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    5G智慧水廠的構建與實施

    2022-08-12 09:19:24創(chuàng)造單位廣州市自來水有限公司北部水廠
    國企管理 2022年7期
    關鍵詞:水務水廠供水

    創(chuàng)造單位:廣州市自來水有限公司北部水廠

    主 創(chuàng) 人:林 立 羅 斌

    創(chuàng) 造 人:敬東明 何元春 何立新 李洪榮 馮冰妍 潘鐵軍 賴源平 張靖雯

    廣州市自來水有限公司創(chuàng)建于1905年10月,發(fā)展至今已成為一家集自來水生產(chǎn)、銷售、服務和多種經(jīng)營為一體的特大型供水企業(yè)。公司設計綜合生產(chǎn)能力519萬立方米/日,供水范圍覆蓋廣州市中心城區(qū)。

    2020年公司供水總量為16.51億立方米,供水服務面積達997平方公里,市政管網(wǎng)長度7274公里,是全國供水總量第二的服務單體。

    近年來,廣州自來水公司加速智慧水務建設,致力推進供水云服務平臺建設,參與大量國家重大科技專項和省市的重點科研項目,取得“國家高新技術企業(yè)”“省級企業(yè)技術中心”“市級企業(yè)技術中心”“省級工程技術研究中心”認定,科技成果顯著。

    黨的十九大以來,為滿足人民對城市供水保障需求,建設安全、便民、高效、綠色、經(jīng)濟、智慧的現(xiàn)代化城鎮(zhèn)水務體系,成為水務行業(yè)發(fā)展大趨勢。在以云計算、5G等為代表的“數(shù)字基建”時代,5G通訊通用技術革命、大數(shù)據(jù)、人工智能為智慧水務插上嶄新的翅膀。

    2019年,公司緊抓時代發(fā)展機遇,深入貫徹落實國家“新基建”戰(zhàn)略部署,以廣州“新城建”試點建設和5G發(fā)展為契機,借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新技術和水務行業(yè)標桿企業(yè)經(jīng)驗,全力搭建集優(yōu)質服務理念、領先技術標準、高效營運經(jīng)驗為一體的智慧供水云平臺,建成廣州市首個5G智慧水廠——北部水廠,打造“廣州模式”的行業(yè)智慧供水規(guī)范,助推廣州建設幸福宜居文明城市。

    一、背景與目標

    (一)實施背景

    1.“5G+”政策支持,智慧水務迎來發(fā)展機遇

    2019年以來,信息技術持續(xù)高效發(fā)展,國家全面推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡、平臺、安全三大體系建設,支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)示范基地建設,建設“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應用先導區(qū),加快培育工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)骨干龍頭企業(yè)。5G與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術融合,并與智慧供水技術深度融合,融智賦能。國務院國資委辦公廳在《關于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的通知》中要求“推動新一代信息技術與制造業(yè)深度融合,打造數(shù)字經(jīng)濟新優(yōu)勢,促進國有企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展”,在頂層愿景、目標和發(fā)展戰(zhàn)略上給出指引方向。廣州市出臺關于加快5G等新型信息基礎設施建設的相關部署,要求把握5G發(fā)展新形勢、新機遇,推動5G網(wǎng)絡建設、應用和產(chǎn)業(yè)協(xié)調發(fā)展,為廣州自來水探索“5G+供水”提供強而有力的政策支持。此外,2021年中國水協(xié)發(fā)布《城鎮(zhèn)水務2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》,提出智慧水務發(fā)展目標和任務、實施路徑與方法,進一步為智慧水廠長遠發(fā)展建設“掌舵”。

    2.國內外水務行業(yè)智慧水務建設現(xiàn)狀及存在問題

    (1)國外智慧水務建設現(xiàn)狀

    在國外,早期發(fā)展的水務公司重點在于部署軟件平臺、新型傳感器與智能水表,數(shù)字化程度高的公司逐步應用VR、大數(shù)據(jù)、人工智能技術,制定智能化方案,提高水務管理工作的能力和水平。

    蘇伊士集團通過與OptimaticsTM公司合作,引進整合OptimizerTM數(shù)字技術,擴展其數(shù)字化解決方案,為用戶提供貫穿于管網(wǎng)設計到運營全生命周期的水務基礎設施優(yōu)化服務,搶占水務創(chuàng)新數(shù)字解決方案制高點;

    新加坡數(shù)字化轉型最終目標是創(chuàng)建一個單一的高效水系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,用水監(jiān)測、污廢水收集和處理、飲用水生產(chǎn)及輸配的所有過程都能在系統(tǒng)級別上得到優(yōu)化,而不是“各走各路”,從而實現(xiàn)高效管理;

    美國IBM公司為哥倫比亞水務局創(chuàng)建了一套監(jiān)督系統(tǒng),實現(xiàn)水務基礎設施的率先維護,使管理工作由被動變主動;

