智慧水务生产运营平台在夹江水厂的应用★

刘 斌，周 迅，赵 伟，吴 森* ，秦善良

（1．中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081； 2．中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

近些年以来，随着人工智能、大数据技术等的飞速发展，中国在智慧水务方面取得了巨大的进步，其中，建设智慧水务生产运营管控一体化平台就是一个重大技术突破。

智慧水务生产运营管控一体化平台的搭建充分利用了物联网、大数据［1］、人工智能等技术，实现了从水源取水、供水、用水、排水、耗水等供水环节全周期的管理，以生产运营系统的海量业务数据为依据，充分分析了业务数据背后的价值信息，充分保证了供水企业生产水质安全，提高了企业精细化管理水平，为城市供水安全提供了支持，建立和完善了城乡供水保障体系。

但是，对于智慧水务生产运营管控一体化平台来说，面临着许多问题需要解决。比如如何利用最新的信息技术提高管理效率，如何提升生产水平，如何保障供水安全以及如何提高社会服务效益等等，就需要从当前实际生活中和各个管理环节上进行分析。

1 工程背景

夹江县青衣供水厂，厂址位于青衣江畔，夹江县千佛村4 社省道307 旁，于2019 年7 月建设完成，2020 年1 月正式投产运营，供水能力为5 万t/d，取夹江青衣江为水源，生产工艺采用絮凝沉淀、V 型滤池加消毒处理工艺。

水厂为新建水厂，在工艺设备、自控设计实施方面均较为完善。此水厂运营过程中所产生的数据采用了专业的设备进行采集，为智慧水务生产运营平台的建设提供数据支撑。

2 智慧水务生产运营平台

生产运营管控综合平台打通了智慧水务生产大脑、营收系统、GIS 地理信息系统、管网优化调度、报装管理系统、大数据经营决策分析系统、移动端APP 系统等，从而可以对数据进行融合分析，进而可以对数据进行更深一步的挖掘分析。同时加强了供水经营服务管理，落实了水厂生产经营的“产销差”考核机制，为生产管理和管网管理提供有效的数据支撑，为管理决策和考核标准等管理决策意见提供依据。

平台包括水厂数据动态监测、数字三维水厂、设备资产管理、视频安防监控、现场巡检管理、智能报表管理、智慧水务生产大脑和管网GIS 及巡检维修、营收管理、报装管理等多个运营在线管理系统［2］。水厂数据动态监测包括从取水到制水过程中的实时运行数据，并以3D 画面进行显示。设备资产管理包括主要工艺设备的运行健康状态管理、台账管理和药剂统计分析管理［3］。视频安防监控可通过VPN 专网查看实时视频、报警和历史视频，有效提高了水厂的安全性，确保水厂安全稳定运行。

3 智慧生产模型

构建智慧水务生产运营一体化平台需要构建几种智慧生产模型，包括预测水质的源水水质预测模型［4－5］，使水质达标的智能加药模型，指导水厂供水调度的智能泵组调度模型。

3．1 源水水质预测模型

水质预测是进行水厂安全稳定生产的前提，也是合理安排保证能源药剂管理的重要依据。与源水水质相关的气象因素包括温度、天气、气象等，以及生产时间（白天、晚上） 、当下日期（月份、季节） 。通过对历史水质监测数据的监测，再结合上述气象、时间、日期等因素采用随机森林算法模型（如图1 所示） 进行源水水质的预测。

图1 算法模型

通过随机森林算法建立模型预测源水水质，然后将预测的结果与实际数据进行对比，对模型进行修正，最后使得预测的结果精度不断提高，减小误差。

通过预测模型输出未来一天的水质情况，可以让生产部门提前做好生产安排。

3．2 智能加药模型

基于常态水源水质特征及其时空变化规律，收集水厂里布置的传感器上传的浊度、流量、温度、酸碱度及出水口的浊度等数据，并将这些数据通过LSTM（长短期记忆神经网络） 算法建立加药模型（见图2） ，结合水厂历年工艺运行参数和水质，明确净水工艺运行参数和水质转化之间的规律性，然后将加药模型所计算的数据与实际加药数据进行对比，并不断调整模型，使得两者数据的差别在误差范围之内［6］。最终实现水质达标和节能降耗的平衡，提高了水厂的控制和管理水平。

