數(shù)字水務(wù)及其在污水處理廠中的應(yīng)用探索

前言

規(guī)模經(jīng)濟(jì)性、基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)壓力，以及創(chuàng)新意愿使得城市成為應(yīng)用智慧技術(shù)的最佳場所。智慧城市將整合物質(zhì)系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和人類系統(tǒng)，并為市民創(chuàng)造可持續(xù)、繁榮、包容的發(fā)展成果，而基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)張和連接是衡量智慧城市建設(shè)成功與否的關(guān)鍵。水資源作為城市做重要的資源之一，與市民的生活休戚相關(guān)。水務(wù)行業(yè)將直接影響新型智慧城市評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)框架（GB/T 33356-2016）所述的城市服務(wù)、城市管理、公共安全、生態(tài)宜居等客觀指標(biāo)，對市民體驗(yàn)也具有很大影響，因此其數(shù)字化、智能化是建設(shè)新型智慧城市的重要組成部分。與此同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施老化、極端天氣的持續(xù)增多、城市人口的過度集中，加速了水資源短缺，并引發(fā)一系列水質(zhì)及水安全問題，面對這些壓力，發(fā)展數(shù)字水務(wù)將有助于促進(jìn)城市水務(wù)管理的轉(zhuǎn)型，并為行業(yè)及消費(fèi)者帶來全新變革。

本文在綜合國內(nèi)外學(xué)者、機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國際數(shù)字水務(wù)最新報(bào)告，對業(yè)務(wù)領(lǐng)域、價(jià)值潛力、應(yīng)用場景等方面對數(shù)字水務(wù)進(jìn)行分析介紹，最后落腳于數(shù)字水務(wù)在污水廠中的應(yīng)用探索。

不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)字化發(fā)展

智慧水務(wù)包括水務(wù)信息采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，可提升水務(wù)管理的效率和效能，實(shí)現(xiàn)更全面的感知，更主動的服務(wù)，更整合的資源，更科學(xué)的決策，更自動的控制和更及時(shí)的應(yīng)對。水務(wù)業(yè)務(wù)可以劃分為基礎(chǔ)業(yè)務(wù)、條塊業(yè)務(wù)以及支撐業(yè)務(wù)，田雨等人認(rèn)為四大條塊業(yè)務(wù)即防汛業(yè)務(wù)、水資源管理業(yè)務(wù)、水生態(tài)管理業(yè)務(wù)和水環(huán)境管理業(yè)務(wù)是數(shù)字水務(wù)建設(shè)中最為重要和最為迫切的建設(shè)領(lǐng)域。四大條塊業(yè)務(wù)的數(shù)字化都是建立在信息感知更全面的基礎(chǔ)之上，但各自發(fā)展側(cè)重點(diǎn)不盡相同其中防汛業(yè)務(wù)體現(xiàn)在應(yīng)急預(yù)警方面，水資源管理業(yè)務(wù)體現(xiàn)在資源整合、主動服務(wù)等方面，而水生態(tài)管理和水環(huán)境管理業(yè)務(wù)體現(xiàn)在科學(xué)決策、智能控制等方面。

以防汛業(yè)務(wù)為例，隨著極端天氣頻發(fā)，數(shù)字業(yè)務(wù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控洪水發(fā)生的可能性和影響，從而降低洪水帶來的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，為災(zāi)后重建提供幫助；可以通過遙感技術(shù)、水利模型等管理雨水徑流和極端天氣事件造成的城市內(nèi)澇；可以通過傳感器、監(jiān)控設(shè)備等對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動調(diào)控，防止洪澇災(zāi)害發(fā)生。在2017年颶風(fēng)厄瑪席卷佛羅里達(dá)之前，奧蒙德海灘在五處可能發(fā)生洪災(zāi)的湖泊上安裝了傳感器。當(dāng)時(shí)，傳感器和軟件檢測到暴雨即將來臨，于是系統(tǒng)提前排水，自動降低了儲水池的水位，而湖泊排水系統(tǒng)上的天氣感應(yīng)閥門則在暴雨前自行啟動，避免了一場洪災(zāi)的發(fā)生。

