★深圳市水務(wù)科技有限公司

1　方案目標和概述

1.1　總體概述

洪湖智慧水質(zhì)凈化廠(chǎng)基于“管控一體化”思路數字化、智能化的趨勢發(fā)展，解決廠(chǎng)級設備、生產(chǎn)、安全和運維的疑難問(wèn)題，廠(chǎng)級生產(chǎn)運維管理和能耗監測與節能分析，可實(shí)時(shí)監控分析水廠(chǎng)耗能指標，并對水廠(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計劃、調度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、數據建模分析等進(jìn)行綜合處理。是一個(gè)通過(guò)采用先進(jìn)的管理思維和技術(shù)手段，實(shí)現廠(chǎng)站無(wú)人/少人值守的智能化自動(dòng)控制、作業(yè)和設備全生命周期信息化管理運維，融合人機智慧合作，在保障水質(zhì)安全可靠前提下實(shí)現最佳成本效率。

1.2　主要目標

（1）態(tài)勢全可視

一體化顯示廠(chǎng)站運行情況的全景圖，隨時(shí)通過(guò)移動(dòng)終端、電腦和大屏幕顯示等渠道了解掌握廠(chǎng)站人、事、物的實(shí)時(shí)狀態(tài)和總體態(tài)勢。

（2）事件全可控

事件高效處置，實(shí)現跨部門(mén)、跨區域、跨系統協(xié)作，一旦廠(chǎng)站事件發(fā)生，可以統一調度資源，快速響應，安全有效處置。

（3）業(yè)務(wù)智慧化

平臺提供各類(lèi)豐富完善的服務(wù)功能，使得管理決策者全局掌控運營(yíng)態(tài)勢，不再僅僅依賴(lài)于個(gè)人經(jīng)驗，而是基于融合數據分析、決策支持，幫助管理者及時(shí)作出最佳的決策。

（4）建設實(shí)現全生命周期的設備管理及維修保養體系

通過(guò)綜合設備運行參數監測、設備在線(xiàn)診斷、設備智能評估、設備故障統計分析和預測預警（含視頻智能預防等）、設備巡檢工單（含預防性維護保養工單、整合生產(chǎn)巡檢）等構建廠(chǎng)站設備全生命周期管理體系。

（5）建設敏捷反應集中管控的運行管控體系

通過(guò)數字孿生方式的全渠道集成互聯(lián)展示（電腦、移動(dòng)終端和大屏幕等）、智能融合巡檢、安防視頻、故障報警及診斷、事件流程管理、廠(chǎng)站運行工況、各業(yè)務(wù)KPI計算及各類(lèi)統計分析報表等，構建具有統一的數據資源、業(yè)務(wù)集中管控的廠(chǎng)站信息平臺。

（6）建設保障廠(chǎng)站運行的安全體系

通過(guò)整合電子門(mén)禁、視頻監控、電子圍欄和環(huán)境監測等構建環(huán)境與人員安全體系；應用網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)（工控網(wǎng)絡(luò )隔離、入侵檢測等）、軟件安全技術(shù)（用戶(hù)認證、權限控制、日志與審計等）等構建廠(chǎng)站信息安全保障體系。

（7）形成可復制推廣的水廠(chǎng)（污水廠(chǎng)）數字化產(chǎn)品

開(kāi)發(fā)智慧廠(chǎng)站的全套數字化產(chǎn)品，同時(shí)構建完整的“共享、共創(chuàng )、共擔、共贏(yíng)”合作生態(tài)圈，面向行業(yè)和外部市場(chǎng)進(jìn)行積極拓展。

1.3　功能架構

平臺支持“分公司-集團”兩級部署以滿(mǎn)足“廠(chǎng)站-分公司-集團”三級管理要求，采用云計算超融合架構的模式，能提供靈活的可擴展性，滿(mǎn)足日后用戶(hù)規模及架構的擴充需求。平臺部署架構圖如圖1所示。

