安科瑞 陳聰

摘要：基于云平臺的智慧水務(wù)強調(diào)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用，挖掘大量高效的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與專業(yè)技術(shù)人品所掌握的知識領(lǐng)域相結(jié)合，并以數(shù)字孿生等直觀表達方式為企業(yè)各個決策部門提供數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。文章提出基于“智慧水務(wù)云平臺技術(shù)"的技術(shù)架構(gòu)體系，并列舉出云平臺在智慧水廠中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合說明了"智慧水務(wù)云平臺"技術(shù)在智慧水務(wù)中的運用價值和意義。

　　關(guān)鍵詞：云平臺；智慧水務(wù)

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(xiàn)狀

　　目前大多數(shù)地區(qū)水處理設(shè)施的運行調(diào)控方式較為粗放，控制精度低，時效性弱，運行成本居高不下。開發(fā)可有效實現(xiàn)水處理設(shè)施穩(wěn)定、低碳、高效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(shè)施和傳感器的實際運行數(shù)據(jù)為依托。這就需要形成針對水務(wù)行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求，以海量數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析、服務(wù)為基礎(chǔ)，建設(shè)支持資源泛在連接、彈性供給和高效配置的開放式云平臺，為集團式水務(wù)企業(yè)提供高效的數(shù)據(jù)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)的價值和意義

　　以水行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為目標(biāo)，構(gòu)建以海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析和服務(wù)體系為基礎(chǔ)，支撐水行業(yè)業(yè)務(wù)能力提升、資源配置的開放式平臺，構(gòu)建水務(wù)行業(yè)生態(tài)體系的核心。其實質(zhì)是通過構(gòu)建實時、高效的數(shù)據(jù)收集和連接系統(tǒng)，構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)的存儲、集成、訪問、分析、管理等開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)?業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標(biāo)準化、軟件化、復(fù)用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的水務(wù)行業(yè)新生態(tài)。

通過云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加上水務(wù)集團多年積累的行業(yè)知識和工藝技術(shù)，結(jié)合智慧化的運營管理理念，推出面向水務(wù)行業(yè)的智慧水務(wù)運營管理平臺，面向地區(qū)水務(wù)集團下屬的水處理設(shè)施，建立“數(shù)字化”應(yīng)用和標(biāo)準化運營體系，實現(xiàn)運營管理能力的深度提升?；谛畔⒘鞯募桑瑯?gòu)建具有"設(shè)備互聯(lián)、數(shù)字集成、智能預(yù)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(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

　　智慧水務(wù)運營管理平臺采用了融合邊緣計算和云計算的基礎(chǔ)架構(gòu)，包括設(shè)備層、PaaS層（平臺服務(wù)層）和SaaS層（軟件服務(wù)層）和模式層。

　　智慧水務(wù)云平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是利用各種通訊方式，對各種設(shè)備、系統(tǒng)、產(chǎn)品進行訪問，對大量數(shù)據(jù)進行收集，并利用協(xié)議變換技術(shù)，對不同來源的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化和邊緣整合。

　　工業(yè)PaaS層是以工業(yè)模型、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務(wù)為基礎(chǔ)的開放平臺。其中，工業(yè)PaaS系統(tǒng)具有三大功能：①通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的處理，使其與工業(yè)機構(gòu)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而建立起對行業(yè)數(shù)據(jù)的分析能力，并對其進行價值挖掘；②將工業(yè)技術(shù)原理、行業(yè)知識、工藝基礎(chǔ)、模型工具等進行規(guī)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通過搭建軟件開發(fā)環(huán)境. 利用微服務(wù)部件、工業(yè)模型及應(yīng)用開發(fā)工具，實現(xiàn)對工業(yè)APP的快速定制。

　　SaaS層針對水務(wù)行業(yè)場景，開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯功能，通過調(diào)用邊緣層和平臺層的微服務(wù)，推動工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識和實踐的模型化、軟件化和再封裝，從而形成滿足不同場景的工業(yè)APP，包括數(shù)字雙胞胎、工藝運行仿真、專家診斷服務(wù)、能耗管理優(yōu)化、運營管理調(diào)優(yōu)與運營咨詢、生產(chǎn)優(yōu)化和智能控制、設(shè)備大修與預(yù)測性維護、監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析等，從而形成智慧水務(wù)云管理平臺的最終使用價值。

2.2平臺數(shù)采/數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

2.2.1數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

　　在水廠側(cè)部署智能網(wǎng)關(guān)，支持前端設(shè)備和傳感器協(xié)議接入，設(shè)備接入?yún)f(xié)議可定制開發(fā)。

　　智能網(wǎng)關(guān)通過5G無線通訊或VPN有線通訊方式將數(shù)據(jù)直接傳輸入云。數(shù)據(jù)傳輸過程中通過VPN 等手段進行安全加密。

　　云平臺端通過標(biāo)準協(xié)議支持更多廠家智能網(wǎng)關(guān)接入，提供接口開發(fā)SDK。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)設(shè)計

　　針對工業(yè)數(shù)據(jù)異構(gòu)性、海量規(guī)模的特點，根據(jù)每種數(shù)據(jù)特性選擇合適的存儲方式，采用數(shù)據(jù)湖技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲方案，滿足了水務(wù)行業(yè)場景下異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)高并發(fā)、高吞吐、低延時、高可用的數(shù)據(jù)使用要求。