    日本東京都自來水踐行“確保供水穩(wěn)定”“提升地震發(fā)生時的應對措施”以及“可生飲和口感好的自來水”三大供水指導思想。在東京供水長期戰(zhàn)略構想(2020年)中,計劃建設涵蓋供水監(jiān)控、能源優(yōu)化、應急供水、水質管理等關鍵業(yè)務的水務數(shù)字化系統(tǒng),確保東京都自來水制訂的18項具體任務和15個考核指標能得到有效落實。

    (2)國內智慧水務建設現(xiàn)狀

    國內的一些大型水務集團也積極探索數(shù)字化、一體化建設。如北控水務,通過建立“全業(yè)務一體化”的BECloud智慧云平臺,達到對各項目統(tǒng)一管控和標準化管理,有效提高運營能力;重慶水務與阿里巴巴集團合作,共同打造智慧水務大數(shù)據(jù)中心,并計劃在智能客服、智能調度、決策輔助和故障診斷等場景中投入應用;深圳水務聚焦水安全運行、水質量提升和水環(huán)境改善,構建集團化數(shù)字運營管理基礎,融合智能核心技術,驅動業(yè)務流程、運營模式創(chuàng)新,賦能環(huán)境水務產(chǎn)業(yè)升級,構建智慧化水務生態(tài)。在深圳市鹽田直飲水示范工程中,深水集團通過智慧化手段,構建了鹽田直飲數(shù)字化管控系統(tǒng),實現(xiàn)了從“源頭到龍頭”水質安全監(jiān)管一張圖管理,實現(xiàn)了自來水直飲全流程數(shù)字化管控。

    (3)智慧水務建設面臨的問題

    多年來,國內供水運營管理一直在自動化、信息化、智能化中積極探索,然而供水系統(tǒng)復雜、流程長、環(huán)節(jié)多、數(shù)據(jù)信息量大、視頻等非結構化信息利用少等問題,造成管理系統(tǒng)平臺分散,數(shù)字技術賦能業(yè)務的水平偏低,以下問題一定程度制約智慧水務進程:

    一是部分水務企業(yè)缺乏頂層統(tǒng)一數(shù)字化規(guī)劃,各業(yè)務系統(tǒng)建設相對分散,各自為政,制約企業(yè)數(shù)字化轉型效率。

    二是傳統(tǒng)水務運營環(huán)節(jié)和操作流程管理仍顯粗放,部分業(yè)務管理鏈條中存在信息化空白,無法構建全業(yè)務驅動的數(shù)字化平臺,導致難以形成有效協(xié)同以及實現(xiàn)全方位監(jiān)管督辦、立體化管理,智慧水務信息系統(tǒng)不能為企業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展和管理運營提供有力支撐,無法實現(xiàn)企業(yè)各項業(yè)務的規(guī)范化、標準化管理。

    三是水務行業(yè)在新一代5G技術運用、數(shù)字資源挖掘、智慧化管理等方面任重而道遠。傳統(tǒng)的智慧水務信息系統(tǒng)局限于結構化數(shù)據(jù)處理,視頻、圖像識別等非結構化數(shù)據(jù)處理和分析利用不足,制約了數(shù)據(jù)價值的釋放,無法深入地挖掘、分析與應用全息數(shù)據(jù)支撐供水運營智慧化管理場景。

    3.廣州自來水智慧供水發(fā)展,“三步走”邁入黃金時期

    廣州市自來水有限公司的智慧供水發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:

    初級階段是從20世紀80年代到2000年,全國的供水信息系統(tǒng)都是剛剛起步,廣州自來水在該時期主要建設了生產(chǎn)調度系統(tǒng)、水廠生產(chǎn)自動化系統(tǒng),水廠水質監(jiān)測系統(tǒng),管網(wǎng)管理基本沒有信息系統(tǒng);

    中間階段是2000年到2015年,企業(yè)逐步建立多個獨立的業(yè)務信息系統(tǒng),如管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、營業(yè)系統(tǒng)、客服系統(tǒng)、從水源至管網(wǎng)水質監(jiān)測系統(tǒng),初步實現(xiàn)主要業(yè)務信息化管理,但各業(yè)務系統(tǒng)相互獨立,信息煙囪、數(shù)據(jù)孤島導致內部數(shù)據(jù)未打通,大量數(shù)據(jù)處理和利用共享不足,數(shù)字化效能較低;

    “十三五”以來,公司進一步發(fā)展,把各個分散獨立的系統(tǒng)向云端整合,邁進智能化。2019年,與浪潮軟件集團有限公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等方面深入合作,建立全方位、深層次的戰(zhàn)略合作關系,推進公司向數(shù)字化、自動化轉型升級,打造“智慧廣水、情潤萬家”品牌,全面提升企業(yè)競爭力。

    圖1 北部水廠工藝流程

    (二)發(fā)展目標

    在“生態(tài)文明”新發(fā)展理念、“碳中和”遠景目標的指導下,以廣州建設國家重要中心城市和粵港澳大灣區(qū)區(qū)域發(fā)展核心引擎為契機,深入貫徹落實習近平總書記視察廣東時提出的推動“四個出新出彩”實現(xiàn)老城市新活力的重要指示精神,以提高供水保障服務水平、實現(xiàn)區(qū)域優(yōu)質供水為目標,運用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維,加快構建水務數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈,打通“水安全、水資源、水管理、水經(jīng)濟”循環(huán),助力水務行業(yè)運營、管理、服務模式的數(shù)字化升級與創(chuàng)新。