圖1 平臺部署架構圖

2　方案介紹

2.1系統結構

平臺主要采用微服務(wù)框架，在設計和建設時(shí)具備良好的擴展性、互操作性，以及與現有系統的兼容性，避免新“異構”系統的出現，減少集成問(wèn)題，降低集成難度。使用微服務(wù)框架技術(shù)將多種應用服務(wù)構建為一個(gè)個(gè)小的自主服務(wù)，每個(gè)服務(wù)都圍繞著(zhù)具體業(yè)務(wù)進(jìn)行構建，能夠獨立地部署到運行環(huán)境中，服務(wù)間采用輕量級通信機制進(jìn)行契約依賴(lài)。通過(guò)構建適合的微服務(wù)框架，滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)的特定需求，實(shí)現組件間的交互，并保證每個(gè)組件可以獨立升級、替換、部署。

平臺實(shí)現了技術(shù)、業(yè)務(wù)、集成和基礎組件的統一化，采用了統一技術(shù)規范和約束、組件化開(kāi)發(fā)框架、統一門(mén)戶(hù)綜合展現、統一數據庫引擎、統一的流程和報表引擎、標準化的業(yè)務(wù)流程、統一的接口服務(wù)等。

平臺基于數字孿生場(chǎng)景化應用的設計理念，以事件驅動(dòng)的形式觸發(fā)相關(guān)的業(yè)務(wù)功能，來(lái)滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求。

業(yè)務(wù)架構圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)架構圖

技術(shù)架構圖如圖3所示。

圖3 技術(shù)架構圖

部署架構圖如圖4所示。

圖4 部署架構圖

網(wǎng)絡(luò )架構圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò )架構圖

洪湖智慧水質(zhì)凈化廠(chǎng)具有以下亮點(diǎn)：

（1）廠(chǎng)站安全可靠

通過(guò)覆蓋全面的儀表、配置高可靠硬件、冗余重點(diǎn)設備及網(wǎng)絡(luò )、冗余工藝控制邏輯、定制智能安全設備、智能識別、精確定位等技術(shù)方式，構建高可靠的水廠(chǎng)自動(dòng)化系統和安防系統，與此同時(shí)，基于水廠(chǎng)智慧管控平臺的數據資源與能力，開(kāi)發(fā)風(fēng)險預判及處置、故障智能診斷、設備預測性維護等智慧應用，有效保障廠(chǎng)站生產(chǎn)運營(yíng)安全、設備自控安全、網(wǎng)絡(luò )及信息安全以及人員安全。

（2）出水優(yōu)質(zhì)穩定

在高可靠的自動(dòng)化控制系統的基礎上，利用工藝優(yōu)化控制軟件從進(jìn)水到出水將污水處理的整個(gè)工藝段進(jìn)行有機整合，對影響污水處理效果的操作參數全面考慮并優(yōu)化，協(xié)同有效控制各工藝段的運行參數，構建全流程智能控制系統，實(shí)現出水水質(zhì)達標率全年高于99.99%。

（3）提高工作效率

自動(dòng)化系統——減少人為干預，遠程操作設備。

安防系統——對安全事件第一時(shí)間做出反應。

運營(yíng)平臺——利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現設備與終端全在線(xiàn)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現內外人員全在線(xiàn)，廠(chǎng)站各系統數據互通，廠(chǎng)站運營(yíng)管理全面在線(xiàn)化。

（4）安全措施

·系統自檢：提前發(fā)現系統隱患和安全風(fēng)險；

·智能消防：滅火設備隨時(shí)可用，消防風(fēng)險提前預警；

·應急指揮調度：一鍵式指揮調度，全系統聯(lián)動(dòng)處置；

·安全用電：智慧分析用電數據，及早處理用電隱患；

·HACCP體系：全面減少和控制水質(zhì)安全風(fēng)險；

·工控安全滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )安全等保2.0要求。

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應用情況

（1）智能投藥：模糊控制，把過(guò)往的實(shí)踐經(jīng)驗轉換為控制規則，可以有效地運用人們在實(shí)踐中得到的經(jīng)驗與知識。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)能力、適應性和容錯性都很優(yōu)越。對非線(xiàn)性時(shí)變系統的調節作用表現良好。在本系統中，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制互相綜合起來(lái)，更加有效地完成了對加藥系統的調節。

