水工业的数字化之路

■ 程 云

智慧就是用最简单的方式解决问题。智慧水务应该如何实现？是不是将所有的智慧软件全部买下来，将其叠加安装就实现了智慧水务呢？值得思考。

智慧水务实现“四部曲”

第一步，数字化的感知。通过传感器、仪器仪表、智能设备、监控系统等，对人、物、生产和工作过程，形成充分的数字化描述。过去数字化的描述，更多的是针对指标，其实，在互联网时代将会放大感知，需要对人、对事物以及生产过程都进行数字化的描述。

第二步，智能分析。数字化并不只是单纯积累数据，而是要将数据资产利用起来，要对设备和生产过程建立面向对象的数字化模型，通过模型化计算，实现对生产过程的预测预判，对已发生的生产过程和事件，进行复现和数字化分析。

第三步，寻优决策。在数字化分析的基础上，通过寻优算法，提供辅助决策，让决策变得更优，而不是依靠人为主观的管理能力和经验。

第四步，高效执行。无论是污水处理工艺的提标改造，还是智慧水务、海绵城市的智慧项目建设，最终均要通过系统高效执行。通过数字化的感知、面向对象的分析、寻优决策以及最后的高效执行，从而实现智慧水务的闭环系统。

智慧污水处理厂七个关键指标

“回归到智慧污水厂系统，如何运用各种智慧化设备及数字化的技术，让污水处理系统变得简单聪明，整体实现智慧呢？”智慧污水处理厂具备的七个关键指标如下：

（1）系统程控率。全厂所有的设备控制指令中，由程序自动发出的指令比例，表征一个自动化系统中非人为干预或主动控制的频率。

（2）闭环连续运转率。智慧水厂系统正常生产运行后，单个闭环控制系统能够长时间不间断运行的能力指数。

（3）控制品质达标率。智慧水厂系统正常生产运行后，在闭环控制条件下，衡量其是否达到控制、工艺要求的能力。

（4）控制逻辑冗余率。智慧水厂关键工艺的控制逻辑的冗余备用率、关键控制算法的冗余备用率。

（5）关键设备冗余率。智慧水厂关键的生产设备、PLC、通讯设备等的冗余备用率。

（6）信息系统高可用性。信息系统的某个服务节点（如数据库、WBE服务）出现故障后，仍能保证系统正常运行的能力指数。

（7）系统运行安全性。智慧水厂系统在运行过程中，能够抵御外部非法入侵、网络攻击、数据窃取等行为的能力指数。

常规过程控制VS高级控制APC系统

对于智慧污水处理厂，提高每个控制回路的可靠性和工艺精细化控制至关重要，上海昊沧智慧工业事业部（后文简称昊沧）有两大控制系统十分畅销—常规过程控制CPC和高级控制APC系统，高级控制和常规过程控制区别在于，常规控制系统只是做到了对数字化的感知，而高级控制系统高于数字化感知层面，能实现智能分析甚至寻优决策。

举个通俗易懂的例子，比如昊沧的明星产品“精确曝气流量系统”，常规过程控制只是负责对曝气系统进行控制，但是该曝多少气，指令哪里来？只能靠操作工艺人员的经验技能感知，若外部条件发生变化，工艺人员必须要重新设置参数。而高级过程控制APC系统，不需要工艺操作人员凭着经验设置参数，而是通过模型计算，自动感知现场条件变化，下达密令或者指令实现自动决策。

据了解，高级控制APC系统，它是一个无人或少人值守高级控制平台，是一套建立在PLC自控系统之上，基于计算机编程高级语言开发，采用对象化、模块化、平台化的设计方法，能够处理复杂数学算法和控制逻辑的组态式开发平台，为实现水厂全自动、高可靠、智能化运行提供强大的技术支撑。

高级控制平台总体框架

高级控制平台—全厂工艺模型优化

出水水质

用户通过在控制平台上新建工程项目，定义采集变量、按需选取功能运算块（FB）或定义程序脚本（Script），配置各项运行参数等一系列工程建模过程，实现水厂的逻辑冗余控制、工艺优化控制、控制回路监视、自控性能分析、数据趋势分析和全厂闭环控制等功能。