數(shù)字水務(wù)的價(jià)值潛力

數(shù)字技術(shù)將幫助水務(wù)行業(yè)自身創(chuàng)造出多種價(jià)值，如：降低運(yùn)營成本、優(yōu)化現(xiàn)有資產(chǎn)、提高員工參與度與生產(chǎn)效率等。除此之外，數(shù)字水務(wù)的應(yīng)用還將對用戶及環(huán)境帶來深遠(yuǎn)影響，如水務(wù)公司運(yùn)營和財(cái)務(wù)方面的數(shù)字化方案都將有助于提高用于體驗(yàn)（可參照電子賬單推送、線上繳費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)報(bào)修等服務(wù)），污水收集系統(tǒng)的實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸、流域傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立則將盡可能減少污染，以最大的力度保護(hù)環(huán)境。

1、市場價(jià)值

（1）降低運(yùn)營成本

數(shù)據(jù)、傳感器可以用來實(shí)時(shí)跟蹤、分析大量的有關(guān)能源消耗、化學(xué)品使用、運(yùn)行維護(hù)和系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)；資產(chǎn)管理系統(tǒng)和財(cái)務(wù)跟蹤工具可以確定運(yùn)營成本，并提高流程的效率。通過長時(shí)間的數(shù)據(jù)收集與管理，可以得到運(yùn)營成本基線并進(jìn)一步判斷未來趨勢，這將確保系統(tǒng)以最優(yōu)和成本效益最高的方式運(yùn)行，在減少資源消耗的同時(shí)降低服務(wù)成本。

（2）優(yōu)化現(xiàn)有資產(chǎn)

我國城市發(fā)展由“增量擴(kuò)張”向“存量優(yōu)化”的轉(zhuǎn)型已得到政府及社會各界的廣泛重視。水務(wù)行業(yè)作為重資產(chǎn)行業(yè)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，如何通過優(yōu)化的方式來應(yīng)對基礎(chǔ)設(shè)施的老化將成為今后調(diào)整水務(wù)結(jié)構(gòu)與功能的重點(diǎn)。以我國排水管道為例，截止到2017年底，我國城市排水管道長度總量達(dá)到63.0萬千米，其中超過27萬千米排水管網(wǎng)的使用年齡在十年以上，管道功能性缺陷及結(jié)構(gòu)性缺陷長度占比超過30%，解決缺陷時(shí)究竟是修理還是更換才能達(dá)到功能保障及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，是目前管道修復(fù)工程面臨的最直接問題之一。預(yù)測數(shù)據(jù)分析與決策優(yōu)化系統(tǒng)工具相結(jié)合可以解決此類問題，其提出預(yù)測性資產(chǎn)管理計(jì)劃用于修復(fù)老化資產(chǎn)，優(yōu)化資產(chǎn)績效。

（3）提高生產(chǎn)效率

水務(wù)管理具有一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集設(shè)施，如流量計(jì)、傳感器、視頻監(jiān)控等，但這些數(shù)據(jù)復(fù)雜而龐大，運(yùn)行人員無法將這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，從而識別其中存在的問題與隱患。智能監(jiān)控及分析系統(tǒng)可以統(tǒng)籌不同來源的數(shù)據(jù)，收集保存至中央存儲器，經(jīng)過一系列運(yùn)算分析后以圖表等形式直觀的呈現(xiàn)在運(yùn)行人員面前，使他們可以將精力及注意力集中在系統(tǒng)所反映的異常數(shù)據(jù)上，從而提高生產(chǎn)效率。除此之外，一些移動終端如智能收集、平板電腦的使用，也可以使員工更快更輕松的完成工作，同時(shí)提高工作中收集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

2、非市場價(jià)值

（1）增強(qiáng)用戶體驗(yàn)