    一是打造以云化部署為核心的智慧供水運營管控平臺,將水廠全流程生產(chǎn)管理業(yè)務集成在統(tǒng)一平臺,構建節(jié)能增效型智慧水廠運營管理數(shù)字化體系,形成基礎設施云化、前端觸點數(shù)字化、業(yè)務在線化、運營數(shù)據(jù)化、決策智能化。

    二是以“工業(yè)+5G”為核心,借助5G網(wǎng)絡、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術,在先進、有效和可靠的智能算法和控制策略指導下,以北部水廠為試點,開發(fā)涵蓋水源到終端的全過程智慧生產(chǎn)管理場景,將生產(chǎn)、運營、綜合管理等場景全面重構,并利用彈性敏捷、高復用的數(shù)字化技術推動公司的業(yè)務模式、組織架構、企業(yè)文化等持續(xù)變革,使廣州自來水公司成為供水行業(yè)數(shù)字化轉型的領軍企業(yè)。

    二、實施辦法

    廣州市國資委在《關于加快推進廣州國資國企數(shù)字化轉型工作的指導意見》指出,要加快建設智慧國資,促進國有企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展。為進一步構筑智慧水廠未來發(fā)展戰(zhàn)略性的新優(yōu)勢,持續(xù)激發(fā)高質量發(fā)展新活力,廣州自來水公司北部水廠主動順應數(shù)字化發(fā)展大勢,系統(tǒng)謀劃、創(chuàng)新舉措,通過搭建“四化融合”體系,切實把數(shù)字化轉型深度融入國資國企改革發(fā)展。

    廣水智造的“四化”,是指以水廠生產(chǎn)全流程自動化控制為基礎,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理業(yè)務集成平臺化,不斷深化5G融合應用,賦能水廠運營管理移動化,構建智慧應用場景,全面推動水廠業(yè)務數(shù)字化管理,引領城市供水高質量發(fā)展。

    (一)生產(chǎn)全流程自動化,管理效率不斷提高

    北部水廠采用先進的自動化控制系統(tǒng),實現(xiàn)從原水到出廠水全流程控制自動化。藥劑投加系統(tǒng)可以根據(jù)原水以及生產(chǎn)過程中水質、水量的變化,自動調節(jié)助凝劑、消毒劑的投加量;常規(guī)凈水系統(tǒng)的反應沉淀池實現(xiàn)了自動排泥,濾池實現(xiàn)了自動運行以及反沖洗;超濾膜系統(tǒng)更是實現(xiàn)了系統(tǒng)自動適配水量,膜組自動清洗,無人值守;排泥水處理系統(tǒng)通過對各工藝段的協(xié)調控制,能自動處理不同原水濁度下的排泥水。通過不斷對生產(chǎn)流程優(yōu)化更新,各凈水工藝協(xié)調聯(lián)動全自動化運行,系統(tǒng)控制更加精準可靠,大大減輕巡檢維護工作量,逐步邁向少人、無人車間的目標。

    1.藥劑自動投加

    在自來水工藝流程中,藥劑投加一直是較難控制的一環(huán)。在絮凝劑投加方面,北部水廠根據(jù)對投加大數(shù)據(jù)的分析以及實驗室的混凝試驗,優(yōu)化得出不同原水濁度下的最佳藥耗,按水量的變化實時調節(jié)投加設備,實現(xiàn)了絮凝劑的準確投加。在消毒劑投加方面,北部水廠考慮包括日照時間、實時水量、過程中的水質參數(shù)等多方面的因素,通過計算實現(xiàn)了前、后消毒劑的全自動投加。

    目前,北部水廠正在創(chuàng)新開展絮凝體(礬花)圖像識別的研究,日后將對投加后的絮凝體的大小、單位數(shù)量、形狀等進行圖像實時分析,通過智能分析計算得出最優(yōu)的投加量,配合精準的數(shù)字計量泵實行精確投加。

    2.排泥水處理系統(tǒng)自動運行

    北部水廠的排泥水處理系統(tǒng)等同于一個中小型的污水處理廠,其工藝包括了濃縮沉淀、上清液回用和余泥脫水外運。

    圖2 北部水廠排泥水處理系統(tǒng)工藝流程

    該系統(tǒng)利用PLC對各工藝環(huán)節(jié)協(xié)調控制,能夠適應不同時期原水濁度變化而導致的排泥量增減。系統(tǒng)安裝了多個濃度計對濃縮沉淀的效果進行監(jiān)測,精準控制脫水前的泥水濃度,使脫水機運行在最優(yōu)工況,確保脫水后的泥餅保持在含固率30%以上。經(jīng)計算,泥餅含固率由平均20%提升至30%,泥餅體積減量約1/3,每年污泥外運費用減少約200萬元。因實現(xiàn)了全自動控制,無需人員參與運行,大大降低了運行維護成本;而且使指令執(zhí)行更及時準確,目標控制更加精準,系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定,滿足生產(chǎn)廢水零排放。

