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数字水务及其在污水处理厂中的应用探索

0214给水排水2021-07-15 10:41:23


 前言

规模经济性、基础设施和服务压力,以及创新意愿使得城市成为应用智慧技术的最佳场所。智慧城市将整合物质系统、数字系统和人类系统,并为市民创造可持续、繁荣、包容的发展成果,而基础设施的扩张和连接是衡量智慧城市建设成功与否的关键。水资源作为城市做重要的资源之一,与市民的生活休戚相关。水务行业将直接影响新型智慧城市评价标准框架(GB/T 33356-2016)所述的城市服务、城市管理、公共安全、生态宜居等客观指标,对市民体验也具有很大影响,因此其数字化、智能化是建设新型智慧城市的重要组成部分。与此同时,基础设施老化、极端天气的持续增多、城市人口的过度集中,加速了水资源短缺,并引发一系列水质及水安全问题,面对这些压力,发展数字水务将有助于促进城市水务管理的转型,并为行业及消费者带来全新变革。

本文在综合国内外学者、机构研究的基础上,结合国际数字水务最新报告,对业务领域、价值潜力、应用场景等方面对数字水务进行分析介绍,最后落脚于数字水务在污水厂中的应用探索。

不同业务领域的数字化发展

智慧水务包括水务信息采集、传输、存储、处理和服务,可提升水务管理的效率和效能,实现更全面的感知,更主动的服务,更整合的资源,更科学的决策,更自动的控制和更及时的应对。水务业务可以划分为基础业务、条块业务以及支撑业务,田雨等人认为四大条块业务即防汛业务、水资源管理业务、水生态管理业务和水环境管理业务是数字水务建设中最为重要和最为迫切的建设领域。四大条块业务的数字化都是建立在信息感知更全面的基础之上,但各自发展侧重点不尽相同其中防汛业务体现在应急预警方面,水资源管理业务体现在资源整合、主动服务等方面,而水生态管理和水环境管理业务体现在科学决策、智能控制等方面。

以防汛业务为例,随着极端天气频发,数字业务可以实时监控洪水发生的可能性和影响,从而降低洪水带来的伤亡和经济损失,为灾后重建提供帮助;可以通过遥感技术、水利模型等管理雨水径流和极端天气事件造成的城市内涝;可以通过传感器、监控设备等对城市排水系统进行联动调控,防止洪涝灾害发生。在2017年飓风厄玛席卷佛罗里达之前,奥蒙德海滩在五处可能发生洪灾的湖泊上安装了传感器。当时,传感器和软件检测到暴雨即将来临,于是系统提前排水,自动降低了储水池的水位,而湖泊排水系统上的天气感应阀门则在暴雨前自行启动,避免了一场洪灾的发生。

数字水务的价值潜力

数字技术将帮助水务行业自身创造出多种价值,如:降低运营成本、优化现有资产、提高员工参与度与生产效率等。除此之外,数字水务的应用还将对用户及环境带来深远影响,如水务公司运营和财务方面的数字化方案都将有助于提高用于体验(可参照电子账单推送、线上缴费、网络报修等服务),污水收集系统的实施数据传输、流域传感器网络的建立则将尽可能减少污染,以最大的力度保护环境。

1、市场价值

(1)降低运营成本

数据、传感器可以用来实时跟踪、分析大量的有关能源消耗、化学品使用、运行维护和系统性能的数据;资产管理系统和财务跟踪工具可以确定运营成本,并提高流程的效率。通过长时间的数据收集与管理,可以得到运营成本基线并进一步判断未来趋势,这将确保系统以最优和成本效益最高的方式运行,在减少资源消耗的同时降低服务成本。

(2)优化现有资产

我国城市发展由“增量扩张”向“存量优化”的转型已得到政府及社会各界的广泛重视。水务行业作为重资产行业,随着基础设施建设的完善,如何通过优化的方式来应对基础设施的老化将成为今后调整水务结构与功能的重点。以我国排水管道为例,截止到2017年底,我国城市排水管道长度总量达到63.0万千米,其中超过27万千米排水管网的使用年龄在十年以上,管道功能性缺陷及结构性缺陷长度占比超过30%,解决缺陷时究竟是修理还是更换才能达到功能保障及经济最优,是目前管道修复工程面临的最直接问题之一。预测数据分析与决策优化系统工具相结合可以解决此类问题,其提出预测性资产管理计划用于修复老化资产,优化资产绩效。

(3)提高生产效率

水务管理具有一系列复杂的数据采集设施,如流量计、传感器、视频监控等,但这些数据复杂而庞大,运行人员无法将这些数据联系起来,从而识别其中存在的问题与隐患。智能监控及分析系统可以统筹不同来源的数据,收集保存至中央存储器,经过一系列运算分析后以图表等形式直观的呈现在运行人员面前,使他们可以将精力及注意力集中在系统所反映的异常数据上,从而提高生产效率。除此之外,一些移动终端如智能收集、平板电脑的使用,也可以使员工更快更轻松的完成工作,同时提高工作中收集的数据的质量和准确性。

2、非市场价值

(1)增强用户体验

为了提高可持续性,加大水资源保护力度,水务公司开始制定创新战略,以便提高消费者参与度,重塑人们的用水观念。除此之外,水务公司正在努力打造一个功能齐全的线上网路综合运营系统,全面优化各类服务,包括:抄表、计费、客户服务、收款和财务报告等。总的来说想让用户改变用水习惯,就要提供更为便捷的服务,尽量降低对用户日常生活习惯的影响。昆士兰麦凯区市政府则引入了自动抄表技术,帮助消费者更好地管理用水,节约开支。如果出现漏水现象,数字水表还能及时警告消费者和当局,方便当局尽早解决问题,减少水资源的浪费。AI聊天机器人等新数字技术可以随时为消费者答疑解惑,为加强用户参与提供了极大的可能,同时还能推送用户快讯,提供用水和节水信息。

