1水務(wù)行業(yè)智慧化發(fā)展的需求

1.1水務(wù)行業(yè)的智慧化現狀

目前大多數地區水處理設施的運行調控方式較為粗放，控制精度低，時(shí)效性弱，運行成本居高不下。開(kāi)發(fā)可有效實(shí)現水處理設施穩定、低碳、運行的全流程智能控制策略很有必要，而智能控制技術(shù)又要以大量水處理設施和傳感器的實(shí)際運行數據為依托。這就需要形成針對水務(wù)行業(yè)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的需求，以海量數據的采集、匯聚、分析、服務(wù)為基礎，建設支持資源泛在連接、彈性供給和配置的開(kāi)放式云平臺，為集團式水務(wù)企業(yè)提供的數據處理與全流程水務(wù)智能控制策略。

1.2智慧水務(wù)云平臺技術(shù)的價(jià)值和意義

以水行業(yè)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化為目標，構建以海量數據采集、匯聚、分析和服務(wù)體系為基礎，支撐水行業(yè)業(yè)務(wù)能力提升、資源配置的開(kāi)放式平臺，構建水務(wù)行業(yè)生態(tài)體系的核心。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)構建精確、實(shí)時(shí)數據收集和連接系統，構建?業(yè)大數據的存儲、集成、訪(fǎng)問(wèn)、分析、管理等開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現?業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運營(yíng)管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏(yíng)、協(xié)同演進(jìn)的水務(wù)行業(yè)新生態(tài)（見(jiàn)圖1）。

圖1 智慧水務(wù)云平臺技術(shù)的價(jià)值體現

通過(guò)云計算、大數據和人?智能等新?代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加上水務(wù)集團多年積累的行業(yè)知識和?藝技術(shù)，結合智慧化的運營(yíng)管理理念，推出面向水務(wù)行業(yè)的智慧水務(wù)運營(yíng)管理平臺，面向地區水務(wù)集團下屬的水處理設施，建立“數字化"應用和標準化運營(yíng)體系，實(shí)現運營(yíng)管理能力的深度提升?；谛畔⒘鞯募?，構建具有“感知、設備互聯(lián)、數字集成、智能預測"等特征的智能云平臺的運行體系。

2智慧水務(wù)云平臺的技術(shù)體系

2.1系統總體架構設計

智慧水務(wù)運營(yíng)管理平臺采用了融合邊緣計算和云計算的基礎架構，包括設備層、PaaS層(平臺服務(wù)層)和SaaS層(軟件服務(wù)層)和模式層（見(jiàn)圖2）。

圖2 智慧水務(wù)云平臺技術(shù)的價(jià)值體現

智慧水務(wù)云平臺的數據基礎主要是利用各種通訊方式，對各種設備、系統、產(chǎn)品進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，對大量數據進(jìn)行收集，并利用協(xié)議變換技術(shù)，對不同來(lái)源的數據進(jìn)行標準化和邊緣整合。

?業(yè)PaaS層是以?業(yè)模型、數據管理、數據處理、?業(yè)數據分析、?業(yè)微服務(wù)為基礎的開(kāi)放平臺。其中，?業(yè)PaaS系統具有三大功能：①通過(guò)對?業(yè)數據的處理，使其與?業(yè)機構的數據相結合，從而建立起對行業(yè)數據的分析能力，并對其進(jìn)行價(jià)值挖掘；②將?業(yè)技術(shù)原理、行業(yè)知識、?藝基礎、模型?具等進(jìn)行規范化、軟件化、模型化，并將其包裝成可循環(huán)利用的微型服務(wù)部件；③通過(guò)搭建軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用微服務(wù)部件、?業(yè)模型及應用開(kāi)發(fā)?具，實(shí)現對?業(yè)APP的快速定制。