    3.超濾膜系統(tǒng)無人值守

    北部水廠擁有全國最大規(guī)模的單一膜處理車間,一期日最大產(chǎn)量達60萬立方米。超濾膜系統(tǒng)共有40個膜堆,分4組獨立運行,每組均配有物理清洗系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)、膜完整性檢測系統(tǒng),另外還有共同使用的提升系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、配藥系統(tǒng)及中和系統(tǒng)。

    北部水廠超濾膜的自控系統(tǒng)共設5個PLC控制主站和52個PLC控制子站。主站采用具有雙CPU雙網(wǎng)絡的冗余PLC,搭建一個雙層工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),并結合多種通信技術,實現(xiàn)中央監(jiān)控管理系統(tǒng)上位機集中統(tǒng)一監(jiān)控。通過中央監(jiān)控管理系統(tǒng),集成過程監(jiān)控、報警功能、趨勢功能、報表系統(tǒng)、用戶管理等功能。借助自動化手段,實現(xiàn)了超濾膜系統(tǒng)運行無人值守,不斷為應急處理提速,提升企業(yè)經(jīng)營效率。

    (二)數(shù)據(jù)、業(yè)務平臺化,多維度提升智能決策

    結合生產(chǎn)管理實際,北部水廠整合資源、統(tǒng)籌規(guī)劃,在現(xiàn)有的自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)基礎上,通過云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術,搭建智慧生產(chǎn)管理云平臺,借助應用MDA的建模開發(fā)理念,構建統(tǒng)一開發(fā)平臺、統(tǒng)一業(yè)務支撐平臺、統(tǒng)一移動平臺,實現(xiàn)了水廠管理全流程數(shù)據(jù)集中、業(yè)務統(tǒng)一集成,推動水廠管理從信息化到智能化再到智慧化的躍升。

    圖3 北部水廠超濾膜處理車間

    圖4 北部水廠智慧供水云平臺

    圖5 工作人員借助AR設備和App巡檢

    圖6 5G終端記錄設備現(xiàn)場情況

    北部水廠智慧生產(chǎn)管理平臺利用云技術,以生產(chǎn)調度控制、水質全流程管理、設備全生命周期管理為主線,將水廠ERP(包括計劃經(jīng)營、財務資產(chǎn)、供應鏈、人力資源、協(xié)同辦公、黨政工團管理、風險控制等)等系統(tǒng)資源進行有機的串聯(lián)和整合,完成廠內各生產(chǎn)要素之間的數(shù)據(jù)打通,全面重構生產(chǎn)管理各業(yè)務系統(tǒng),實現(xiàn)各業(yè)務流程的聯(lián)通、業(yè)務的統(tǒng)一集成。水廠智慧生產(chǎn)管理平臺如同水廠大腦,通過匯集生產(chǎn)大數(shù)據(jù),實現(xiàn)分析預警、輔助決策,進一步提升水廠經(jīng)營管理水平。

    1.生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時綜合監(jiān)控

    傳統(tǒng)水廠的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)集合了監(jiān)測、控制、報警等功能,一般需要通過多個界面,呈現(xiàn)多重信息,當設備發(fā)生故障報警時,值班人員需要頻繁切換界面查看,故障處理的效率并不高。為此,北部水廠自主開發(fā)了自動化綜合監(jiān)控平臺系統(tǒng),對生產(chǎn)過程中超過10萬個數(shù)據(jù)清晰記錄。通過生產(chǎn)報表對龐大的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫進行計算和挖掘分析后,實現(xiàn)對廠內的生產(chǎn)流程、重要設備的運行狀況進行監(jiān)控,并可根據(jù)系統(tǒng)設定的故障等級劃分,對生產(chǎn)異常情況進行實時報警。

    2.生產(chǎn)能耗優(yōu)化管控

    通過大數(shù)據(jù)實時對比分析供水量變化對生產(chǎn)成本和物耗、電耗等的影響,云平臺自動調整生產(chǎn)計劃,使系統(tǒng)在最優(yōu)設計工況下運行;平臺可聯(lián)動管網(wǎng)最不利點的壓力,結合大數(shù)據(jù)綜合分析用戶情況、季節(jié)影響、周邊工程和搶修等因素,計算壓力控制的最優(yōu)值。通過水廠調頻控制使出廠壓力始終動態(tài)穩(wěn)定在合理水平,實現(xiàn)水廠夜間壓力優(yōu)化控制是確保供水安全和能耗優(yōu)的雙重目標。

    3.生產(chǎn)設備全生命周期管理

    云平臺配置的設備采購、到貨、安裝、巡檢、運維、改造、報廢等全生命周期流程,將水廠的設備資產(chǎn)全生命周期數(shù)據(jù)在線管理。通過大數(shù)據(jù)分析評估設備資產(chǎn)健康情況,輔助設備管理決策。例如通過日常巡檢大數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)自動生成并分發(fā)維修任務,并跟蹤任務執(zhí)行,任務完成后形成設備故障維修記錄臺賬,根據(jù)預先設定的設備使用年限,系統(tǒng)經(jīng)過對設備維護保養(yǎng)、維修數(shù)據(jù)分析后,將會對設備的更新改造和報廢作出提醒,并輔助制定設備更新改造以及報廢計劃。

