水工業(yè)的數(shù)字化之路

■ 程 云

智慧就是用最簡單的方式解決問題。智慧水務(wù)應(yīng)該如何實現(xiàn)？是不是將所有的智慧軟件全部買下來，將其疊加安裝就實現(xiàn)了智慧水務(wù)呢？值得思考。

智慧水務(wù)實現(xiàn)“四部曲”

第一步，數(shù)字化的感知。通過傳感器、儀器儀表、智能設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等，對人、物、生產(chǎn)和工作過程，形成充分的數(shù)字化描述。過去數(shù)字化的描述，更多的是針對指標(biāo)，其實，在互聯(lián)網(wǎng)時代將會放大感知，需要對人、對事物以及生產(chǎn)過程都進行數(shù)字化的描述。

第二步，智能分析。數(shù)字化并不只是單純積累數(shù)據(jù)，而是要將數(shù)據(jù)資產(chǎn)利用起來，要對設(shè)備和生產(chǎn)過程建立面向?qū)ο蟮臄?shù)字化模型，通過模型化計算，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的預(yù)測預(yù)判，對已發(fā)生的生產(chǎn)過程和事件，進行復(fù)現(xiàn)和數(shù)字化分析。

第三步，尋優(yōu)決策。在數(shù)字化分析的基礎(chǔ)上，通過尋優(yōu)算法，提供輔助決策，讓決策變得更優(yōu)，而不是依靠人為主觀的管理能力和經(jīng)驗。

第四步，高效執(zhí)行。無論是污水處理工藝的提標(biāo)改造，還是智慧水務(wù)、海綿城市的智慧項目建設(shè)，最終均要通過系統(tǒng)高效執(zhí)行。通過數(shù)字化的感知、面向?qū)ο蟮姆治觥?yōu)決策以及最后的高效執(zhí)行，從而實現(xiàn)智慧水務(wù)的閉環(huán)系統(tǒng)。

智慧污水處理廠七個關(guān)鍵指標(biāo)

“回歸到智慧污水廠系統(tǒng)，如何運用各種智慧化設(shè)備及數(shù)字化的技術(shù)，讓污水處理系統(tǒng)變得簡單聰明，整體實現(xiàn)智慧呢？”智慧污水處理廠具備的七個關(guān)鍵指標(biāo)如下：

（1）系統(tǒng)程控率。全廠所有的設(shè)備控制指令中，由程序自動發(fā)出的指令比例，表征一個自動化系統(tǒng)中非人為干預(yù)或主動控制的頻率。

（2）閉環(huán)連續(xù)運轉(zhuǎn)率。智慧水廠系統(tǒng)正常生產(chǎn)運行后，單個閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠長時間不間斷運行的能力指數(shù)。

（3）控制品質(zhì)達標(biāo)率。智慧水廠系統(tǒng)正常生產(chǎn)運行后，在閉環(huán)控制條件下，衡量其是否達到控制、工藝要求的能力。

（4）控制邏輯冗余率。智慧水廠關(guān)鍵工藝的控制邏輯的冗余備用率、關(guān)鍵控制算法的冗余備用率。

（5）關(guān)鍵設(shè)備冗余率。智慧水廠關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備、PLC、通訊設(shè)備等的冗余備用率。

（6）信息系統(tǒng)高可用性。信息系統(tǒng)的某個服務(wù)節(jié)點（如數(shù)據(jù)庫、WBE服務(wù)）出現(xiàn)故障后，仍能保證系統(tǒng)正常運行的能力指數(shù)。

（7）系統(tǒng)運行安全性。智慧水廠系統(tǒng)在運行過程中，能夠抵御外部非法入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)竊取等行為的能力指數(shù)。

常規(guī)過程控制VS高級控制APC系統(tǒng)

對于智慧污水處理廠，提高每個控制回路的可靠性和工藝精細化控制至關(guān)重要，上海昊滄智慧工業(yè)事業(yè)部（后文簡稱昊滄）有兩大控制系統(tǒng)十分暢銷—常規(guī)過程控制CPC和高級控制APC系統(tǒng)，高級控制和常規(guī)過程控制區(qū)別在于，常規(guī)控制系統(tǒng)只是做到了對數(shù)字化的感知，而高級控制系統(tǒng)高于數(shù)字化感知層面，能實現(xiàn)智能分析甚至尋優(yōu)決策。

舉個通俗易懂的例子，比如昊滄的明星產(chǎn)品“精確曝氣流量系統(tǒng)”，常規(guī)過程控制只是負(fù)責(zé)對曝氣系統(tǒng)進行控制，但是該曝多少氣，指令哪里來？只能靠操作工藝人員的經(jīng)驗技能感知，若外部條件發(fā)生變化，工藝人員必須要重新設(shè)置參數(shù)。而高級過程控制APC系統(tǒng)，不需要工藝操作人員憑著經(jīng)驗設(shè)置參數(shù)，而是通過模型計算，自動感知現(xiàn)場條件變化，下達密令或者指令實現(xiàn)自動決策。

據(jù)了解，高級控制APC系統(tǒng)，它是一個無人或少人值守高級控制平臺，是一套建立在PLC自控系統(tǒng)之上，基于計算機編程高級語言開發(fā)，采用對象化、模塊化、平臺化的設(shè)計方法，能夠處理復(fù)雜數(shù)學(xué)算法和控制邏輯的組態(tài)式開發(fā)平臺，為實現(xiàn)水廠全自動、高可靠、智能化運行提供強大的技術(shù)支撐。

高級控制平臺總體框架

高級控制平臺—全廠工藝模型優(yōu)化

出水水質(zhì)

