數字水務及其在污水處理(lǐ)廠(chǎng)中的應用探索基礎設施和服務壓力，以及創新意願使得(de)城(chéng)市成爲應用智慧技術(shù)的最佳場所。智慧城(chéng)市将整合物質系統、數字系統和人(rén)類系統，爲市民(mín)創造可(kě)持續、繁榮、包容的發展成果[1]。水資源作(zuò)爲城(chéng)市重要的資源之一，與市民(mín)的生(shēng)活休戚相(xiàng)關。水務行業将直接影(yǐng)響GB/T 33356—2016《新型智慧城(chéng)市評價标準框架》所述的城(chéng)市服務、城(chéng)市管理(lǐ)、公共安全和生(shēng)态宜居等客觀指标，對市民(mín)體(tǐ)驗也具有很大(dà)影(yǐng)響，因此數字化、智能化是建設新型智慧城(chéng)市的重要組成部分(fēn)。與此同時，基礎設施老化、極端天氣的持續增多、城(chéng)市人(rén)口的過度集中，加速水資源短(duǎn)缺，并引發一系列水質及水安全問(wèn)題。面對這些壓力，發展數字水務将有助于促進城(chéng)市水務管理(lǐ)的轉型，并爲行業及消費者帶來(lái)全新變革。 随着 4G 進入規模商用，面向 2020 年(nián)及未來(lái)的第五代移動通信（5G）已成爲全球通信發展熱(rè)點。相(xiàng)比 4G 以人(rén)爲中心的移動寬帶網絡，5G 網絡将實現真正的“萬物互聯”，從(cóng)人(rén)與人(rén)通信延伸到物與物、人(rén)與物智能互聯，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業和領域。 本文在綜合國(guó)内外學者、機(jī)構研究的基礎上，結合國(guó)際數字水務最新報告，對數字水務進行分(fēn)析介紹，并基于 5G 技術(shù)的數字化在污水處理(lǐ)廠(chǎng)中的應用進行探索。 不同業務領域的數字化發展 智慧水務包括水務信息采集、傳輸、存儲、處理(lǐ)和服務，可(kě)提升水務管理(lǐ)的效率和效能，實現更全面的感知、更主動的服務、更整合的資源、更科(kē)學的決策、更自(zì)動的控制和更及時的應對。水務業務可(kě)以劃分(fēn)爲基礎業務、條塊業務以及支撐業務。田雨(yǔ)等人(rén)[2] 認爲四大(dà)條塊業務即防汛業務、水資源管理(lǐ)業務、水生(shēng)态管理(lǐ)業務和水環境管理(lǐ)業務是數字水務建設中最爲重要和最爲迫切的建設領域。四大(dà)條塊業務的數字化都(dōu)是建立在信息感知更全面的基礎之上，各自(zì)發展側重點不盡相(xiàng)同。其中，防汛業務體(tǐ)現在應急預警方面，水資源管理(lǐ)業務體(tǐ)現在資源整合、主動服務等方面，而水生(shēng)态管理(lǐ)和水環境管理(lǐ)業務體(tǐ)現在科(kē)學決策、智能控制等方面。 以防汛業務爲例，随着極端天氣頻發，數字業務可(kě)實時監控洪水發生(shēng)的可(kě)能性和影(yǐng)響，從(cóng)而降低洪水帶來(lái)的傷亡和經濟損失，并爲災後重建提供幫助 ；通過遙感技術(shù)、水利模型等管理(lǐ)雨(yǔ)水徑流和極端天氣事(shì)件(jiàn)造成的城(chéng)市内澇 ；通過傳感器、監控設備等對城(chéng)市排水系統進行聯動調控，防止洪澇災害發生(shēng)。在 2017 年(nián)飓風(fēng)厄瑪席卷佛羅裡(lǐ)達之前，奧蒙德海灘在 5 處可(kě)能發生(shēng)洪災的湖泊上安裝傳感器。當時，傳感器和軟件(jiàn)檢測到暴雨(yǔ)即将來(lái)臨，于是系統提前排水，自(zì)動降低儲水池的水位，而湖泊排水系統上的天氣感應閥門(mén)則在暴雨(yǔ)前自(zì)行啓動，避免一場洪災的發生(shēng)[3]。 數字水務的價值潛力 數字技術(shù)将幫助水務行業自(zì)身(shēn)創造出多種價值，如(rú)：降低運營成本、優化現有資産、提高員(yuán)工(gōng)參與度與生(shēng)産效率等。除此之外，數字水務的應用還(hái)将對用戶及環境帶來(lái)深遠(yuǎn)影(yǐng)響，如(rú)水務公司運營和财務方面的數字化方案都(dōu)将有助于提高用戶體(tǐ)驗（可(kě)參照(zhào)電子賬單推送、線上繳費、網絡報修等服務），污水收集系統的實施數據傳輸、流域傳感器網絡的建立則将減少污染，以最大(dà)的力度保護環境。 