    4.倉儲物料全流程管理

    云平臺構建云上物料管理模塊,借助二維碼技術,實現(xiàn)物料到貨、收貨、現(xiàn)場核驗全流程的跟蹤掌控,通過物料儲存、使用信息反饋優(yōu)化控制物料倉存,提升物料閉環(huán)管理效率,實現(xiàn)物料數(shù)字化管理。

    (三)前端管理移動化,培育數(shù)字水廠新模式

    5G融合應用是促進經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型的重要引擎。聚焦供水云平臺建設關鍵環(huán)節(jié),借力新基建契機,廣州市自來水有限公司與廣州聯(lián)通強強聯(lián)合在北部水廠成立“5G+智慧”供水實驗室,推動5G等新型技術與城鎮(zhèn)供水業(yè)務深度結合,打造廣州智慧供水“新名片”,為北部水廠“5G+水務”建設提供強而有力的保障。借助5G技術的優(yōu)勢,北部水廠在傳統(tǒng)管理的固定終端基礎上,挖掘移動化終端的潛力,開發(fā)移動業(yè)務提高水廠管理的效率。

    (1)移動設備巡檢

    以往生產(chǎn)管理、設備管理都是先發(fā)現(xiàn)再處理的模式,對于突發(fā)情況以及故障的發(fā)生有嚴重的滯后性。北部水廠利用5G技術,借助基于5G的可穿戴設備、移動終端,研究拓展生產(chǎn)巡檢移動化,將水廠管理前置。通過設備定位、設置巡檢路線及巡檢標準,云平臺將根據(jù)巡檢計劃自動生成巡檢任務,巡檢人員認領任務后,借助巡檢App對設備設施開展巡檢,利用5G高速率、低延時、大容量的通訊技術,及時把設備現(xiàn)場可視化圖像信息第一時間上傳到云平臺,用于開展設備大數(shù)據(jù)分析。

    (2)5G巡檢無人機

    除了人員移動巡檢,北部水廠拓展無人機巡檢應用,在設定的巡檢路線上,工作人員可在智慧生產(chǎn)管理云平臺上,實時控制無人機飛行高度、高清攝像頭狀態(tài),彌補人工巡檢無法覆蓋的盲點區(qū)域,通過無人機將巡檢過程高清影像流暢回傳至調度中心,解決人工巡檢時無數(shù)據(jù)留存的技術難點,提升多維度聯(lián)動能力。

    此外,北部水廠正在積極探索無人機的多機協(xié)同自主巡檢以及在地面機器人的配合下開展多架無人機自主巡檢,搭建立體巡檢試驗框架。未來,5G無人機在水廠運營管理的應用,必將引領跨越式發(fā)展。

    (四)智慧場景多元化,深度融合5G新技術應用

    立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念,北部水廠以“上云、用數(shù)、賦智”為重點突破口,拓展智慧供水領域的廣度和深度,借助5G技術、大數(shù)據(jù)技術、AR技術、互聯(lián)平臺等技術基礎,不斷深化智慧場景應用。

    1.智慧安防

    面對復雜多變的國際防恐形勢,城市供水安全保障是防恐工作中的重要環(huán)節(jié),關系到維護社會穩(wěn)定、保障民生安全、提升人民幸福感的高度。水廠作為供水過程中一個重要的生產(chǎn)單位,防恐要求及安全生產(chǎn)保障尤其重要。

    圖7 北部水廠利用無人機巡檢

    圖8 北部水廠智慧安防系統(tǒng)界面

    圖9 當發(fā)現(xiàn)人員闖入立即發(fā)出警報

    圖10 周界安全防控實時分析定位闖入人員軌跡

    北部水廠聚焦“防入侵、防盜、防事故”三大關注點,重點面向“人、物、地、事、組織”中的人員管理、車輛管理、區(qū)域管理、事件處置等業(yè)務,整合安防、調度、人流、設備、環(huán)境、事件等系統(tǒng)數(shù)據(jù),針對廠區(qū)的安全風險控制重點構建智慧安防場景應用。

    (1)廠區(qū)安全綜合態(tài)勢感知

    北部水廠利用GIS和可視化技術,對廠區(qū)環(huán)境進行數(shù)字建模,呈現(xiàn)廠區(qū)虛擬結構,匯集視頻、門禁、報警、停車場、辦公等數(shù)據(jù),構建智慧樓宇體征指數(shù),形成運行評估體系。對重點區(qū)域的進出人員、車輛、重要設施狀態(tài)等的運行情況進行集中呈現(xiàn),及時研判、發(fā)現(xiàn),防止異常事件發(fā)生。

