用人工補錄的形式，將這部分信息匯入數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的采集。

　　數(shù)據(jù)交互層，為整個智慧水務(wù)的通用平臺，其主要功能是提供數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)服務(wù)，其組成包括系統(tǒng)服務(wù)器、儲存硬盤、網(wǎng)絡(luò)資源、通訊資源、防火墻以及植入的操作系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)庫管理調(diào)用系統(tǒng)等。

　　數(shù)據(jù)處理層，是所獲數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)場景下處理的平臺。主要包括將智慧技術(shù)與污水處理廠的業(yè)務(wù)場景進行結(jié)合，并在符合工藝邏輯和實際運行規(guī)律情況下，運行水質(zhì)預(yù)測算法、設(shè)備報警邏輯、運營反饋工單、生產(chǎn)統(tǒng)計規(guī)則的配套算法。最終將人工智能技術(shù)對復(fù)雜事件決策、計算機學(xué)習(xí)和實時數(shù)據(jù)計算作為智慧決策支撐手段，甚至是自動決策的智慧手段，以減輕現(xiàn)有污水處理廠相關(guān)工作人員的決策負擔，提高再生水廠生產(chǎn)運行穩(wěn)定程度。

　　數(shù)據(jù)應(yīng)用層直接對接該平臺的用戶端。由于數(shù)據(jù)來源多，覆蓋業(yè)務(wù)廣，某一數(shù)據(jù)可能在多個場景下重復(fù)應(yīng)用，故根據(jù)應(yīng)用目的對數(shù)據(jù)進行分流，使數(shù)據(jù)分別向決策支持系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)、運維管理系統(tǒng)、廠間橫向?qū)Ρ确治鱿到y(tǒng)流動。同時，在上述四項內(nèi)容上，需分別對數(shù)據(jù)進行展示、反饋、交互、分析應(yīng)用呈現(xiàn)。

　　2.1.3實施流程

　　對于新建水廠項目，智慧水務(wù)的規(guī)劃須在建設(shè)設(shè)計期提出。由于智慧水務(wù)的成功搭建及運行對用電、通訊、外部環(huán)境均有要求，故在土建建設(shè)階段，就須對智慧水務(wù)中硬件設(shè)備預(yù)留相應(yīng)設(shè)備位置及間隔距離、絕緣環(huán)境、不間斷電源及網(wǎng)絡(luò)接口。在設(shè)備選型階段，為滿足數(shù)據(jù)采集的時間間隔要求或設(shè)備變頻智能控制要求等，須對預(yù)處理設(shè)備、取樣設(shè)備、測定儀表、變頻泵、變頻風(fēng)機及可自控閥門等進行對應(yīng)選擇。在本案例中，由于在水廠規(guī)劃初期同步開展了智慧水務(wù)設(shè)計，廠內(nèi)關(guān)鍵管路的閥門均選用電動閥，鼓風(fēng)機、提升泵、加藥泵等核心設(shè)備均選用變頻規(guī)格，故后期實施智能加藥和精確曝氣技術(shù)時，無須重新更改設(shè)備，降低了智慧水務(wù)平臺的建設(shè)成本。對于再生水廠改造項目，智慧水務(wù)運行平臺的建設(shè)則受到更多約束。尤其某些老舊廠區(qū)，智慧水務(wù)的實施將意味著大量儀表的采購及安裝。對于無法滿足安裝要求的水處理構(gòu)筑物還須進行改建并重新對設(shè)備儀表布點等。

　　遵循設(shè)計在實施前、單獨調(diào)試在互聯(lián)調(diào)試前、獨立工作多點開工的原則，可分步實施智慧水務(wù)的建設(shè)。各建設(shè)順序依次為：進場條件建設(shè)，信息化主體建設(shè)、智能化主體建設(shè)、智能化零星工程建設(shè)、智慧化主體建設(shè)、智慧水務(wù)優(yōu)化建設(shè)。

　　2.2實施重點

　　智慧水務(wù)平臺成功運行的前提是服務(wù)對象須為數(shù)字化水廠，故水廠的完全數(shù)字化是成功實施智慧水務(wù)的重要基礎(chǔ)。水廠數(shù)字化的工作內(nèi)容包括對廠內(nèi)數(shù)據(jù)進行梳理及提取，根據(jù)數(shù)據(jù)來源，可將水廠內(nèi)數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)中又可分為在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)。

　　在對水廠數(shù)字化的過程中，需根據(jù)不同的數(shù)據(jù)性質(zhì)預(yù)留對應(yīng)的數(shù)據(jù)源接口，同時為動態(tài)數(shù)據(jù)做出動態(tài)調(diào)配余量，合理預(yù)留系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余度。此外在提取數(shù)據(jù)的同時，還需根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行梳理，如數(shù)據(jù)的時間、空間位置、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)來源特性等。數(shù)據(jù)的梳理將直接參與后續(xù)數(shù)據(jù)清洗、應(yīng)用與挖掘過程。以即時COD去除率這一指標為例，由于再生水廠內(nèi)的水力停留時間不可忽視，故在計算COD去除效率時，需根據(jù)實際水力停留時間推算出該出水時刻所對應(yīng)的進水時刻，并通過在線儀表找出該進水時刻下的實際數(shù)據(jù)，此時對COD去除效率進行計算，才可保證計算指標的科學(xué)性與準確性，故COD濃度數(shù)據(jù)的時間屬性將在計算過程中十分重要。

　　2.3實施標準及效果

　　根據(jù)本案例中智慧水務(wù)的建設(shè)及應(yīng)用目的，對智慧水務(wù)平臺的建設(shè)提出了評價體系作為該平臺的優(yōu)化方向，該評價體系應(yīng)包括信息化水平及數(shù)據(jù)使用水平兩組評價指標。

　　該評價體系有效地將對智慧水務(wù)的性能評價由定性評價精確為定量評價，且從智慧平臺的基礎(chǔ)建設(shè)到智慧服務(wù)都提出了具體要求。評價指標的提出，反向明確了智慧水務(wù)建設(shè)過程中構(gòu)建體系框架、指標選擇及建立算法的優(yōu)化方向。

　　在集團端智慧平臺與單廠信息平臺的聯(lián)動運維下，廠內(nèi)生產(chǎn)記錄工單線下填報轉(zhuǎn)為線上記錄，日常水質(zhì)報表一鍵生成，歷史數(shù)據(jù)可滿足秒級、分鐘級、小時級別的調(diào)取及搜索。在智慧算法的保障支撐下，水廠原設(shè)計日處理水量為20 000 m3/d，現(xiàn)已達到28 000 m3/d；該水廠噸水電耗降為0.41~0.48 kW·h；自智慧水務(wù)平臺上線后穩(wěn)定運行7個月，分鐘級出水指標從未超標。

　　結(jié)語

　　智慧水務(wù)作為信息技術(shù)與傳統(tǒng)水務(wù)融合的新興領(lǐng)域，在實施過程中仍面臨著方法缺乏理論指導(dǎo)、業(yè)務(wù)缺乏應(yīng)用經(jīng)驗、技術(shù)缺乏模型介入等問題。通過對北京市朝陽區(qū)某再生水廠智慧水務(wù)平臺建設(shè)的回顧，本文總結(jié)了智慧水務(wù)平臺建設(shè)過程中的經(jīng)驗及方法，強調(diào)了信息技術(shù)在業(yè)務(wù)場景中應(yīng)用，推動了數(shù)字化智慧水務(wù)的落地與發(fā)展。

（文章來源：搜狗微信）