數(shù)字水務及其在污水處理廠中的應用探索

 前言

本文在綜合國內(nèi)外學者、機構研究的基礎上，結合國際數(shù)字水務最新報告，對業(yè)務領域、價值潛力、應用場景等方面對數(shù)字水務進行分析介紹，最后落腳于數(shù)字水務在污水廠中的應用探索。

不同業(yè)務領域的數(shù)字化發(fā)展

智慧水務包括水務信息采集、傳輸、存儲、處理和服務，可提升水務管理的效率和效能，實現(xiàn)更全面的感知，更主動的服務，更整合的資源，更科學的決策，更自動的控制和更及時的應對。水務業(yè)務可以劃分為基礎業(yè)務、條塊業(yè)務以及支撐業(yè)務，田雨等人認為四大條塊業(yè)務即防汛業(yè)務、水資源管理業(yè)務、水生態(tài)管理業(yè)務和水環(huán)境管理業(yè)務是數(shù)字水務建設中最為重要和最為迫切的建設領域。四大條塊業(yè)務的數(shù)字化都是建立在信息感知更全面的基礎之上，但各自發(fā)展側重點不盡相同其中防汛業(yè)務體現(xiàn)在應急預警方面，水資源管理業(yè)務體現(xiàn)在資源整合、主動服務等方面，而水生態(tài)管理和水環(huán)境管理業(yè)務體現(xiàn)在科學決策、智能控制等方面。

以防汛業(yè)務為例，隨著極端天氣頻發(fā)，數(shù)字業(yè)務可以實時監(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)濟損失，為災后重建提供幫助；可以通過遙感技術、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)控設備等對城市排水系統(tǒng)進行聯(lián)動調(diào)控，防止洪澇災害發(fā)生。在2017年颶風厄瑪席卷佛羅里達之前，奧蒙德海灘在五處可能發(fā)生洪災的湖泊上安裝了傳感器。當時，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)上的天氣感應閥門則在暴雨前自行啟動，避免了一場洪災的發(fā)生。

數(shù)字水務的價值潛力

數(shù)字技術將幫助水務行業(yè)自身創(chuàng)造出多種價值，如：降低運營成本、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)字水務的應用還將對用戶及環(huán)境帶來深遠影響，如水務公司運營和財務方面的數(shù)字化方案都將有助于提高用于體驗（可參照電子賬單推送、線上繳費、網(wǎng)絡報修等服務），污水收集系統(tǒng)的實施數(shù)據(jù)傳輸、流域傳感器網(wǎng)絡的建立則將盡可能減少污染，以最大的力度保護環(huán)境。

1、市場價值

（1）降低運營成本

數(shù)據(jù)、傳感器可以用來實時跟蹤、分析大量的有關能源消耗、化學品使用、運行維護和系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)；資產(chǎn)管理系統(tǒng)和財務跟蹤工具可以確定運營成本，并提高流程的效率。通過長時間的數(shù)據(jù)收集與管理，可以得到運營成本基線并進一步判斷未來趨勢，這將確保系統(tǒng)以最優(yōu)和成本效益最高的方式運行，在減少資源消耗的同時降低服務成本。

（2）優(yōu)化現(xiàn)有資產(chǎn)

我國城市發(fā)展由“增量擴張”向“存量優(yōu)化”的轉型已得到政府及社會各界的廣泛重視。水務行業(yè)作為重資產(chǎn)行業(yè)，隨著基礎設施建設的完善，如何通過優(yōu)化的方式來應對基礎設施的老化將成為今后調(diào)整水務結構與功能的重點。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構性缺陷長度占比超過30%，解決缺陷時究竟是修理還是更換才能達到功能保障及經(jīng)濟最優(yōu)，是目前管道修復工程面臨的最直接問題之一。預測數(shù)據(jù)分析與決策優(yōu)化系統(tǒng)工具相結合可以解決此類問題，其提出預測性資產(chǎn)管理計劃用于修復老化資產(chǎn)，優(yōu)化資產(chǎn)績效。

（3）提高生產(chǎn)效率

水務管理具有一系列復雜的數(shù)據(jù)采集設施，如流量計、傳感器、視頻監(jiān)控等，但這些數(shù)據(jù)復雜而龐大，運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)過一系列運算分析后以圖表等形式直觀的呈現(xiàn)在運行人員面前，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，同時提高工作中收集的數(shù)據(jù)的質量和準確性。

