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张建奇等 | 澎湃水务 走向数字化转型

www.cechina.cn2021.12.16阅读 2501

  数字化转型大浪涌来,风生水起,企业都在积极探索并履行数字化实践,“荷枪实弹”地进行市场较量。水务作为支撑社会经济发展和推进城镇化建设的重要行业,已经迎来数字化转型的快速发展期。但是,传统水务行业在数字化转型过程中仍存在战略目标不清晰、顶层规划缺失、生产运营管理粗放、信息资源共享困难、业务协同程度偏低等实际问题,而这些问题已成为制约我国水务数字化转型的重要因素。笔者单位长期从事水务自动化与信息化的建设工作,在业务实践中,通过顶层规划,在“数字化——网络化——智能化”三步走的水务数字化转型战略指引下,构建了基于海量数据采集、汇聚、分析与服务的体系,满足了不同客户的多元化需求,助力了传统水务企业的数字化转型,促进了水务行业的高质量发展。
  数字化水务
  在数字化阶段,聚焦数据生产要素,对水源、水厂、管网、水压、水量、水质、二次供水等水务现场相关设备的全生命周期信息进行实时数据感知,并通过建立数字中心实现水务全业务链条数据的汇聚与管理。
  物联网之父凯文-阿什顿在《物联网的真正价值》一书中提到“物联网是一种方式,自动化的去获取全世界的信息和数据,这个世界就是我们通过传感器来收集世界的数据。这个工作并没有停止甚至还要做更多,除非你能把数据变成某种行动,否则数据是没有价值的”。
  笔者单位通过聚焦数据生产要素,对设备全生命周期信息分类控制工程网版权所有,明确水务数字转型过程中最基础的数据源问题。在实践中,采集了水务场景中设备运行状况数据、设备工况数据、设备使用过程中环境参数、设备维修保养记录以及绩效类数据,并补充采集了设备静态属性数据,如设备的出厂日期、合格检查信息等。
  同时,基于物联网统一数据处理功能模块,融合工业库、关系库以及GIS库等多源数据库完成水务数据中心建设。中心的主要功能是汇集、存储从各个子系统提取的数据www.cechina.cn,并向综合应用系统、应用平台提供数据,通过水务数据存储、数据融合、数据分析、数据管理等流程强化水务智慧化分析的大数据支撑,打造高水平的数据共享环境,为水务数字化转型奠定坚实的基础(如下图所示)。

图1 水务数据中心架构

  网络化水务
  在网络化阶段,通过具有自主知识产权的水务物联网信息感知传输功能模块,对水务现场“哑设备”进行网络互联能力改造,解决传统水务网联化程度低、数据大量沉淀等问题,实现设备信息的互联互通与网络化管控。
  笔者单位通过集成具有自主知识产权的水务物联网信息感知传输功能模块控制工程网版权所有,包含物联网网关、节点、NB终端,以及基于5G的边缘智能控制系统,对水务现场供水加压装置、流量测试设备、压力测试设备、水质测试装置等“哑设备”进行网络互联能力改造,实现设备信息的互联互通与网络化管控,激发水务现场设备数据活力(如下图所示),为水务设备的横向数据(不同设备之间的交互数据)与纵向数据(单一设备的历史数据)集中采集与汇聚提供支撑,有力地打通了设备间的数据壁垒,实现了水务现场数据全面感知,在水务数字化转型过程中扮演着承上启下的重要角色。

图2 水务物联网架构图

  智能化水务
  在智能化阶段,运用云计算、大数据、GIS、AI等技术,结合供水数据建模分析、管网空间分析、水力学模型等方式,更加精细、动态及智慧地管理水务系统的整个生产、管理与服务流程,实现水务数据流动与共享,提高决策的科学性、准确性和高效性。
  笔者单位通过推进BIM建模、DMA分区管理、管网漏损分析等技术研究,研制开发了各种管理系统,包括供水管网地理信息系统、水务生产调度智能管理系统、管网巡检系统等,从而构筑了水务价值链,实现了智能感知、智能调度、智能处理、智能预警以及智能服务等多种功能。
  同时,通过大数据和人工智能等数字技术,联通IT层深入发掘处理海量水务数据,揭示传统水务难以展现的关联关系,提升数据利用效能,有效处理管道漏损、信息孤岛严重等水务痛点问题,为多源目标客户在实现水务智能预测、决策支持、精准控制、降本增效等方面提供坚实保障。