為了提高可持續(xù)性，加大水資源保護(hù)力度，水務(wù)公司開始制定創(chuàng)新戰(zhàn)略，以便提高消費(fèi)者參與度，重塑人們的用水觀念。除此之外，水務(wù)公司正在努力打造一個(gè)功能齊全的線上網(wǎng)路綜合運(yùn)營系統(tǒng)，全面優(yōu)化各類服務(wù)，包括：抄表、計(jì)費(fèi)、客戶服務(wù)、收款和財(cái)務(wù)報(bào)告等?？偟膩碚f想讓用戶改變用水習(xí)慣，就要提供更為便捷的服務(wù)，盡量降低對用戶日常生活習(xí)慣的影響。昆士蘭麥凱區(qū)市政府則引入了自動抄表技術(shù)，幫助消費(fèi)者更好地管理用水，節(jié)約開支。如果出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，數(shù)字水表還能及時(shí)警告消費(fèi)者和當(dāng)局，方便當(dāng)局盡早解決問題，減少水資源的浪費(fèi)。AI聊天機(jī)器人等新數(shù)字技術(shù)可以隨時(shí)為消費(fèi)者答疑解惑，為加強(qiáng)用戶參與提供了極大的可能，同時(shí)還能推送用戶快訊，提供用水和節(jié)水信息。

（2）降低管理風(fēng)險(xiǎn)

風(fēng)險(xiǎn)管理是水務(wù)行業(yè)的重要組成部分，其對于維護(hù)公用系統(tǒng)有效性、公共安全和民眾信任至關(guān)重要，使用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及管理，可以幫助水務(wù)部門或公司發(fā)現(xiàn)問題并在其變?yōu)楣彩录安扇∠鄳?yīng)的措施給予應(yīng)對。以管網(wǎng)漏損為例，隨著數(shù)字水務(wù)的推進(jìn)，供水單位獲取了越來越多的數(shù)據(jù)如GIS數(shù)據(jù)、水質(zhì)/流量/壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)、日常維護(hù)數(shù)據(jù)等，通過挖掘這些大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息，可以用于輔助供水管網(wǎng)的漏損檢測，從而降低管理風(fēng)險(xiǎn)。

（3）保護(hù)人類及環(huán)境健康

公共事業(yè)需要把保護(hù)人類及環(huán)境健康放在首位，但傳統(tǒng)模式可能由于紙質(zhì)資料不便捷、動態(tài)更新不及時(shí)、巡檢工作效率低、分析問題無依據(jù)等問題造成監(jiān)管不及、不得當(dāng)甚至是缺乏監(jiān)管，至使環(huán)境污染事件頻發(fā)。數(shù)字技術(shù)為監(jiān)管提供了手段及依據(jù)。以水體、流域?yàn)槔?，可以通過設(shè)置原位傳感器或分析儀對水質(zhì)進(jìn)行測量，并結(jié)合流域尺度的氣候模型、水利水質(zhì)模型對污染物的濃度、分布、遷移等進(jìn)行監(jiān)測及判斷。

污水處理廠中的應(yīng)用探索

1、國內(nèi)外污水廠數(shù)字化現(xiàn)狀

歐美國家的污水處理事業(yè)相對完善，并結(jié)合通信、自動化、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的科研成果，逐步邁向數(shù)字化。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)可通過算法對設(shè)備及工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成了自動采集、自動判斷、自動調(diào)整、自動控制四位一體的運(yùn)行模式。德國不來梅Oppolzer的污水廠高度智能化，整個(gè)廠區(qū)只有幾個(gè)運(yùn)行人員來負(fù)責(zé)廠區(qū)日常記錄，其他管理都由數(shù)據(jù)中心的電腦進(jìn)行控制。亞洲地區(qū)日本污水處理監(jiān)控技術(shù)較為突出，其數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)為監(jiān)控系統(tǒng)小型化結(jié)合多傳感器融合技術(shù)。

目前國內(nèi)污水廠自動化程度不高，設(shè)備運(yùn)行通常處于半自動狀態(tài)，例如：粗格柵及提升泵房的提升泵處于現(xiàn)場手動控制或上位機(jī)遠(yuǎn)程單純啟停，沒有實(shí)現(xiàn)根據(jù)污水流量而自動調(diào)節(jié)提升泵頻率、亦沒有根據(jù)提升泵的運(yùn)行時(shí)間長短來控制泵的啟停；二沉池的污泥輸送機(jī)及剩余污泥泵沒有聯(lián)動控制系統(tǒng)，致使工作人員需根據(jù)污泥量的多少控制污泥輸送機(jī)的數(shù)量及運(yùn)行。監(jiān)控手段以PLC監(jiān)控系統(tǒng)為主，隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)開始得以應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程查看。目前，隨著無線傳感技術(shù)的突破以及無線網(wǎng)絡(luò)的成熟，遠(yuǎn)程無線監(jiān)控成為新的發(fā)展主流，技術(shù)人員將無線傳感器布局在檢測區(qū)域，組成傳感器陣列，以無線跳躍的方式傳輸信號，進(jìn)而匯總到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再以GPRS無線技術(shù)傳輸出去。