市場價值 （1）降低運營成本。數據、傳感器可(kě)實時跟蹤、分(fēn)析大(dà)量的有關能源消耗、化學品使用、運行維護和系統性能的數據 ；資産管理(lǐ)系統和财務跟蹤工(gōng)具可(kě)确定運營成本，提高流程的工(gōng)作(zuò)效率。通過長時間的數據收集與管理(lǐ)，可(kě)得(de)到運營成本基線并進一步判斷未來(lái)趨勢，确保系統以最優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）優化現有資産。 我國(guó)城(chéng)市發展由“增量擴張”向“存量優化”的轉型已得(de)到政府及社會各界的廣泛重視。水務行業作(zuò)爲重資産行業，随着基礎設施建設的完善，如(rú)何通過優化的方式應對基礎設施的老化将成爲今後調整水務結構與功能的重點。以我國(guó)排水管道爲例，截至到 2017 年(nián)底，我國(guó)城(chéng)市排水管道長度總量達到 63 萬 km。其中，超過27 萬 km 排水管網的使用年(nián)齡在 10 a 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(lǐ)還(hái)是更換才能達到功能保障及經濟最優，是目前管道修複工(gōng)程面臨的最直接問(wèn)題之一[4]。預測數據分(fēn)析與決策優化系統工(gōng)具相(xiàng)結合可(kě)以解決此類問(wèn)題。其提出預測性資産管理(lǐ)計(jì)劃用于修複老化資産，優化資産績效。 （3）提高生(shēng)産效率。水務管理(lǐ)具有一系列複雜的數據采集設施，如(rú)流量計(jì)、傳感器、視頻監控等，但(dàn)這些數據複雜而龐大(dà)，運行人(rén)員(yuán)無法将這些數據聯系起來(lái)，識别其中存在的問(wèn)題與隐患。智能監控及分(fēn)析系統可(kě)以統籌不同來(lái)源的數據，收集保存至中央存儲器，經過一系列運算分(fēn)析後以圖表等形式直觀地呈現在運行人(rén)員(yuán)面前，使他(tā)們可(kě)以将精力及注意力集中在系統所反映的異常數據上，提高生(shēng)産效率。除此之外，一些移動終端如(rú)智能收集、平闆電腦的使用，也使員(yuán)工(gōng)更快(kuài)、更輕松地完成工(gōng)作(zuò)，提高工(gōng)作(zuò)中所收集數據的準确性。 非市場價值 （1）增強用戶體(tǐ)驗。爲提高可(kě)持續性，加大(dà)水資源保護力度，水務公司開始制定創新戰略，以便提高消費者參與度，重塑人(rén)們的用水觀念。除此之外，水務公司正在努力打造功能齊全的線上網路(lù)綜合運營系統，全面優化各類服務，包括 ： 抄表、計(jì)費、客戶服務、收款和财務報告等。如(rú)果出現漏水現象，數字水表還(hái)能及時警告消費者和當局，方便當局盡早解決問(wèn)題，減少水資源的浪費。AI 聊天機(jī)器人(rén)等新數字技術(shù)可(kě)随時爲消費者答疑解惑，還(hái)能推送用戶快(kuài)訊，提供用水和節水信息。 （2）降低管理(lǐ)風(fēng)險。風(fēng)險管理(lǐ)是水務行業的重要組成部分(fēn)，對于維護公用系統有效性、公共安全和民(mín)衆信任至關重要，使用先進的數字技術(shù)進行風(fēng)險預測及管理(lǐ)，可(kě)幫助水務部門(mén)或公司發現問(wèn)題并在其變爲公共事(shì)件(jiàn)前采取相(xiàng)應的措施給予應對。以管網漏損爲例，随着數字水務的推進，供水單位獲取越來(lái)越多的數據如(rú) GIS 數據、水質 / 流量 / 壓力監測數據、日(rì)常維護數據等，通過挖掘這些大(dà)數據所蘊含的信息，輔助供水管網的漏損檢測，從(cóng)而降低管理(lǐ)風(fēng)險。 （3）保護人(rén)類及環境健康。公共事(shì)業需要把保護人(rén)類及環境健康放(fàng)在首位，但(dàn)傳統模式由于便捷性差、動态更新不及時、巡檢工(gōng)作(zuò)效率低和分(fēn)析問(wèn)題無依據等造成監管不及、不得(de)當甚至是缺乏監管，所以導緻環境污染事(shì)件(jiàn)頻發。數字技術(shù)爲監管提供手段及依據。