图2 加药模型

初步筛选影响投药量的各种因素，并使用烧杯法以及数据分析的方式确定各种因素的重要程度，再基于进水口水质、水力数据和出水口的浊度等数据进行建模，训练出投药量计算初始模型。最终通过用新数据对模型的喂养，使模型不断优化迭代，最终达到生产要求。

通过使用智慧加药模型得到的前馈和反馈数据建立神经网络，结合自控平台，能够根据进水水质和出水水质适时调整混凝剂（PAC，PAM） 的投药量（见图3） ，避免人为因素对投药系统的影响，不仅能保证出水水质的稳定，还能削减水厂的制水费用。

图3 加药机理

接下来通过智能加药模型的数据来调控加药量，既节约了成本又提升了效率。

3．3 智能泵组调度模型

智能泵组调度模型的作用就是实现对供水泵房开泵方案的预测。根据水泵的出厂参数（设备参数和性能表） 建立初始水泵性能模型，设定最优因子，使用群体智能算法建立寻优模型，通过出口总管流量监测数据、天气数据（温度、湿度、降水等） 、时间切分（高峰、低谷、平峰）及日期和节假日切分（工作日、休息日、节假日） 等进行出厂水量的预测，依据SCADA 系统获取水泵的功率和转速比数据、水泵出水处的水压与流量、水厂供水总管的水压与流量实现对水泵性能模型和寻优模型进行优化。通过在调度室输入供水水压，智能泵组调度模型根据供水水压测算出最优的水泵组调度方案，发送给PLC 实现整体流程控制（见图4） 。

图4 泵组控制机理

该厂供水泵包含变频泵和工频泵，通过水量预测结合泵组优化调度模型［7］，实时调节水泵的工作组合，会生成具体的水泵工作指令，如：1 号为水泵关闭，2 号为水泵运行且转速比调到0．7，3 号为水泵运行且转速比调到0．8 等。通过这些指令指导水厂供水调度，节约水厂能耗。

4 运营管理系统

运营管理系统是智慧生产运营管控综合平台中的重要组成部分。该系统从高效深度管控管理着手，达到管理流程的自动化、可控制、可追踪，把整个运营管控各环节整合到运营管理系统中，形成更高效缜密的管理模式。该平台中的运营管理系统包含智慧管网系统，营收系统，报装系统，设备资产管理系统，产能分析管理系统，大数据决策管理系统等［8］。

4．1 智慧管网系统

智慧管网系统包含供水调度系统、管网综合管理系统、管网巡检检修系统及手机APP。

4．1．1供水调度系统

供水调度系统包含一张GIS 图、图形监控、综合报警、智能分析。管网监测数据可以通过一张GIS 图实时展示水电仪器运行状态［9］，以及水厂、泵站、管网压力、管网流量、水质等所有在线检测数据。并且GIS 系统还可以接入二次供水、DMA 分区、管网巡检维修以及外业人员监控等数据，通过一张图展示所有数据，为城市地下各类管线系统的精细化管理和深层次的应用提供依据。

图形监控通过图形化（2D 或3D） 的方式展示泵站实时数据，设备运行状态信息，另外可以通过在线视频监控设备，随时随地查看站点运行状况，实现无人化站点值守。

综合报警系统实现系统全方位的报警，以便当管网输配系统发生故障时可以及时处理。

智能分析基于Epanet 水力模型，结合GIS 系统以及SCADA 数据、提供关键节点的实测值与模拟值的比对，实现管网压力、流量的分析。智能分析系统可以根据比对的情况给出警告，以保证供水稳定安全。