用戶通過在控制平臺上新建工程項目，定義采集變量、按需選取功能運算塊（FB）或定義程序腳本（Script），配置各項運行參數(shù)等一系列工程建模過程，實現(xiàn)水廠的邏輯冗余控制、工藝優(yōu)化控制、控制回路監(jiān)視、自控性能分析、數(shù)據(jù)趨勢分析和全廠閉環(huán)控制等功能。

將高級控制系統(tǒng)嫁接到污水處理廠，通過自動化的算法，對AVS精確曝氣流量、氨氮、加藥除磷，碳源的投加量、污泥齡優(yōu)化等控制單元進行可靠性的控制，實現(xiàn)自動化的指令，不僅使污水處理廠管理變得簡單輕松，還能有效地改善出水水質(zhì)。

污水廠工藝專家仿真預(yù)測系統(tǒng)（ProSee）

昊滄污水廠仿真工藝“專家”ProSee系統(tǒng)，是根據(jù)特定污水廠的工藝流程定制化建模，能根據(jù)不同的進水、運行條件等工況設(shè)置相應(yīng)的運行方案，通過仿真獲得污水廠在各種工況下的出水和能耗狀況，能為污水廠的工藝優(yōu)化、運行管理提供方案決策，實現(xiàn)出水達標(biāo)和節(jié)能降耗。

其功能及應(yīng)用如下：

（1）適用于多種活性污泥處理工藝及其改良工藝（A/O、A/A/O、SBR、氧化溝）。

（2）實現(xiàn)多種進水條件、運行工況下的模擬仿真。

（3）提供從進水端到最終出水端的各種主要污染物指標(biāo)、KPI指標(biāo)和能耗狀況的仿真結(jié)果，從全局層面了解污水廠的運行狀況。

（4）虛擬儀表和在線實時仿真。

ProSee系統(tǒng)可以通過數(shù)字化的建模，對整個污水廠的控制過程進行預(yù)測預(yù)判，提前預(yù)判未來5分鐘～2個小時的污水廠情況，通過這種預(yù)判，提前避免一些問題的出現(xiàn)。除此之外，ProSee系統(tǒng)還能對水廠能耗感知預(yù)測。

AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)、ProSee污水廠運行專家智能決策系統(tǒng)、NOCS氨氮優(yōu)化與控制系統(tǒng)等一系列昊滄的明星產(chǎn)品，已經(jīng)成功運用于北京、上海、廣州等全國很多省份污水處理廠，也為上海城投、北京排水集團、興蓉集團等大型國有企業(yè)以及知名的全國性水務(wù)集團提供移動化、精細化、數(shù)字化的整體解決方案。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

泵站流量測算

城市排水系統(tǒng)

無獨有偶，城市的排水系統(tǒng)也可以實現(xiàn)智慧化管理，從泵站的輸水到管網(wǎng)容量再到污水的處理和排放。城市排水系統(tǒng)是一個涵蓋管網(wǎng)、泵站、污水廠，地域分布廣，多變量耦合，集合雨水管理、污水處置、內(nèi)澇防汛、優(yōu)化節(jié)能多目標(biāo)的控制系統(tǒng)。放量，溢流點的位置，溢流量等，自動生成排水調(diào)度預(yù)案，從而實現(xiàn)從感知到分析再到輔助決策的整個排水系統(tǒng)構(gòu)建。

從工作方式、工藝控制、運營成本、管理模式四個方面，將傳統(tǒng)污水處理廠和智慧污水廠進行對比，結(jié)果如下：（1）傳統(tǒng)污水廠的工作方式以會議、組織、協(xié)調(diào)電話、人工記錄來工作，而智慧污水廠是以標(biāo)準(zhǔn)化的流程、移動化的作業(yè)、快速定位等來工作。（2）傳統(tǒng)的污水廠需要在廠站配備多人，

應(yīng)用平臺

水利模型調(diào)度

然而，目前城市排水系統(tǒng)現(xiàn)狀并不樂觀：（1）泵站流量不確定、難計量，難以實現(xiàn)流入/泵出平衡，污水溢流風(fēng)險高。（2）泵站水位難以確定合理策略，兼顧污染溢流和無效能耗。（3）蓄洪、排水調(diào)度、定量管理能力不足。（4）分散獨立的簡易水位控制方式，缺乏各級泵站、管網(wǎng)液位、深邃調(diào)蓄、污水廠負(fù)荷的全局調(diào)度協(xié)調(diào)性，應(yīng)對涌流能力弱。

針對城市排水系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，可以創(chuàng)建一張檢測網(wǎng)絡(luò)、一個應(yīng)用平臺，通過泵站流量測算和水利模型的調(diào)度，借助建模提前預(yù)測積水的位置、深度、時間、積水量、泵站的排專崗專用，整體人工成本比較高；而數(shù)字化的污水廠采用了精細化模型調(diào)解現(xiàn)場的容錯和可靠性，使用少人的控制，降低人工成本。（3）傳統(tǒng)污水處理廠憑人員經(jīng)驗進行判斷、準(zhǔn)確性相對低、出水水質(zhì)及指標(biāo)不平穩(wěn)；而智慧污水廠通過精細化調(diào)節(jié)控制，依托智能分析預(yù)測，準(zhǔn)確性高、出水水質(zhì)及指標(biāo)穩(wěn)定。（4）傳統(tǒng)的污水廠管理模式是中控室值班的模式，24小時值班自下而上的匯報式管理；而智慧污水處理廠采用移動化辦公，自上而下進行決策管理。