3 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺功能和專業(yè)數(shù)據(jù)模型管理，實現(xiàn)工業(yè)實時大數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析

　　對水處理設(shè)施不同種工藝段圖形化展示，可以實時展示每種工藝段中設(shè)備實時狀態(tài)和儀表實時數(shù)據(jù)。提高數(shù)據(jù)反饋時效性，將實時數(shù)據(jù)的變化情況及時展示，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)設(shè)備或儀表的告警時，可實時獲取告警信息，展示給現(xiàn)場操作人員。

關(guān)鍵工藝參數(shù)以趨勢曲線方式展示數(shù)據(jù)實時情況，分析實時數(shù)據(jù)當(dāng)前及過去曲線走勢，可以對同一數(shù)據(jù)指標(biāo)進行環(huán)比和同比數(shù)據(jù)分析，通過分析數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的設(shè)備和儀表運行維護提供數(shù)據(jù)分析支持。

3.2基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)判別和清洗

　　通過圖形化方式展示異常數(shù)據(jù)，通過對異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，延長設(shè)備和儀表使用壽命，降低設(shè)備維護成本。在地圖上看到所有污水廠分布以及在線情況，對異常數(shù)據(jù)進行多維度統(tǒng)計剖析。

平臺可按照各類清洗規(guī)則對大數(shù)據(jù)進行清洗，為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)模型開發(fā)等創(chuàng)造條件四。

3.3基于平臺，整合數(shù)據(jù)、模型、工具，開發(fā)實現(xiàn)智慧水務(wù)的數(shù)字孿生

　　作為水務(wù)集團運行"智慧大腦"的核心模塊，數(shù)字孿生其實質(zhì)是通過智慧水務(wù)將實時數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)與機理模型、BIM模型進行整合開發(fā)，實現(xiàn)物理資產(chǎn)及其運營狀態(tài)的數(shù)字透徹可感知地呈現(xiàn)。

　　結(jié)合業(yè)務(wù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過建模和數(shù)據(jù)挖掘、將數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)預(yù)測、生化分析、控制參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、能效分析等進行深入剖析和可視化展示，結(jié)合各類工況預(yù)測、仿真模擬和控制優(yōu)化等功能，為集團水務(wù)的運營管理提供運營輔助決策，并探索基于云端的實時控制，追求實現(xiàn)高效、穩(wěn)定運行和人工的優(yōu)化利用。

3.4 開發(fā)全套云化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)大集團高效數(shù)字化全業(yè)態(tài)管控模式

　　基于智慧水務(wù)云平臺，部署污水廠運營管理成套系統(tǒng)、供水業(yè)務(wù)運營管理成套系統(tǒng)、水環(huán)境運營管理系統(tǒng)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)、自控專業(yè)化管控系統(tǒng)等運營管理全套云化系統(tǒng)，并基于系統(tǒng)的快速應(yīng)用，探索、實現(xiàn)數(shù)字化"組團式"管理模式。

3.5 基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，結(jié)合平臺實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)解決方案

　　智慧水務(wù)云平臺將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與業(yè)務(wù)理論和經(jīng)驗相結(jié)合，開發(fā)污水生化全流程智能控制解決方案，保證厭氧、缺氧、好氧等各工藝段的工藝環(huán)境；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的合理關(guān)聯(lián)，對水廠進水流量進行預(yù)測，實現(xiàn)智能提升控制；開發(fā)總磷虛擬儀表，實現(xiàn)對生化除磷的預(yù)測和智能加藥控制；基于人工智能及其識別基礎(chǔ)，對活性污泥中的指示性生物進行分析判別為工藝人員提供水廠運行依據(jù)，為水廠運行提供預(yù)判信息。3.6搭建遠程協(xié)助平臺，實現(xiàn)遠程指揮設(shè)備運維模式

部分水務(wù)設(shè)施的運維工作人員缺乏專業(yè)技術(shù)能力，難以獨立開展設(shè)備的日常運維，如對專業(yè)設(shè)備維修等，需要專業(yè)人員遠程指導(dǎo)和實時監(jiān)督。

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)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，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(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)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一套平臺、一個APP實時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

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

4.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息，對電機進行健康診斷和預(yù)防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)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(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、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(biāo)煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構(gòu)，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標(biāo)對標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6電氣安全

①電氣火災(zāi)監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

②消防應(yīng)急照明和疏散指示：根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設(shè)備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)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。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

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

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)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(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(shè)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、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、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，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6 總結(jié)與展望

　　通過智慧水務(wù)云管理平臺的建設(shè)，實現(xiàn)運營大數(shù)據(jù)的收集；利用新一代信息化技術(shù)打破傳統(tǒng)水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強對水務(wù)全業(yè)務(wù)流程的智能化監(jiān)管能力。大數(shù)據(jù)分析開發(fā)出與項目實際條件和工況相適應(yīng)的管理模型和機理模型，建立水務(wù)設(shè)施數(shù)字孿生和專家決策系統(tǒng)，實現(xiàn)運營輔助決策和控制；應(yīng)用智慧化全業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，建立高效流轉(zhuǎn)的運營管理體系，實現(xiàn)一體化、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)智慧化安全管理模式。

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