智慧水厂发展现状及建设思考

1 智慧水厂概念

自从2010年IBM首次正式提出智慧城市的概念之后，智慧水务作为其中一部分也应运而生。智慧水厂作为智慧水务的基础，近几年来备受关注，但是，关于智慧水厂，目前还没有一个比较正式、描述比较准确的定义。

智慧水厂是以传统的自动化制水技术为基础，通过进一步增“智”，在实现水厂全自动化运行的基础上，通过信息通信技术（ICT）、建模与决策支持系统的集成应用，实现水厂的智慧化运营。在美国，智慧水厂更侧重于“自动化”、“智能化”和“交互性”。

2 智慧水厂发展现状及存在问题

2.1 发展现状

经过几年的发展，业界基本上形成了一个共识，智慧水厂≠全自动水厂/无人水厂。但不可否认，全自动水厂/无人水厂是智慧水厂的基础。

从工业1.0到工业4.0，工厂逐渐通过技术创新不断提高生产力，实现了从工业化、电气化到自动化再到智慧化的发展，水厂的发展也不例外，电、电机、水泵的发明，使水厂能够工业化、电气化，而继电器技术、PLC的发明，则使自动化成为可能。目前，国内不少老旧水厂还走在实现自动化的路上，而一些新建水厂则通过先进技术的应用，已经打造出了初具雏形的智慧水厂，例如深圳光明智慧水厂目前已投入运营，尽管后续还有待完善。

2.2 智慧水厂建设存在的问题

与电力领域相比，水务领域的信息化、智慧化建设一直比较落后，智慧水务是近十年才逐渐受到政府、企业的重视。

目前智慧水厂的建设企业主要有三类，一是大型水务集团，他们拥有强大的资金实力投资信息化系统研发，也非常熟悉水厂运营，但是他们研发的系统通常都是定制化，主要供内部使用；二是传统制水系统制造商，即为水厂建设及设备自控系统施工方，他们了解制水过程，拥有大量的实际经验，但对智慧水厂方面入门晚，信息技术薄弱；三是信息技术公司，这类企业通常掌握的信息化技术较为全面，但缺乏水务专业技术支撑，导致开发的系统有很多功能成为“鸡肋”。

从当前已经建成的智慧水厂来看，通常都存在以下几个问题：

（1）缺少顶层设计：传统的智慧水厂建设往往根据水厂现状进行信息化升级，这样做的优势是可以充分利用现有资源，但缺点在于缺少自上而下的顶层设计，虽然结合当下热门的人工智能、大数据、区块链等技术，但仍然难以实现水厂管理、服务的全面智慧化；

（2）标准不统一：智慧水厂通常由不同企业开发的多个系统组成，每个系统都有自己的标准，不同厂家、不同系统，软硬件难兼容；

（3）为“智慧”而“智慧”：软件智慧化功能很强，但是往往没有结合水厂实际运行模式和软硬件情况进行设计，实用性不强。

3 智慧水厂建设思考

3.1 以实用为核心的智慧水厂系统

从自动化、信息化、数字化概念的发展来看，不同的名称突显的只是不同的技术实现手段，但其应用性的本质是没有改变的。智慧水厂系统的建设必须以实用为核心，根据水厂的实际需求进行建设，在解决行业或企业本身存在的运行、管理难题基础上，深度挖掘大数据价值，通过信息化系统软件和管理软件的高度融合，实现水厂整体的智慧化运营。

3.2 建立统一标准

智慧水厂涵盖生产工艺、运行保障、原材料管理、设备维护、构筑物维护、环境管理、人员管理、安全保障等涉及水厂运行方方面面的一系列系统，这些系统可能由不同的企业开发，因此需要建立统一的数据标准、协议标准、接口标准、通信协议，使所有系统之间的数据可以整合共享，由此组成的智慧水厂成为一个有机整体。

4 智慧水厂建设内容

智慧水厂的建设应从底层的基础硬件出发，向上逐步构建数据处理的智慧大脑，最后通过多个智慧化应用打造一个完善智慧化水厂。

4.1 第一层：自动化

水厂工艺流程自动化：从取水泵站取水通过管网输送到水厂进行加药、混凝、沉淀、过滤、加氯净化处理后，由供水泵房加压输送至供水管网的全过程实现自动化控制，这是实现智慧水厂的硬件基础。

安防自动化：通过周界防范系统、视频安防监控系统、门禁系统、出入口控制系统等构筑的安全防范系统，对水厂建筑群及其内部的人员、设备、区域实现安全防范。

环境自动化：通过构筑物监测系统，实现对水厂温度、湿度、有害气体、设备接点温度、水位、烟雾信号、明火信号等环境数据监测，环境参数超标自动警告及自动排障功能，警情管控、故障定位等功能。通过自动绿化养护系统，利用多种定制化灌溉策略，实现定时智能循环浇灌，感应土壤含水量自动浇水，根据气象数据、土壤蒸腾量调节灌溉制度；通过植物数据库和专家系统后台，提出病虫害防治预案及科学养护建议。