    (2)生產(chǎn)區(qū)域周界安全防控

    傳統(tǒng)水廠安防系統(tǒng)注重周界入侵報警,沿廠區(qū)圍墻布防可調頻主動紅外對射探測器,當防區(qū)有入侵報警時,監(jiān)控室報警主機和現(xiàn)場聲光報警器一并發(fā)出報警,同時現(xiàn)場投光燈照亮相應圍墻段和聯(lián)動相應攝像槍進行取證,對未經(jīng)允許人員進入時發(fā)出報警。

    北部水廠在此基礎上,對廠區(qū)進行細分區(qū)域管控,構建了“區(qū)域防控應用場景”,即在綜合泵房、沉清疊合池、砂濾池、超濾膜車間等重要生產(chǎn)區(qū)域外圍部署多路視頻監(jiān)控,劃分電子監(jiān)控區(qū)域邊界。通過人工智能AI算法平臺分析運算,實現(xiàn)攝像槍監(jiān)控范圍內對人臉、人體、車牌、車型的檢測和識別能力,通過設置黑/白名單對進出人員進行識別管理,在重點生產(chǎn)區(qū)域發(fā)生未經(jīng)允許人員入侵報警后,自動抓拍人臉并上傳到平臺,對布控區(qū)域內入侵行為和意外事件實現(xiàn)快速感知和高效處理。

    (3)高壓線限高區(qū)域安全防控

    廠區(qū)內有架空高壓線穿越,存在車輛超高意外觸碰高壓線的安全風險,為防止這類安全事故發(fā)生,水廠構建了“限高預警”應用場景。通過在車輛進廠時進行圖像識別,測算車輛高度并回傳調度中心,若車輛超過安全高度,報警系統(tǒng)及時啟動,對車輛進行安全提醒,避免高壓觸線風險。

    2.AR遠程診斷

    基于AR技術,北部水廠構建了“遠程診斷”應用場景,當工作人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設備異常,可實時連線專家,通過語音視頻通訊、AR實時可視化標注進行實景互動、遠程指導,第一時間制定解決方案,減少時間成本,迅速解決現(xiàn)場問題,進而提高水廠生產(chǎn)、維修、培訓等工作效率。AR遠程診斷場景的應用可進一步優(yōu)化整合企業(yè)的技術、維修人力資源,降低人工成本;還可在因新冠肺炎疫情封閉區(qū)域內,人員進出限制的情況下,實施遠程作業(yè)指導輔助,具有較廣泛的應用價值。

    三、主要創(chuàng)新點

    北部水廠以國企數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型發(fā)展為契機,以“上云、用數(shù)、賦智”為重點突破口,構筑智慧水廠發(fā)展戰(zhàn)略新優(yōu)勢,在傳統(tǒng)水廠的基礎上,通過部署工業(yè)以太網(wǎng)、有線互聯(lián)網(wǎng)、5G移動網(wǎng),支持“自動化、平臺化、移動化、場景化”相互融合,協(xié)同多系統(tǒng)、協(xié)調多部門,多維度提升智能決策,不斷提高管理效率,培育數(shù)字水廠新模式,激發(fā)智慧水務高質量發(fā)展新活力。

    (一)創(chuàng)新應用5G技術,構建“三網(wǎng)交互”支撐網(wǎng)絡,實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互融合

    數(shù)字化建設依托三大基礎網(wǎng)絡部署,包括工控網(wǎng)絡、有線互聯(lián)網(wǎng)、5G移動網(wǎng),“三網(wǎng)交互”為實現(xiàn)“四化”融合提供高效、便捷、安全的重要基礎保障。工控網(wǎng)絡滿足實現(xiàn)生產(chǎn)設備PLC、控制設備、執(zhí)行設備和傳感設備等多樣現(xiàn)場傳感設備的互聯(lián)和控制;有線互聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)在廠區(qū)場所范圍內固定終端的的連接,實現(xiàn)內部管理信息的有效互通;5G通訊網(wǎng)絡是新一代的通訊技術,具有高帶寬、低延時、廣連接的優(yōu)勢,應用于移動管理場景,催生更多的管理價值。

    創(chuàng)新應用5G技術在國內走在前列,依托大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、邊緣計算等新技術結合,將基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的水廠信息化管理側重于數(shù)字分析、平面化向實現(xiàn)圖像識別分析、立體化拓展,讓現(xiàn)場信息采集從“看得見”向“看得快”“看得清”轉變。目前,北部水廠在智慧安防、無人機巡檢等方面應用了5G技術,在5G網(wǎng)絡的支持下,無人機響應速度明顯提升,高清視頻和圖像實時傳輸?shù)焦芾砗笈_,有效提升水廠生產(chǎn)全流程管控水平和業(yè)務管理水平,大大減少了巡檢中人力成本的投入。未來,“5G+”技術還將不斷深入創(chuàng)新應用于生產(chǎn)各環(huán)節(jié)。

