智慧水厂的建设策略探析

万伟 杨卓

摘 要：当前净水厂的建设与运行管理过程存在着系统信息整合亟需加强、巡检管理方式有待升级、业务协同工作开展不到位与科学决策支持工作不完善等问题，物联网、大数据、边缘计算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技术的发展为净水厂的智慧化运行带来技术手段，通过构建多技术应用、技术与业务融合、“人机料法环”全要素打通、智慧管控平台为核心的智慧水厂，可实现水厂的全面及时管理，达到出水达标、决策科学、运维便利、节能降耗、运营增效的业务效果，为城市供排水安全保驾护航。

关键词：智慧水厂;智慧化;建设架构;数据中台;业务中台

中图分类号：TU991.62                            文献标识码：A                                     文章编号：2096-6903（2022）09-0117-03

0引言

水是生命之源、健康之本。净水厂是城市运行的基本保障[1]，具有一定的政府职能，在智慧城市建设的过程中，智慧水厂应运而生。当前水厂在建设与运行管理过程多存在依赖人工、数据孤岛、信息孤岛等问题。虽然当前有各方企业努力探索，推出大量设想、产品及解决方案[2]，但实现智慧水厂的建设仍没有清晰脉络，未形成共识，需顶层规划，探索智慧水厂科学性、系统性、全生命周期建设策略。

1项目工程概况

杭州市城北净水厂工程，选址于杭钢单元（GS16）控制性详细规划用地范围内，320国道西侧，刘文路以东，临一路以南。新建一座设计规模为10万m?/d的净水厂，其中外管线进厂分配井及尾水出厂管线设计规模为20万m?/d。同时在净水厂的前端设污水缓冲调蓄池，有效容积为2万m?。

1.1 水厂建设现状

当前水厂建设主要存在着系统信息整合亟需加强、巡检管理方式有待升级、业务协同工作开展不到位与科学决策支持工作不完善的难题。

1.1.1 系统信息整合亟需加强

很多水厂在早期进行信息化建设时，往往会选择外部供应商购买设备、部署应用软件，导致所建设的信息化系统软件与自身需求匹配程度不高，无法实现二次开发、应用。随着水厂自主研发软件的上线，与原有老旧软件间兼容性较差，在设备运转的过程中无法实现对信息的有效整合，导致数据共享、挖掘与应用困难。

1.1.2 巡检管理方式有待升级

当前，虽然部分水厂已经完成了信息化建设，但其管理方式较传统，未充分利用已建信息化系统。当利用传统巡检作业的方式进行设备管理时，难以实现系统性的实时管控，其实际运维与技术人员自身技术水平相关，存在设备检验时无法针对设备的实际运转状态进行有效处理的情况[3]。此外，由于传统巡检作业基于纸面作业进行数据记录，其人工作业量大、工作效率低，容易造成管理上的漏洞，难以及时分析与利用数据。

1.1.3 业务协同工作开展不到位

水厂各部门开展工作时，其内部应用软件往往只适用于自身内部工作的开展，部门间数据共享实现困难，数据孤岛现象严重。且在信息传递的过程中，各部门只能通过内部通讯软件、电话以及常见的短信进行通讯，这也导致信息传递的及时性和可追溯性变差，无法实现跨部门作业，更不能保证协同业务的有效开展，制约水厂现代化建设目标的实现。

1.1.4 科学决策支持工作不完善

部分水厂已经实现了无纸化办公与自动生产的信息化建设，整体信息功能系统的使用往往都是以信息服务为主，生产调度、水源保护等方面的决策类和统计类系统应用不足，无法为水厂经营生产的科学决策提供助力。除此以外，水厂运行须保证设备的实时监控与应急管理，而当前信息化建设尚未达成此目标，仍需要大量的人力、物力和财力投入。