2、非市場價值

（1）增強用戶體驗

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

（2）降低管理風險

風險管理是水務行業(yè)的重要組成部分，其對于維護公用系統(tǒng)有效性、公共安全和民眾信任至關重要，使用先進的數(shù)字技術進行風險預測及管理，可以幫助水務部門或公司發(fā)現(xiàn)問題并在其變?yōu)楣彩录安扇∠鄳拇胧┙o予應對。以管網(wǎng)漏損為例，隨著數(shù)字水務的推進，供水單位獲取了越來越多的數(shù)據(jù)如GIS數(shù)據(jù)、水質/流量/壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)、日常維護數(shù)據(jù)等，通過挖掘這些大數(shù)據(jù)所蘊含的信息，可以用于輔助供水管網(wǎng)的漏損檢測，從而降低管理風險。

（3）保護人類及環(huán)境健康

公共事業(yè)需要把保護人類及環(huán)境健康放在首位，但傳統(tǒng)模式可能由于紙質資料不便捷、動態(tài)更新不及時、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)字技術為監(jiān)管提供了手段及依據(jù)。以水體、流域為例，可以通過設置原位傳感器或分析儀對水質進行測量，并結合流域尺度的氣候模型、水利水質模型對污染物的濃度、分布、遷移等進行監(jiān)測及判斷。

污水處理廠中的應用探索

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，并結合通信、自動化、計算機等領域的科研成果，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)可通過算法對設備及工藝進行優(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行模式。德國不來梅Oppolzer的污水廠高度智能化，整個廠區(qū)只有幾個運行人員來負責廠區(qū)日常記錄，其他管理都由數(shù)據(jù)中心的電腦進行控制。亞洲地區(qū)日本污水處理監(jiān)控技術較為突出，其數(shù)字系統(tǒng)的特點為監(jiān)控系統(tǒng)小型化結合多傳感器融合技術。

目前國內(nèi)污水廠自動化程度不高，設備運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遠程單純啟停，沒有實現(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)提升泵的運行時間長短來控制泵的啟停；二沉池的污泥輸送機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的數(shù)量及運行。監(jiān)控手段以PLC監(jiān)控系統(tǒng)為主，隨著網(wǎng)絡發(fā)展，計算機與互聯(lián)網(wǎng)組成的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)開始得以應用，實現(xiàn)了遠程查看。目前，隨著無線傳感技術的突破以及無線網(wǎng)絡的成熟，遠程無線監(jiān)控成為新的發(fā)展主流，技術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，進而匯總到網(wǎng)絡節(jié)點，再以GPRS無線技術傳輸出去。

2、數(shù)字化在污水廠中的應用探索

（1）BIM建模/無人機傾斜攝影+地理信息系統(tǒng)（GIS）技術應用

通過BIM建模/無人機傾斜攝影+GIS技術，污水廠可以實現(xiàn)對基礎數(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對廠內(nèi)建構筑物進行詳實的展示，其中BIM建模可用于新建污水處理廠，無人機傾斜攝影技術可用于已建污水處理廠。通過此聯(lián)合技術的應用，將工程階段產(chǎn)生的數(shù)字化信息貫穿于整個建設管理中，解決大量信息的溝通、協(xié)調(diào)問題，為設計、施工以及運營單位在內(nèi)的各參建主體提供協(xié)同工作的基礎，構建基于5G+BIM技術的工程建設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）移動終端設備應用

為運行人員提供諸如智能手機，平板電腦等移動設備，使污水廠員工能夠在巡檢過程中更快更輕松地完成工作，同時提高工作中收集的數(shù)據(jù)的質量和準確性。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。

（3）增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實（AR和VR）應用

AR和VR技術也具有廣闊的發(fā)展空間，其可通過提供建構筑物、設備、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，此外，還可以讓員工在沒有預先大量儲存相關知識的情況下，通過可視化指導對設備進行問題識別甚至是檢修。

利用AR技術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，可以判斷哪些設備運轉正常，同時結合數(shù)據(jù)分析，可以實現(xiàn)預防性的設備維護。再結合GIS、傳感器、數(shù)字孿生技術，可以更進一步的生成物理系統(tǒng)的運行副本，對污水廠的功能進行模擬，并直觀的進行監(jiān)控，提高污水廠預測性維護及事故預防能力。

（4）5G技術應用

隨著4G進入規(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。相對4G，5G將以一種全新的網(wǎng)絡架構，提供縫制10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延，及超高密度連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡性能新的躍升。相比于4G以人為中心的移動寬帶網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡將實現(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)，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業(yè)和領域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)海量設備和各種新服務類型的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的工控集群網(wǎng)絡逐漸不堪重負，5G技術可以實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)本地化處理和接入到移動云平臺，通過邊緣計算可以為污水廠提供以下服務：提高污水廠計量、控制、執(zhí)行、應用的實時性；為大量多樣化異構數(shù)據(jù)提供優(yōu)化；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地閉環(huán)，訪問控制與威脅防護的廣度和難度因此大幅提升。

水務 數(shù)據(jù) 技術

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