2、數(shù)字化在污水廠中的應(yīng)用探索

（1）BIM建模/無人機(jī)傾斜攝影+地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)應(yīng)用

通過BIM建模/無人機(jī)傾斜攝影+GIS技術(shù)，污水廠可以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的數(shù)字化、可視化管理，將地圖元素、地面、地下空間信息融入到管理系統(tǒng)之中，通過采用三維模擬技術(shù)對廠內(nèi)建構(gòu)筑物進(jìn)行詳實(shí)的展示，其中BIM建模可用于新建污水處理廠，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可用于已建污水處理廠。通過此聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用，將工程階段產(chǎn)生的數(shù)字化信息貫穿于整個(gè)建設(shè)管理中，解決大量信息的溝通、協(xié)調(diào)問題，為設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營單位在內(nèi)的各參建主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，構(gòu)建基于5G+BIM技術(shù)的工程建設(shè)全生命周期管理將是污水廠未來數(shù)字化發(fā)展的主要趨勢之一。

（2）移動終端設(shè)備應(yīng)用

為運(yùn)行人員提供諸如智能手機(jī)，平板電腦等移動設(shè)備，使污水廠員工能夠在巡檢過程中更快更輕松地完成工作，同時(shí)提高工作中收集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。這些終端的數(shù)據(jù)將上傳至數(shù)據(jù)中心，有利于其他人員查看，并保障了數(shù)據(jù)的完整性，為大數(shù)據(jù)分析提供了依據(jù)和基礎(chǔ)。

（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)（AR和VR）應(yīng)用

AR和VR技術(shù)也具有廣闊的發(fā)展空間，其可通過提供建構(gòu)筑物、設(shè)備、管道、線纜等資產(chǎn)的全息圖像，為員工開展浸入式場景培訓(xùn)，此外，還可以讓員工在沒有預(yù)先大量儲存相關(guān)知識的情況下，通過可視化指導(dǎo)對設(shè)備進(jìn)行問題識別甚至是檢修。

利用AR技術(shù)提供的文本輸入功能，現(xiàn)場工作人員可以使用它來快速共享信息。通過AR技術(shù)，可以判斷哪些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性的設(shè)備維護(hù)。再結(jié)合GIS、傳感器、數(shù)字孿生技術(shù)，可以更進(jìn)一步的生成物理系統(tǒng)的運(yùn)行副本，對污水廠的功能進(jìn)行模擬，并直觀的進(jìn)行監(jiān)控，提高污水廠預(yù)測性維護(hù)及事故預(yù)防能力。

（4）5G技術(shù)應(yīng)用

隨著4G進(jìn)入規(guī)模商用，面向2020年級未來的第五代移動通信（5G）已成為全球通信發(fā)展熱點(diǎn)。相對4G，5G將以一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供縫制10Gbps以上的帶寬、毫秒級時(shí)延，及超高密度連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能新的躍升。相比于4G以人為中心的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)海量設(shè)備和各種新服務(wù)類型的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的工控集群網(wǎng)絡(luò)逐漸不堪重負(fù)，5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理和接入到移動云平臺，通過邊緣計(jì)算可以為污水廠提供以下服務(wù)：提高污水廠計(jì)量、控制、執(zhí)行、應(yīng)用的實(shí)時(shí)性；為大量多樣化異構(gòu)數(shù)據(jù)提供優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地閉環(huán)，訪問控制與威脅防護(hù)的廣度和難度因此大幅提升。

水務(wù) 數(shù)據(jù) 技術(shù)

標(biāo)題：數(shù)字水務(wù)及其在污水處理廠中的應(yīng)用探索，版權(quán)歸原作者所有。
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