智慧水厂是充分利用物联网、大数据、边缘计算、5G、BIM、AR/VR等新一代信息技术，通过技术与业务融合方式，将水厂“人机料法环”全要素打通，最终实现以智慧管控平台为核心的数字化运营的水厂，可在解决上述问题的同时，达到出水达标、决策科学、运维便利、节能降耗、运营增效的业务效果，是未来水厂建设与升级的发展方向。

1.2 智慧水厂目标

通过建设智慧水厂，最终实现智慧管控、智慧生产、智慧运营、智慧服务。

智慧管控：使管理者能够实时掌握生产经营状况，以实时管理指令优化底层控制，指导生产，规范业务流程，提高工作效率，降低管理成本。

智慧生产：利用新一代信息通信技术，采集大量的生产数据，并对生产的过程和结果进行深入分析，提升监测、预警、分析研判和综合智能决策能力。

智慧运营：加强水务信息化基础设施、数据资源、原物应用的整合与成果复用，实现全面互联和充分共享，促进业务流程优化升级和业务模型创新。

智慧服务：依托先进技术，将水厂生产运行成果进行对外展示，融入城市高质量公共服务体系，推广智能运行管理模式。

1.3 智慧水厂建设架构

智慧水厂建设构架由上自下分為展示层、应用层、业务中台层、模型层、数据中台层、数据接入层、设施层、连接层与终端层，如图1所示。

展示层：建设展示园区的生产运营、人员、车辆、设备设施、安防、能源、环境、资产等综合态势的大屏软硬件及应用，同时建设领导人驾驶舱（含多角色门户），用于支撑各级管理层的管理需要。

应用层：建设厂区管理系统，实现厂区设备、人、车辆的安全管理;建设自动化控制系统实现生产工艺段的自动化控制;建设生产管理系统，实现生产全过程的运行管理、报警管理、值班管理、水质管理、能源管理;建设运营管理系统，实现人员管理、设备管理、调度管理、安全管理。

业务中台层：建设包含底图在内的GIS平台、GIS服务共享管理平台、GIS服务综合展示平台、BIM系统、工单系统、设备管理系统、视频监控及会议系统、规则引擎及流程引擎系统、AV/VR系统和统一运维管理平台，用于支撑定位管理、生产控制、运行管理、会议等业务更加高效、科学的开展。

模型层：建设工艺仿真及数据模型，实现生产全过程的真实仿真、趋势预测预警，并对仿真模型进行评估分析;建设智能机理模型，实现生产全过程的决策支撑，包括加药、反冲洗、沉淀池控制等，最终实现整体智能运行;建设视频AI模型，提供各种场景长尾算法。

数据中台层：包含数据治理工具、数据治理服务、大数据分析服务、BI报表、大数据平台支撑及数据仓库平台等内容，实现智慧水厂全域级数据全生命周期的管理，用于支撑业务应用、模型分析、AR/VR的大数据平台支撑高效准确运行。

数据业务接入平台：物联网接入平台（IoT平台），包括设备接入、设备管理、数据服务、物联展示、订阅推送、能力开放、用户管理、日志管理、运维监控等内容，用于实现物联网数据的统一接入和管理。

ICT基础设施层：建设混合云平台，对不同业务的实际运行需要提供计算、存储、网络等资源，同时提供云管服务平台，支持混合云的高效管理;对厂区网络资源进行统一的分配和管理，并通过设置安全隔离区、网络管理区等保障厂区网络安全;构建ICT运维体系，实现ICT基础设施的运行监控管理、运维流程管理、资产配置管理，并通过主场服务，实现对水厂运维组织保障能力的提升。

边缘计算层：实现对边缘计算网关的管理，并针对不同应用场景，开发针对性的协议及边缘计算算法模型。

终端层：包含门禁、摄像机、智慧屏和工艺水质数据采集设备等物联终端，实现出入管理、安防管理、智慧办公和智慧运营的需要。

2智慧水厂建设成效

通过智慧水厂的建设策划，为净水厂的生产运行、水质监测、设备管理、自动化运维、安全管理、无人值守提供统一的运维、监控、管理与决策平台，为水务集团辅助分析决策奠定良好的基础，为企业管理、节能降耗、减员增效和精细化管理提供强大的技术支持，打造国内信息化建设标杆。