SaaS層針對水務(wù)行業(yè)場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)邏輯功能，通過(guò)調用邊緣層和平臺層的微服務(wù)，推動(dòng)?業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識和佳實(shí)踐的模型化、軟件化和再封裝，從而形成滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的?業(yè)APP，包括數字雙胞胎、?藝運行仿真、專(zhuān)家診斷服務(wù)、能耗管理優(yōu)化、運營(yíng)管理調優(yōu)與運營(yíng)咨詢(xún)、生產(chǎn)優(yōu)化和智能控制、設備大修與預測性維護、監測與數據分析等，從而形成智慧水務(wù)云管理平臺的終使用價(jià)值。

2.2平臺數采/數據存儲架構

2.2.1數據采集方案設計

在水廠(chǎng)側部署智能網(wǎng)關(guān)，支持前端設備和傳感器協(xié)議接入，設備接入協(xié)議可定制開(kāi)發(fā)。

智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)通訊或VPN有線(xiàn)通訊方式將數據直接傳輸入云。數據傳輸過(guò)程中通過(guò)VPN等手段進(jìn)行加密。

云平臺端通過(guò)標準協(xié)議支持更多廠(chǎng)家智能網(wǎng)關(guān)接入，提供接口開(kāi)發(fā)SDK（見(jiàn)圖3）。

圖3 數據采集示意圖

2.2.2數據存儲架構設計

針對?業(yè)數據異構性、海量規模的特點(diǎn)，根據每種數據特性選擇合適的存儲方式，采用數據湖技術(shù)實(shí)現數據統?存儲方案，滿(mǎn)足了水務(wù)行業(yè)場(chǎng)景下異構、海量數據高并發(fā)、高吞吐、低延時(shí)、高可用的數據使用要求（見(jiàn)圖4）。

圖4 數據存儲架構設計

3具體應用場(chǎng)景和應用模式

3.1基于物聯(lián)網(wǎng)平臺功能和專(zhuān)業(yè)數據模型管理，實(shí)現工業(yè)實(shí)時(shí)大數據的采集、監控和分析

對水處理設施不同種?藝段圖形化展示，可以實(shí)時(shí)展示每種?藝段中設備實(shí)時(shí)狀態(tài)和儀表實(shí)時(shí)數據。提高數據反饋時(shí)效性，將實(shí)時(shí)數據的變化情況及時(shí)展示，當現場(chǎng)出現設備或儀表的告警時(shí)，可實(shí)時(shí)獲取告警信息，第?時(shí)間展示給現場(chǎng)操作人員。

關(guān)鍵?藝參數以趨勢曲線(xiàn)方式展示數據實(shí)時(shí)情況，分析實(shí)時(shí)數據當前及過(guò)去曲線(xiàn)走勢，可以對同?數據指標進(jìn)行環(huán)比和同比數據分析，通過(guò)分析數據對現場(chǎng)的設備和儀表運行維護提供數據分析支持。

3.2基于大數據分析技術(shù)，實(shí)現數據判別和清洗

通過(guò)圖形化方式展示異常數據，通過(guò)對異常數據的統計分析，延長(cháng)設備和儀表使用壽命，降低設備維護成本。在地圖上看到所有污水廠(chǎng)分布以及在線(xiàn)情況，對異常數據進(jìn)行多維度統計，剖析。

平臺可按照各類(lèi)清洗規則對大數據進(jìn)行清洗，為數據分析、數據挖掘、數據模型開(kāi)發(fā)等創(chuàng )造條件。

3.3基于平臺，整合數據、模型、工具，開(kāi)發(fā)實(shí)現智慧水務(wù)的數字孿生

作為水務(wù)集團運行“智慧大腦"的核心模塊，數字孿生其實(shí)質(zhì)是通過(guò)智慧水務(wù)將實(shí)時(shí)數據、靜態(tài)數據與機理模型、BIM模型進(jìn)行整合開(kāi)發(fā)，實(shí)現物理資產(chǎn)及其運營(yíng)狀態(tài)的數字透徹可感知地呈現。