（2）三維VR與視頻融合：全局視角觀(guān)察廠(chǎng)區的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

（3）機器人巡檢：節省人工成本、規避運維人員安全風(fēng)險。

（4）實(shí)現設備PDCA閉環(huán)管理及總體閉環(huán)管理。

（5）設備可視化管理。

（6）全天候安全監控：360度布防，安全無(wú)死角。

3.2　社會(huì )價(jià)值

智慧水廠(chǎng)是運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規劃、建設、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式。由此可見(jiàn)，智慧城市的手段是新的技術(shù)，特別是信息技術(shù)，目的是提高規劃、建設、管理和服務(wù)能力。為滿(mǎn)足智慧城市的要求，作為城市重要基礎設施，智慧水廠(chǎng)應該是以應用新一代信息技術(shù)為手段，生產(chǎn)、運行、維護、調度和服務(wù)等全方位、全過(guò)程各環(huán)節高度信息互通、反應快捷、管理有序的高效節能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適水廠(chǎng)。

3.3　技術(shù)的創(chuàng )新與先進(jìn)性

（1）5G在國內水務(wù)行業(yè)的首次應用

5G的低時(shí)延、大帶寬和大連接三大特性，以及網(wǎng)絡(luò )切片和邊緣計算兩大關(guān)鍵技術(shù)可以滿(mǎn)足智慧水廠(chǎng)管理和生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節中對安全性、可靠性和靈活性的需求，實(shí)現設備的精準監控及遠程管理。

（2）全廠(chǎng)全流程智能工藝控制，實(shí)現工藝智慧

智能工藝控制系統立足于傳統的自動(dòng)化控制及監控體系基礎上，運用多種人工智能算法進(jìn)行數據分析給出最優(yōu)化的運營(yíng)策略，從而達到實(shí)時(shí)達標排放、降低運行成本，實(shí)現全流程自動(dòng)閉環(huán)控制，最終實(shí)現少人值守或無(wú)人值守。

（3）廠(chǎng)網(wǎng)河全要素管理，突破廠(chǎng)區限制，整體性提升綜合治理能力

洪湖水質(zhì)凈化廠(chǎng)智慧水廠(chǎng)建設，全面提升了管控手段。系統通過(guò)繪制洪湖水質(zhì)凈化廠(chǎng)上下游流域水質(zhì)、液位、流量等全要素信息以及排水GIS信息圖，全面了解廠(chǎng)區流域內治水治污設施的拓撲關(guān)系及管網(wǎng)實(shí)時(shí)監控信息，實(shí)現廠(chǎng)網(wǎng)河全域數據的實(shí)時(shí)監管，拓展調度廣度。

（4）大數據輔助分析決策，實(shí)現設備預防性維護，提升廠(chǎng)站應急能力

通過(guò)采用數據清洗、數據分析、數據挖掘、數據可視化等一系列針對大數據技術(shù)，以并行處理的方式，找出數據之間未知的、有價(jià)值的規律和聯(lián)系。

（5）BIM三維虛擬現實(shí)顯示，數字孿生，設備設施生產(chǎn)運營(yíng)全面可視化

洪湖水質(zhì)凈化廠(chǎng)直接將BIM成果應用到廠(chǎng)站運營(yíng)運維階段，利用其可視化特性，在管控平臺中加入三維交互式的漫游體驗，將工程實(shí)體場(chǎng)景在計算機中呈現，實(shí)現廠(chǎng)站三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化監控。

3.4　經(jīng)濟性

洪湖水質(zhì)凈化廠(chǎng)基于水廠(chǎng)智慧管控平臺的數據資源與能力，與環(huán)水集團生產(chǎn)調度平臺和廠(chǎng)級自動(dòng)化控制系統互聯(lián)互通及聯(lián)動(dòng)，構建風(fēng)險預判及處置、故障智能診斷、能源優(yōu)化利用、設備預測性維護和績(jì)效評估等的智慧應用，在保障出水水質(zhì)優(yōu)良穩定的情況下實(shí)現水廠(chǎng)運行節能降耗，優(yōu)化管理，提升效益，最終實(shí)現電耗、藥耗降低10%以上，人員減少30%以上。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