    (二)創(chuàng)新應用“四化”融合,構建廠區(qū)數(shù)字化管理體系

    智慧水廠數(shù)字化管理體現(xiàn)在四個層次,第一層,在線連接人、設備和流程,采集關鍵節(jié)點數(shù)據(jù),能夠秒級感知發(fā)生了什么;第二層,實時歸因分析,秒級獲知事件發(fā)生的原因;第三層,通過模型預測事件變化趨勢;第四層,能夠自動采取應對或決策。北部水廠積極探索數(shù)字化在供水管理全流程全周期的深度應用,通過“四化”融合(自動化、平臺化、移動化、場景化),促進實現(xiàn)數(shù)字化管理的四個層次,逐步達到“管控全面升級(成本更優(yōu))、業(yè)務協(xié)同高效(效率更高)、應急敏捷響應(安全可控)”的數(shù)字化管理目標。

    1.自動化——生產(chǎn)一體化自動控制,夯實水廠數(shù)字化管理的基礎

    北部水廠作為設計規(guī)模達150萬立方米、擁有國內最大規(guī)模單一膜處理車間的南方超大型水廠,已建成基于PLC和生產(chǎn)監(jiān)控的工藝全流程自動化控制系統(tǒng),并為企業(yè)決策和實施提供強大技術支撐。

    圖11 高壓線限高區(qū)域安全防控

    圖12 AR遠程診斷

    圖13 智慧水廠數(shù)字化管理四個層次

    針對系統(tǒng)規(guī)模大、水質數(shù)據(jù)監(jiān)控點數(shù)多、控制復雜等特點,北部水廠應用多種通訊技術,揉合多種工業(yè)總線,實現(xiàn)了不同設備、不同子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,達到真正意義上的一體化控制。從取水泵站取水通過管網(wǎng)輸送到水廠進行加藥、混凝、沉淀、過濾、超濾膜處理后,由供水泵房加壓輸送至供水管網(wǎng)的全過程,實現(xiàn)自動化控制,為水廠數(shù)字化管理提供強有力的硬件基礎。

    2.平臺化——數(shù)據(jù)、業(yè)務云化構建,打造水廠數(shù)字化管理的中心

    以往水務企業(yè)的信息系統(tǒng)構建方式,是以人、財、物、事各業(yè)務線獨立建設業(yè)務系統(tǒng)為主,針對業(yè)務煙囪的問題采用數(shù)據(jù)總線等解決數(shù)據(jù)共享,但存在數(shù)據(jù)版本難以統(tǒng)一、數(shù)據(jù)更新不及時等問題。北部水廠立足企業(yè)信息化基礎,應用MDA的建模開發(fā)構建了廣州智慧供水云平臺。平臺構建核心在于“云”的思維,利用云平臺高可靠、高擴展、多組件等特性,所有的業(yè)務通過統(tǒng)一開發(fā)平臺進行建模,實現(xiàn)協(xié)同辦公、財務、人力、生產(chǎn)管理、項目管理、物料管理等系統(tǒng)資源有機的串聯(lián)整合,完成水廠各要素之間的數(shù)據(jù)打通與連接,降低信息在傳遞過程中產(chǎn)生的信息損耗與信息失真,實現(xiàn)減少層級、提升效率、降低成本的數(shù)字化管理目標。

    3.移動化——管理決策層次扁平,助力水廠數(shù)字化管理的效率

    前端管理移動化有助于決策權向前線人員轉移,讓離現(xiàn)場更近的人調配資源,從而減少管理層次,提高效率。北部水廠通過構建移動統(tǒng)一平臺,將原先固定應用端的業(yè)務功能發(fā)布到移動應用平臺,實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的移動查閱、生產(chǎn)業(yè)務的移動處理等,數(shù)據(jù)可及時獲知,現(xiàn)場情況可及時反饋,業(yè)務指令可及時下達至現(xiàn)場,工作效率大為提升。隨著管理移動化的不斷深入探索,未來,工作人員可借助增強現(xiàn)實、并行三維可視化等現(xiàn)代前沿移動人工智能技術,實現(xiàn)海量信息的快速檢索,現(xiàn)場達到人機一體。

    4.場景化——構建智慧應用場景,實現(xiàn)水廠數(shù)字化管理的推廣和深化

    管理場景化通過將水廠每一類業(yè)務的管理目標、管理要素、管理流程、業(yè)務模型等進行匯集,提煉形成各類管理場景,再在云平臺開發(fā)形成相應的應用模塊,由此真正達到智慧化管理落地推廣。

    北部水廠目前已構建的智慧應用場景包括“AR遠程診斷”“設備生命周期管理”“智能安防管理”,在國內水廠管理中走在前列。處于研究開發(fā)階段的“基于絮凝體(礬花)圖像識別的投藥控制優(yōu)化場景”“基于標識解析的關鍵物料追溯、供應鏈管理等集成創(chuàng)新應用場景”“應急事件處置場景”更具有創(chuàng)新的價值。未來,北部水廠還將深入研發(fā)更多的智慧應用場景,包括水下探測、工業(yè)AR等技術在水廠生產(chǎn)管理的新融合應用等,各類應用場景可以提煉形成通用的示范模塊,通過云平臺的可擴展、可復用、可共享的特性,實現(xiàn)向其他水廠推廣應用。