以水體(tǐ)、流域爲例，可(kě)通過設置原位傳感器或分(fēn)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(fēn)布、遷移等進行監測及判斷。 數字水務在污水處理(lǐ)廠(chǎng)中的應用探索 國(guó)内、外污水廠(chǎng)數字化現狀 歐美國(guó)家的污水處理(lǐ)事(shì)業相(xiàng)對完善，并結合通信、自(zì)動化、計(jì)算機(jī)等領域的科(kē)研成果，逐步邁向數字化。以美國(guó)芝加哥STICKNEY 廠(chǎng)爲例，其監控系統高度自(zì)動化，控制系統通過計(jì)算對設備及工(gōng)藝進行優化，形成自(zì)動采集、自(zì)動判斷、自(zì)動調整和自(zì)動控制四位一體(tǐ)的運行模式。德國(guó)不來(lái)梅OPPOLZER 的污水廠(chǎng)高度智能化，整個廠(chǎng)區隻有幾個運行人(rén)員(yuán)負責廠(chǎng)區日(rì)常記錄，其他(tā)管理(lǐ)都(dōu)由數據中心的電腦進行控制。亞洲地區日(rì)本污水處理(lǐ)監控技術(shù)較爲突出，其數字系統的特點爲監控系統小型化結合多傳感器融合技術(shù)[5]。 目前，國(guó)内污水廠(chǎng)自(zì)動化程度不高，設備運行通常處于半自(zì)動狀态，例如(rú) ：粗格栅及提升泵房(fáng)的提升處于現場手動控制或上位機(jī)遠(yuǎn)程單純啓停，沒有實現根據污水流量而自(zì)動調節提升泵頻率、也沒有根據提升泵的運行時間控制泵的啓停 ；二沉池的污泥輸送機(jī)及剩餘污泥泵沒有聯動控制系統，緻使工(gōng)作(zuò)人(rén)員(yuán)需根據污泥量的多少控制污泥輸送機(jī)的數量及運行[6]。監控手段以 PLC 監控系統爲主，随着網絡發展，計(jì)算機(jī)與互聯網組成的網絡監控系統開始得(de)以應用，實現遠(yuǎn)程查看(kàn)。目前，随着無線傳感技術(shù)的突破以及無線網絡的成熟，遠(yuǎn)程無線監控成爲新的發展主流，技術(shù)人(rén)員(yuán)将無線傳感器布局在檢測區域，組成傳感器陣列，以無線跳(tiào)躍的方式傳輸信号，進而彙總到網絡節點，再以 GPRS 無線技術(shù)傳輸出去(qù)。 污水廠(chǎng)基于5G 技術(shù)的數字化應用探索 5G 技術(shù)可(kě)實現業務數據本地化處理(lǐ)和接入到移動雲平台，通過邊緣計(jì)算爲污水廠(chǎng)提供服務：爲污水廠(chǎng)提供全生(shēng)命周期管理(lǐ)；爲大(dà)量多樣化異構數據提供優化，提高污水廠(chǎng)計(jì)量、控制、執行、應用的實時性；爲污水廠(chǎng)遠(yuǎn)程控制、設備維修提供依據。 （1）GIS+BIM 技術(shù)應用。通過5G+GIS 技術(shù)污水處理(lǐ)廠(chǎng)可(kě)實現對基礎數據資源的數字化、可(kě)視化管理(lǐ)，将地圖元素和地下空間信息融入到管理(lǐ)系統之中，采用3D 模拟技術(shù)對地下管線進行詳實的展示，切實解決污水處理(lǐ)流程管理(lǐ)中設備和管道隐蔽性強、重疊交叉的問(wèn)題，充分(fēn)體(tǐ)現出輔助決策的科(kē)學性和先進性（見(jiàn)圖1）。通過此聯合技術(shù)的應用，将工(gōng)程階段産生(shēng)的數字化信息貫穿于整個建設管理(lǐ)中，可(kě)解決大(dà)量信息的溝通、協調問(wèn)題，爲設計(jì)、施工(gōng)以及運營單位在内的各參建主體(tǐ)提供協同的工(gōng)作(zuò)基礎，構建基于5G+GIS+BIM 技術(shù)的工(gōng)程建設全生(shēng)命周期管理(lǐ)将是污水廠(chǎng)未來(lái)數字化發展的主要趨勢之一。