图3 数字技术与水务业务深度融合

  以供水管网地理信息系统为例,该系统以ArcGIS平台为基础,以供水管网数据为核心,结合水力学模型,实现管网数据的全面共享、供水管网图文的统一管理、供水管网的专业化分析以及自动化监控,为供水管网规划管理、调度和事故抢修工作提供决策支持。

图4 供水管网地理信息系统架构图

  主线是融合
  贯穿水务数字化转型实践始终的一条主线是OT(现场操作层)与IT(信息服务层)的不断融合:在OT层完成水务现场物理实体的数字化与网络化部署后,在IT层完成水务智慧化管控。为了实现OT与IT的深度融合,针对水务现场数据协议多源异构特点,开展了多源异构数据统一采集接入服务平台产品设计研发。从而可以实现水务现场诸如NB、MQTT、TCP、MODBUS等多源协议数据的灵活配置与统一接入,大大降低了水务OT层数据上传IT层的传输难度,确保现场数据能够灵活、实时以及可靠的传输。
  同时,结合人工智能与大数据等前沿技术实现水务管网漏损智能化预测预警等智慧化运维决策服务等目标,进而完成从传统技术到数字技术赋能,从基于业务流程的局部优化到基于数据的全局优化,从交付传统产品到交付数字化整体解决方案的转变控制工程网版权所有,使得海量水务信息能够进行及时分析与处理,实现了水资源以更加精细动态的方式进行全方位管控。
  实践案例
  陕西、福建、新疆、河南等多地已经开展智慧水务项目,有效地节省了人力成本,降低了设备故障率,显著提升了水质达标率、故障预警率以及时间响应率。
  以陕西省某水务的数字化转型为例。最早该单位各分厂地理位置分散,工艺不一,生产运行、控制、管理、监测、评估各行其是,无法实现信息及时交互和业务流程化生产与管控。为助其更加高效、科学地管理和决策,在“数字化——网络化——智能化”三步走的水务数字化转型战略的牵引下控制工程网版权所有,通过现场数据采集总线技术、工业以太网、5G等无线通信技术以及异构网络与传感组网技术等构建该单位数字中心,实现水务现场设备、水质、水压、流量等数据的统一采集与网络传输功能。同时,结合对该水务单位水厂搭载具备统一监测、工艺管理、设备管理、报表管理、办公OA以及能耗管理系统的水务平台,实现了以污水处理、中水回用业务为核心管理对象,覆盖污水处理全业务过程的污水处理管理服务平台的构建,打通了信息管理网与工业控制网间的数据通道,有效整合了生产数据、管理数据、设备数据等信息资源,为平台使用方各级人员提供生产运行监测、管理、计划、调度、决策等工具,节省人力成本3.6%,设备故障率降低15.2%,运行中断率降低17.5%,能耗降低20.2%,有效提高了生产效率和决策科学性。

图5 陕西省某水务项目

  同样新疆自治区某水务项目,需要解决该单位存在的信息孤岛、人员调度滞后、信息管理不透明、管理效率低等若干问题。这个项目涵盖70公里自流供水主干管网、300公里城市供水支网。
  基于水务数字化转型三步走战略,通过构建水务数据中心以及全覆盖、安全性高的智慧感知与传输网络,实现了水源地、泵站等地的设备工况数据、环境参数的传输,从而完成供水调度、远程水表控等动态监控,切实保障该单位制水供水设施的全面感知与智慧化监控管理。
  另外,通过运用云计算、大数据分析、GIS、BIM、5G、AI以及DMA分区等技术自主研发的GIS平台、大屏监测平台、综合管理平台、手机APP、门户网站、SCADA生产控制系统、营业收费系统、管网漏损预测以及微信公众服务平台等多个子系统,业务覆盖到客服热线、管网巡检、应急维修等多个应用场景,极大的改善了该单位的日常管理流程,显著降低了管网漏损率,提升了生产运营效率,以更加精细和动态的方式管理该单位水务系统的整个生产和服务流程。

图6 新疆省某水务项目

  小结
  中国水资源一直不足,人口占世界人口1/5,水资源仅占全球的7%,全国城市中约有2/3存在供水不足。身处数字化浪潮中,水务转型更是迫在眉睫。而采用三步走数字化转型战略,可以推动中国水务立足本地,更好迎接数字化挑战。
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