4．1．2管网综合管理系统

管网综合管理系统包含管网基础信息统计、管网图层管理、管网分析管理。通过系统的建立实现供水管网的资产统计管理，有效地了解了管网资产整体情况及统计分析工作。同时对于供水管网运营实现态势感知，及时进行爆管预警分析并合理地关闭相关阀门，快速响应维修服务系统。与此同时还可以连动营收系统实现有效的告警和水费减免服务，提升供水服务品质及效率。

4．1．3管网巡检管理系统

管网巡检管理系统由抢维修管理及统计、巡检管理及统计、人员监控组成。通过供水管网安全巡检系统，第一时间掌握供水管网的流量，压力情况，方便预测爆管，及时发现漏处隐患。发生事故时，可以通过供水管网安全巡检系统迅速定位漏损位置，派发任务，提高巡检效率，减少损失，加强人员考核管理［10］。

4．2 营收系统

营收系统通过对水表立户信息、水表查抄信息、在网表管理信息以及收费信息的业务管理，实现与已有营销资源的高度整合和共享。同时，营收系统通过对营销部门业务管理的整体统筹，实现业务流程化、组态化以及辅助决策一体化、智能化。

4．3 报装系统

报装系统包含报装管理、现场勘察、报装审核、设计与预算、工程施工及竣工验收、统计查询等功能。通过系统的建立规范了内部报装管理，实现了业务的快速流转。同时实现对新客户申请接水到安装水表建立档案的信息化的全面控制管理，对新报装客户从始至终对整个过程进行电脑记录和追踪，可简便地从系统中查询到报装进程和负责人员信息。此系统的建成，实现了报装各环节公开、透明、便民的目标。

4．4 设备资产管理系统

设备资产管理系统主要针对设备的台账管理，包含了工艺设备名称、编号、型号、类型、状态及管理人、责任人的划分，同时还包含了备品备件的物资情况、流转流程管理以及运营车辆的管理。

通过对工艺设备（水泵、风机、加药泵、阀门等） 的实时数据运行监测，通过这些数据发现可能存在的故障，然后评估设备的健康状态。同时通过资产方面的管理实现了对维修备品备件、消耗品以及车辆物资的调度、申请、使用情况的全面的信息化管理，提升了管理效率，加强了资产的维护保养的力度。

4．5 产能分析管理系统

产能分析管理系统由水资源分析、能耗分析、药耗分析等数据采集模块和水生产成本统计分析模块组成。通过采集供水量、工艺设备电耗、药耗等实时数据，逐月、逐季、逐年计算水资源、电耗、药耗之间的线性关系，并通过图形直接显示。最后，形成供水量和成本的对比分析，并生成成本和价格趋势对比图，用于指导生产。

4．6 大数据决策管理系统

通过利用集成绩效管理系统、工艺管理系统、能耗管理系统、水质管理系统等，实现对水厂的在线智能管理。而移动客户端的开发也可以让管理人员摆脱地域的限制，实时监测水厂的运行情况并获得相关的水质数据［11］。

通过一系列的数据分析，从生产、管理、调度、考核等方面全方位提升管理效率并可以进行辅助决策及判断。

5 结语

随着生产方式和信息技术的发展以及社会发展的要求，智慧水务生产运营平台的建设得到了逐步的完善。夹江县青衣水厂的生产经营管理利用了最新的信息技术，提高了管理效率和生产水平，确保了供水安全，提高了社会服务效益，实现了供水系统智能化生产经营管理的新目标。另外，该平台的搭建完成并非一劳永逸，海量的数据采集，感知设备的维护与保养给生产运营人员提出了新的挑战：如何有效稳定地保证基础数据的准确采集，如何利用一手的基础数据进一步提高数据分析能力，进而提升供水系统的生产运营管理水平等。这些挑战将是接下来仍需要不断思考和完善的问题。