2）數據統計(jì)分(fēn)析與雲服務。由于污水處理(lǐ)廠(chǎng)設備較多，數據龐大(dà)，無法通過人(rén)工(gōng)進行分(fēn)析、管理(lǐ)。基于 5G 的綜合信息系統可(kě)提供豐富的設備與控制系統數據接口，能夠與所有主流的集散控制系統（DCS）、可(kě)編程控制器（PLC）、電氣設備（SCADA）等過程控制層的設備和數據平台進行無縫連接，實時采集污水處理(lǐ)過程中的數據，從(cóng)而建立全廠(chǎng)信息數據庫。數據通過 5G 網絡上傳至雲端，雲服務集群可(kě)以實現數據存儲及分(fēn)析，并且通過搭載數據訓練框架與引擎，産出推理(lǐ)模型，從(cóng)而爲運行單位提供更爲靈活有效的決策管控方案。 對于污水處理(lǐ)廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，泵和風(fēng)機(jī)系統是污水廠(chǎng)最大(dà)的能耗組成，其維修成本巨大(dà)。因此，數字污水廠(chǎng)今後發展的重點在于收集設備運行數據，以找到相(xiàng)應的解決方案。統計(jì)記錄污水處理(lǐ)廠(chǎng)内設備運行時主要數據信息，如(rú)：記錄不同時間段電耗情況、不同時間段設備故障次數等信息，可(kě)爲控制運營成本、提高設備合理(lǐ)使用率提供可(kě)靠的數據支持。 對于運行過程，可(kě)針對數據進行實時處理(lǐ)分(fēn)析，确保最佳生(shēng)産效率，優化生(shēng)産流程，減少勞動力以及材料、能源成本。對于設備管理(lǐ)，可(kě)實現狀态數據分(fēn)析、設備運行數據存儲，進行設備預測維護。 （3）虛拟現實與增強現實技術(shù)應用。虛拟現實技術(shù)（AR）和增強現實技術(shù)（VR）技術(shù)在污水處理(lǐ)廠(chǎng)數字化應用中具有廣闊的發展空間，可(kě)通過提供建構築物、設備、管道、線纜等設備的全息圖像，爲員(yuán)工(gōng)開展浸入式場景培訓。此外，還(hái)可(kě)以讓員(yuán)工(gōng)在沒有預先大(dà)量儲存相(xiàng)關知識的情況下，通過可(kě)視化指導對設備運行狀态進行問(wèn)題識别甚至是檢修（見(jiàn)圖2）。同時，結合數據分(fēn)析，實現預防性的設備維護。再結合GIS、傳感器、數字孿生(shēng)技術(shù)，可(kě)以更進一步地生(shēng)成物理(lǐ)系統的運行副本，對污水廠(chǎng)的功能進行模拟，并進行直觀監控，提高污水廠(chǎng)預測性維護及事(shì)故預防能力。
利用 5G 低延時、大(dà)帶寬、廣連接的特性建立雲端服務器，主要負責數據儲存和分(fēn)析處理(lǐ)。 具體(tǐ)功能有 ：負責對傳入數據的分(fēn)析和重構 ；負責存儲設備模型（WRL 格式）和相(xiàng)關文件(jiàn) ；根據采集數據分(fēn)析虛拟場景和真實場景的相(xiàng)對位置，實現坐(zuò)标系的對齊并進行虛拟場景的融合計(jì)算 ；提供二維碼識别、平面目标識别追蹤、3D 剛體(tǐ)目标的識别追蹤等 AR 能力支撐 ；提供各類引擎如(rú) ：3D渲染引擎、腳本引擎、物理(lǐ)引擎等讓 AR 内容渲染效果更加逼真。 結語 近年(nián)來(lái)智慧水務進入新一輪的高速發展期。5G 技術(shù)的突破無疑爲數字技術(shù)的使用提供更爲廣闊的發展空間。在污水處理(lǐ)廠(chǎng)中，5G 技術(shù)通過與GIS 系統、傳感器系統、AR/VR 系統的結合，增強智能化手段的應用廣度和深度，不僅使運行單位及行業管理(lǐ)部門(mén)實時、全面感知污水運行系統中方方面面的信息，而且可(kě)運用雲平台搭載大(dà)數據分(fēn)析訓練引擎，從(cóng)而有效提升水務決策能力及效率，爲運行單位提供更爲靈活有效的決策管控方案。 參考文獻 [2]田雨(yǔ),蔣雲鍾,楊明祥.基于智慧化依賴度的智慧水務建設分(fēn)析模型[J].武漢大(dà)學學報(工(gōng)學版),2014,47(6):760-763. [3] Digital Water-Industry leaders chart the transformation journey[R].2019. [4]周标,董毓良.基于分(fēn)布式傳感器在線監測數據的排水管網安全運行問(wèn)題識别與分(fēn)析[J].科(kē)技創新與應用, 2019(25):1-6. [5]潘錦宇.基于改進神經網絡預測的智能污水處理(lǐ)監控系統設計(jì)[D].青島:青島科(kē)技大(dà)學, 2017. [6]朱萬浩.基于PLC和上位機(jī)的污水處理(lǐ)監控系統設計(jì)[D].廣州:華南(nán)理(lǐ)工(gōng)大(dà)學, 2017. |