(2)降低管理风险

风险管理是水务行业的重要组成部分,其对于维护公用系统有效性、公共安全和民众信任至关重要,使用先进的数字技术进行风险预测及管理,可以帮助水务部门或公司发现问题并在其变为公共事件前采取相应的措施给予应对。以管网漏损为例,随着数字水务的推进,供水单位获取了越来越多的数据如GIS数据、水质/流量/压力监测数据、日常维护数据等,通过挖掘这些大数据所蕴含的信息,可以用于辅助供水管网的漏损检测,从而降低管理风险。

(3)保护人类及环境健康

公共事业需要把保护人类及环境健康放在首位,但传统模式可能由于纸质资料不便捷、动态更新不及时、巡检工作效率低、分析问题无依据等问题造成监管不及、不得当甚至是缺乏监管,至使环境污染事件频发。数字技术为监管提供了手段及依据。以水体、流域为例,可以通过设置原位传感器或分析仪对水质进行测量,并结合流域尺度的气候模型、水利水质模型对污染物的浓度、分布、迁移等进行监测及判断。

污水处理厂中的应用探索

1、国内外污水厂数字化现状

欧美国家的污水处理事业相对完善,并结合通信、自动化、计算机等领域的科研成果,逐步迈向数字化。以美国芝加哥Stickney厂为例,其监控系统高度自动化,控制系统可通过算法对设备及工艺进行优化,形成了自动采集、自动判断、自动调整、自动控制四位一体的运行模式。德国不来梅Oppolzer的污水厂高度智能化,整个厂区只有几个运行人员来负责厂区日常记录,其他管理都由数据中心的电脑进行控制。亚洲地区日本污水处理监控技术较为突出,其数字系统的特点为监控系统小型化结合多传感器融合技术。

目前国内污水厂自动化程度不高,设备运行通常处于半自动状态,例如:粗格栅及提升泵房的提升泵处于现场手动控制或上位机远程单纯启停,没有实现根据污水流量而自动调节提升泵频率、亦没有根据提升泵的运行时间长短来控制泵的启停;二沉池的污泥输送机及剩余污泥泵没有联动控制系统,致使工作人员需根据污泥量的多少控制污泥输送机的数量及运行。监控手段以PLC监控系统为主,随着网络发展,计算机与互联网组成的网络监控系统开始得以应用,实现了远程查看。目前,随着无线传感技术的突破以及无线网络的成熟,远程无线监控成为新的发展主流,技术人员将无线传感器布局在检测区域,组成传感器阵列,以无线跳跃的方式传输信号,进而汇总到网络节点,再以GPRS无线技术传输出去。

2、数字化在污水厂中的应用探索

(1)BIM建模/无人机倾斜摄影+地理信息系统(GIS)技术应用

通过BIM建模/无人机倾斜摄影+GIS技术,污水厂可以实现对基础数据资源的数字化、可视化管理,将地图元素、地面、地下空间信息融入到管理系统之中,通过采用三维模拟技术对厂内建构筑物进行详实的展示,其中BIM建模可用于新建污水处理厂,无人机倾斜摄影技术可用于已建污水处理厂。通过此联合技术的应用,将工程阶段产生的数字化信息贯穿于整个建设管理中,解决大量信息的沟通、协调问题,为设计、施工以及运营单位在内的各参建主体提供协同工作的基础,构建基于5G+BIM技术的工程建设全生命周期管理将是污水厂未来数字化发展的主要趋势之一。

(2)移动终端设备应用

为运行人员提供诸如智能手机,平板电脑等移动设备,使污水厂员工能够在巡检过程中更快更轻松地完成工作,同时提高工作中收集的数据的质量和准确性。这些终端的数据将上传至数据中心,有利于其他人员查看,并保障了数据的完整性,为大数据分析提供了依据和基础。

(3)增强现实与虚拟现实(AR和VR)应用

AR和VR技术也具有广阔的发展空间,其可通过提供建构筑物、设备、管道、线缆等资产的全息图像,为员工开展浸入式场景培训,此外,还可以让员工在没有预先大量储存相关知识的情况下,通过可视化指导对设备进行问题识别甚至是检修。

利用AR技术提供的文本输入功能,现场工作人员可以使用它来快速共享信息。通过AR技术,可以判断哪些设备运转正常,同时结合数据分析,可以实现预防性的设备维护。再结合GIS、传感器、数字孪生技术,可以更进一步的生成物理系统的运行副本,对污水厂的功能进行模拟,并直观的进行监控,提高污水厂预测性维护及事故预防能力。

(4)5G技术应用

随着4G进入规模商用,面向2020年级未来的第五代移动通信(5G)已成为全球通信发展热点。相对4G,5G将以一种全新的网络架构,提供缝制10Gbps以上的带宽、毫秒级时延,及超高密度连接,实现网络性能新的跃升。相比于4G以人为中心的移动宽带网络,5G网络将实现真正的“万物互联”,从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联,使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。

随着物联网海量设备和各种新服务类型的出现,传统的工控集群网络逐渐不堪重负,5G技术可以实现业务数据本地化处理和接入到移动云平台,通过边缘计算可以为污水厂提供以下服务:提高污水厂计量、控制、执行、应用的实时性;为大量多样化异构数据提供优化;实现数据的就地闭环,访问控制与威胁防护的广度和难度因此大幅提升。

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