2.1 智能取水

实现水厂的智能取水。通过智能取水系统实现依据实际总量需求进行取水量的自动调控调节，在取水系统内配以相应的应急投加系统，通过模拟计算投药总量实现预处理，保障取水系统自动工作时能根据水质的不同进行自动处理，确保满足基础供水需求。

2.2 智能给药

实现水厂的智能给药。对于水厂而言，自身在制水过程中必须保证对水质的及时有效调控，加药过程必须匹配水质变化情况。通过智能加药系统的有效应用，建立加药数学模型，布设池底水质感应系统，对水质情况进行实时判断，保证药剂的精确投加。

2.3 智能消毒

实现水厂的智能消毒。当前水厂的消毒工作存在着一定的滞后性，在进行相关工作开展的过程中，就必须要实现对其干扰因素进行有效处理。通过智能消毒系统的应用，根据消毒药品的实际特性進行参数模型的建造，保证多种工艺混合应用，根据模型判断来实现对整体水质的分析，实现科学自动加氯，同时降低氯的消耗，提高消毒效果。

2.4 智能配电

实现水厂的智能配电。通过对水厂总体耗能参数、设备状态以及电能质量参数进行全面的监控分析，保证配电设备正常运转，提升配电系统运转的安全性，通过实现对设备的远程控制，降低运营成本。

2.5 智能监管

实现水厂的智能监管。由于水厂往往建设规模较大且设备众多，单纯依靠人工巡检和监管必然会存在管理死角。通过机械设备路线规划与智能化机器巡检工作的落实，能够保证全天候精确无误的定位巡检，并利用摇杆方式来实现对设备的有效检验。同时搭载检验系统，实现对各设备整体运行情况的全面分析，并通过自动生成检验报告进行数据上传，这样既能够实现满足检验管理的要求，又能够实现在检验的过程中第一时间汇总数据，保证相关管理人员实现对数据的全面实时分析，进而做好后续的保障工作。

2.6 智能预警

实现水厂的智能预警。为保证智慧水厂的建设贴合实际需求，通过对大数据的有效应用结合互联网技术进行软件开发，实现对水质、水量数据的全面监测与收集，利用多维显示来满足监控画面的调控，保证对水质的实时分析与水量的实时监控。当源头水质、水量出现数据异常时，就能通过警报提示帮助工作人员尽快找到问题源头，并实现对其的应急处理。

2.7 数据利用

实现水厂的数据打通。企业业务的支撑平台就是企业的数据中心，同时也是决策和知识中心。通过规范编程语言进行统一化技术构架、优化网络结构，建立数据中心，将现有的人力资源及硬件资源进行有效整合。同时，由于数据中心的可兼容性和开放性，使得与上级数据中心进行数据交换的方式更加便利，从而彻底消除信息孤岛、数据孤岛。

3结语

智慧水厂的建设能够满足智慧城市的发展，所以为了保证供排水企业在未来的发展中能够更加贴合社会的需要，则必须要确保智能化信息化技术的全面应用，这样才能在建设的过程中更加贴合社会的主题。

参考文献

[1] 卫锋.净水厂智慧型生产运行专家平台的构想[J].上海建设科技，2018（2）：93-95.

[2] 陆继诚.从“自动化”到“智慧化”——智慧水厂建设的新思路[J].给水排水，2017，53（11）：1-3.

[3] 徐涛，梁新华，梅春雨.智慧水务信息化系统建设[J].城乡建设，2020（6）：54-55.

[4] 徐伟忠，于红涛，宋鑫峰，等.水厂生产管理智慧化建设实践[J].净水技术，2019，38（S2）：126-129.