    四、實施效果

    (一)經(jīng)濟效益

    1.廠區(qū)能耗下降

    通過數(shù)據(jù)平臺匯集生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)在線設備監(jiān)測數(shù)據(jù),建立專家數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)智能化自動投加、超濾膜、排泥水系統(tǒng)運行優(yōu)化,有效降低了生產(chǎn)電耗,節(jié)省生產(chǎn)電費約170萬元/年,節(jié)省原材料成本約200萬/年,節(jié)省水資源費約190萬元/年。

    2.節(jié)約管理成本

    北部水廠形成高度智慧化及自動化作業(yè)后,每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是自動化控制的,進一步優(yōu)化值班崗位結構,減少值班人員,節(jié)省人力成本約180萬元/年。

    (二)社會效益

    1.更優(yōu)質水品質

    廣州自來水公司聚焦廣大市民用上放心水、優(yōu)質水,把黨支部建設到工程第一線,“超濾膜+5G”的北部水廠開創(chuàng)了智慧供水高質量發(fā)展新時代。北部水廠基于智慧水廠管理平臺,實現(xiàn)從水源到終端的全過程水質管理體系,切實保障居民飲用水安全,確保每一滴水的品質。5G智慧水廠管理新模式,有效提升數(shù)據(jù)調用、存儲、分析,帶動供水生產(chǎn)決策智能化,實現(xiàn)供水營運和服務精細化、規(guī)范化管理,讓市民喝上更優(yōu)質的自來水,享受更便利的公共服務。

    2.更安全水保障

    北部水廠建成了廣州首個基于5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧水廠,其立體安防系統(tǒng)對于水廠的安全監(jiān)測和管理起著綜合性控制作用。通過利用5G、物聯(lián)技術實現(xiàn)水廠的安全管理,進一步提高了時長安防質量,實現(xiàn)“全息感知、統(tǒng)一預警、智能聯(lián)動、精準指揮”的安全供水目標。

    3.更綠色水生態(tài)

    北部水廠對生產(chǎn)廢水處理工藝的自主創(chuàng)新研究,通過在線數(shù)據(jù)和化驗數(shù)據(jù),建立專家數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)智能化自動投加,既做到水質控制精準,又降低藥耗。通過對生產(chǎn)廢水處理工藝的自主創(chuàng)新研究,北部水廠實現(xiàn)排泥水系統(tǒng)全自動控制,提高了泥餅含固率和降低外運費用,大大降低了人員運行維護工作強度,做到水資源利用最大化和生產(chǎn)廢水零排放,助推“綠水青山”的環(huán)保目標。

    五、展望與思考

    圖14 利用5G技術進行日常巡檢

    圖15 廣州市首個5G智慧水廠——北部水廠全景

    隨著信息化技術的高速發(fā)展,在智慧城市建設的大潮中,建設智慧水務和新型智慧水廠,提升水廠精細化管理和服務質量及效率,降低運維成本,實現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏是廣州自來水智慧供水建設的整體目標。目前,大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術升級,為智慧水務建設效果提供了切實保障,為水務行業(yè)高效運轉提供了有力支撐。廣州市自來水有限公司以智造供水云平臺為基礎的5G智慧水廠在國內處于領先,已達到國際發(fā)達國家水平。依托5G的大帶寬、多連接、低時延技術使智慧水廠更高層次的需求升級得以實現(xiàn),成為智慧水務發(fā)展的核心推動力。

    智慧供水建設是一個不斷發(fā)展和持續(xù)優(yōu)化的過程。未來在人工智能、AR、VR技術等新型手段的驅動下,數(shù)字化智能水廠將為進一步提升城市供水水質賦予更多可能。

    一是水質管理水平得到全面提升。通過移動生產(chǎn)平臺將生產(chǎn)工藝模塊化,不斷提質增效,員工通過指尖上的水管家就能實時了解生產(chǎn)動態(tài),掌握運行情況。二是協(xié)同配合整體推進水廠運營管理。生產(chǎn)運營、人力資源、物料管理、安全管理、成本控制均可協(xié)調控制,取得最大的投入產(chǎn)出效率。三是成果轉化提升經(jīng)濟效益。5G時代的智能水廠將大幅改善勞動條件,減少人力成本,提高生產(chǎn)過程標準化及可控性。通過5G網(wǎng)絡與生產(chǎn)設備和工藝流程功能進行無線通信,實現(xiàn)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通,并在此基礎上實現(xiàn)資源的整合優(yōu)化,從而進一步提高水廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

    按照國企改革三年行動實施方案,到2023年底,借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新技術和水務行業(yè)標桿企業(yè)經(jīng)驗,廣州市自來水有限公司將完成集水源、水廠、管網(wǎng)、用戶為一體的綜合應用業(yè)務體系的構建,推動廣州市智慧供水的整體數(shù)字化能力,加速深耕智慧供水領域技術創(chuàng)新研發(fā),保障城市供水安全,推動廣州供水事業(yè)高質量發(fā)展,朝著更高品質的供水目標而不懈奮斗!

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