将高级控制系统嫁接到污水处理厂，通过自动化的算法，对AVS精确曝气流量、氨氮、加药除磷，碳源的投加量、污泥龄优化等控制单元进行可靠性的控制，实现自动化的指令，不仅使污水处理厂管理变得简单轻松，还能有效地改善出水水质。

污水厂工艺专家仿真预测系统（ProSee）

昊沧污水厂仿真工艺“专家”ProSee系统，是根据特定污水厂的工艺流程定制化建模，能根据不同的进水、运行条件等工况设置相应的运行方案，通过仿真获得污水厂在各种工况下的出水和能耗状况，能为污水厂的工艺优化、运行管理提供方案决策，实现出水达标和节能降耗。

其功能及应用如下：

（1）适用于多种活性污泥处理工艺及其改良工艺（A/O、A/A/O、SBR、氧化沟）。

（2）实现多种进水条件、运行工况下的模拟仿真。

（3）提供从进水端到最终出水端的各种主要污染物指标、KPI指标和能耗状况的仿真结果，从全局层面了解污水厂的运行状况。

（4）虚拟仪表和在线实时仿真。

ProSee系统可以通过数字化的建模，对整个污水厂的控制过程进行预测预判，提前预判未来5分钟～2个小时的污水厂情况，通过这种预判，提前避免一些问题的出现。除此之外，ProSee系统还能对水厂能耗感知预测。

AVS精确曝气流量控制系统、ProSee污水厂运行专家智能决策系统、NOCS氨氮优化与控制系统等一系列昊沧的明星产品，已经成功运用于北京、上海、广州等全国很多省份污水处理厂，也为上海城投、北京排水集团、兴蓉集团等大型国有企业以及知名的全国性水务集团提供移动化、精细化、数字化的整体解决方案。

监测网络

泵站流量测算

城市排水系统

无独有偶，城市的排水系统也可以实现智慧化管理，从泵站的输水到管网容量再到污水的处理和排放。城市排水系统是一个涵盖管网、泵站、污水厂，地域分布广，多变量耦合，集合雨水管理、污水处置、内涝防汛、优化节能多目标的控制系统。放量，溢流点的位置，溢流量等，自动生成排水调度预案，从而实现从感知到分析再到辅助决策的整个排水系统构建。

从工作方式、工艺控制、运营成本、管理模式四个方面，将传统污水处理厂和智慧污水厂进行对比，结果如下：（1）传统污水厂的工作方式以会议、组织、协调电话、人工记录来工作，而智慧污水厂是以标准化的流程、移动化的作业、快速定位等来工作。（2）传统的污水厂需要在厂站配备多人，

应用平台

水利模型调度

然而，目前城市排水系统现状并不乐观：（1）泵站流量不确定、难计量，难以实现流入/泵出平衡，污水溢流风险高。（2）泵站水位难以确定合理策略，兼顾污染溢流和无效能耗。（3）蓄洪、排水调度、定量管理能力不足。（4）分散独立的简易水位控制方式，缺乏各级泵站、管网液位、深邃调蓄、污水厂负荷的全局调度协调性，应对涌流能力弱。

针对城市排水系统出现的问题，可以创建一张检测网络、一个应用平台，通过泵站流量测算和水利模型的调度，借助建模提前预测积水的位置、深度、时间、积水量、泵站的排专岗专用，整体人工成本比较高；而数字化的污水厂采用了精细化模型调解现场的容错和可靠性，使用少人的控制，降低人工成本。（3）传统污水处理厂凭人员经验进行判断、准确性相对低、出水水质及指标不平稳；而智慧污水厂通过精细化调节控制，依托智能分析预测，准确性高、出水水质及指标稳定。（4）传统的污水厂管理模式是中控室值班的模式，24小时值班自下而上的汇报式管理；而智慧污水处理厂采用移动化办公，自上而下进行决策管理。