4.2 第二层：智慧大脑

物联网平台：将现代信息技术物联网与水厂深度融合，实现整个智慧水厂从计划、生产、管理、物料、仓储、采购、维修等各个环节所产生的各类数据的集中采集、存储和分析，进而从大量数据中挖掘得到有价值的新信息，从而促进水厂生产管理的创新、提升经营水平和生产运作效率，是实现智慧水厂的数据基础。

智能视频监控平台：采用图像处理、模式识别和计算机视觉技术，通过智能视频分析模块，借助计算机强大的数据处理能力，自动对视频监控画面进行快速高效的分析，判断监控画面中的异常情况，并以最快和最佳的方式发出警报或触发其它动作，大幅提升传统依赖人工检查视频画面的效率和效果。

人工智能平台：基于SPARK机器学习库和TensorFlow深度学习框架，建立高级智能算法，搭建水厂的知识图谱和神经网络结构，让机器有能力“思考”，形成具有智慧决策能力的人工智能大脑。

4.3 第三层：智慧应用

4.3.1 智慧安防

通过人脸识别、车辆识别管理、非法侵入位追踪、无人机巡检、AR眼镜监测、远程在线设备故障诊断处置、重点区域闯入预警构建水厂全面、立体的安保系统，通过云计算、无线覆盖、移动终端、人员识别、人员定位等技术手段，通过事先确定的路线和活动范围，规范人员的活动，并提供照明、通风空调以及说明、讲解、应急联络等服务，保证生产安全、人员安全。

4.3.2 智慧生产

通过对水厂生产过程的数据采集、清洗、存储、分析和输出展现，实现对水厂数据进行远程集中化的水厂运行综合管理，让各级管理人员应能通过系统能够及时、准确、全面、直观的了解和掌握生产状况。

4.3.3 智慧运营

通过建立水厂运行关键绩效指标评估机制，从管理质量、能耗分析、药耗分析、设备运行效率、环境效益、运行工艺参数、绩效考核等多个方面定期对自来水厂的运行管理状况进行综合评定。

4.3.4 智能运维

基于水厂的产生运维需求，定制个性化巡检路径，结合巡检点、设备和传感器实时数据、视频监控、机器人、AR，实现高效运维巡检。

4.3.5 设备资产管理

基于先进的资产全生命周期管理理论，通过核心台账对企业中各类设备及资产的生命周期进行一元化管理，并有机结合历史管理、库存管理、预算管理、统计分析、工作流等功能，提供完整的日常性设备/资产管理平台，同时与IoT及大数据分析等应用技术进行融合对接，实现设备实时状态监控，按需维保，预防性维保等高级别应用。

4.3.6 智能监盘

基于水厂智能化建模手段，将运行规程和安全规程知识化，利用智能知识库协助监盘人员对运行中的各类参数和设备状态进行监测，并根据重要程度依次将异常预警信号呈现给监盘人员。监盘人员可以实时监视水厂各工艺流程、系统、设备的健康状态，查看故障预警、设备健康状态和故障报警信息。

4.3.7 智慧办公

利用云计算技术对办公业务所需的软硬件设备进行智能化管理，通过建立个人办公、公共信息、行政事务、公文流转、知识管理、帮助、系统管理等模块，实现水厂人事管理、财务管理、资产管理、科研管理等信息化和自动化。

4.3.8 智慧环境控制

根据不同设备、不同人员的不同需求，通过对水厂照明、通风、空调等等制定精准的控制策略，并与其他系统的配合，在满足人员的舒适性、设备的安全性等前提下，达到节能、减排、减少污染的目的。

4.3.9 智慧养护

根据气象信息、植物档案信息，通过自动浇灌系统、植物管理系统对水厂绿植实现自动浇灌，并提供养护计划，适时安排施肥、修剪等养护工作。

4.3.10 智慧构筑物监测

针对重要构筑物，建立构筑物健康监测系统，监测构筑物应力、变形、沉降等敏感参数，与设计参数进行比较，实时评估构筑物安全状况。

4.3.11 数字孪生

通过BIM、传感器等技术，搭建一个高度镜像化的数字水厂，通过物理信息系统(Cyber-Phyical System,CPS)，实现物理水厂与数字水厂的交互与融合，从而实现水厂的透明化管理，全面提升管理效率。

5 总结

智慧水厂建设是一项庞大而复杂的工程，需要站在智慧城市的高度，自上而下做好顶层设计，再结合水厂的实际情况，分步完成各个系统的建设，最终实现智慧水厂的目标，而其成熟的标志就是人工干预越来越少。