結合業(yè)務(wù)和大數據分析技術(shù)，通過(guò)建模和數據挖掘，將數據分析、水質(zhì)預測、生化分析、控制參數優(yōu)化、設備狀態(tài)監測、能效分析等進(jìn)行深入剖析和可視化展示，結合各類(lèi)?況預測、仿真模擬和控制優(yōu)化等功能，為集團水務(wù)的運營(yíng)管理提供的運營(yíng)輔助決策，并探索基于云端的實(shí)時(shí)控制，追求實(shí)現的、穩定運行和人?的化利用。

3.4開(kāi)發(fā)全套云化管理系統，實(shí)現大集團數字化全業(yè)態(tài)管控模式

基于智慧水務(wù)云平臺，部署污水廠(chǎng)運營(yíng)管理成套系統、供水業(yè)務(wù)運營(yíng)管理成套系統、水環(huán)境運營(yíng)管理系統、統?數據管控系統、自控專(zhuān)業(yè)化管控系統等運營(yíng)管理全套云化系統，并基于系統的快速應用，探索、實(shí)現數字化“組團式"管理模式。

3.5基于大數據、人工智能等技術(shù)，結合平臺實(shí)現各類(lèi)業(yè)務(wù)解決方案

智慧水務(wù)云平臺將大數據、人?智能等技術(shù)與業(yè)務(wù)理論和經(jīng)驗相結合，開(kāi)發(fā)污水生化全流程智能控制解決方案，保證厭氧、缺氧、好氧等各?藝段的?藝環(huán)境；利用大數據技術(shù)與業(yè)務(wù)數據的合理關(guān)聯(lián)，對水廠(chǎng)進(jìn)水流量進(jìn)行預測，實(shí)現智能提升控制；開(kāi)發(fā)總磷虛擬儀表，實(shí)現對生化除磷的預測和智能加藥控制；基于人?智能及其識別基礎，對活性污泥中的指示性生物進(jìn)行分析判別為?藝人員提供水廠(chǎng)運行依據，為水廠(chǎng)運行提供預判信息。

3.6搭建遠程協(xié)助平臺，實(shí)現遠程指揮設備運維模式

部分水務(wù)設施的運維?作人員缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力，難以獨立開(kāi)展設備的日常運維，如對專(zhuān)業(yè)設備維修等，需要專(zhuān)業(yè)人員遠程指導和實(shí)時(shí)監督。

結合AR、遠程協(xié)助和機器識別等技術(shù)，配合成套輔助?具實(shí)現遠程實(shí)時(shí)指導系統，針對水廠(chǎng)、村污、鄉鎮泵站的遠程維護和日常巡檢，提供遠程視頻指揮，增強現實(shí)(AR)指導等創(chuàng )新交互（見(jiàn)圖5）。

圖5 遠程指導設備運維模式

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

4.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統

4.4.1 變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

4.4.2 電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3 電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

4.6.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

4.6.4 防火門(mén)監控系統

防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.7 環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.8分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

4.9工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常。

5 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

1.電力監控、電能質(zhì)量、電動(dòng)機管理及配電室環(huán)境監控系統

2.電氣火災監控系統

6總結與展望

通過(guò)智慧水務(wù)云管理平臺的建設，實(shí)現運營(yíng)大數據的收集；利用新?代信息化技術(shù)打破傳統水務(wù)系統的數據孤島，實(shí)現數據共享，增強對水務(wù)全業(yè)務(wù)流程的智能化監管能力。大數據分析開(kāi)發(fā)出與項目實(shí)際條件和?況相適應的管理模型和機理模型，建立水務(wù)設施數字孿生和專(zhuān)家決策系統，實(shí)現運營(yíng)輔助決策和控制；應用智慧化全業(yè)務(wù)管理系統，建立流轉的運營(yíng)管理體系，實(shí)現?體化、組團式管理模式；基于人機協(xié)同的可靠性配套方案，打造固若金湯的水務(wù)智慧化管理模式。

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