数字水务及其在污水处理厂中的应用探索

发表时间:2020-03-18 15:59作者:任咏;纪莎莎;戴栋超

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,为市民创造可持续、繁荣、包容的发展成果[1]。水资源作为城市重要的资源之一,与市民的生活休戚相关。水务行业将直接影响GB/T 33356—2016《新型智慧城市评价标准框架》所述的城市服务、城市管理、公共安全和生态宜居等客观指标,对市民体验也具有很大影响,因此数字化、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。

随着 4G 进入规模商用,面向 2020 年及未来的第五代移动通信(5G)已成为全球通信发展热点。相比 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。

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,对数字水务进行分析介绍,并基于 5G 技术的数字化在污水处理厂中的应用进行探索。

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[2] 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,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,并为灾后重建提供帮助 ;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 ;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 5 处可能发生洪灾的湖泊上安装传感器。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,避免一场洪灾的发生[3]。

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户体验(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减少污染,以最大的力度保护环境。

市场价值

(1)降低运营成本。数据、传感器可实时跟踪、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确定运营成本,提高流程的工作效率。通过长时间的数据收集与管理,可得到运营成本基线并进一步判断未来趋势,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,截至到 2017 年底,我国城市排水管道长度总量达到 63 万 km。其中,超过27 万 km 排水管网的使用年龄在 10 a 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[4]。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,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地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,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,也使员工更快、更轻松地完成工作,提高工作中所收集数据的准确性。

非市场价值

(1)增强用户体验。为提高可持续性,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。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随时为消费者答疑解惑,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,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,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,但传统模式由于便捷性差、动态更新不及时、巡检工作效率低和分析问题无依据等造成监管不及、不得当甚至是缺乏监管,所以导致环境污染事件频发。数字技术为监管提供手段及依据。以水体、流域为例,可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。



数字水务在污水处理厂中的应用探索

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,控制系统通过计算对设备及工艺进行优化,形成自动采集、自动判断、自动调整和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[5]。

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、也没有根据提升泵的运行时间控制泵的启停 ;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[6]。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。

污水厂基于5G 技术的数字化应用探索

5G 技术可实现业务数据本地化处理和接入到移动云平台,通过边缘计算为污水厂提供服务:为污水厂提供全生命周期管理;为大量多样化异构数据提供优化,提高污水厂计量、控制、执行、应用的实时性;为污水厂远程控制、设备维修提供依据。

(1)GIS+BIM 技术应用。通过5G+GIS 技术污水处理厂可实现对基础数据资源的数字化、可视化管理,将地图元素和地下空间信息融入到管理系统之中,采用3D 模拟技术对地下管线进行详实的展示,切实解决污水处理流程管理中设备和管道隐蔽性强、重叠交叉的问题,充分体现出辅助决策的科学性和先进性(见图1)。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,可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的工作基础,构建基于5G+GIS+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。

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2)数据统计分析与云服务。由于污水处理厂设备较多,数据庞大,无法通过人工进行分析、管理。基于 5G 的综合信息系统可提供丰富的设备与控制系统数据接口,能够与所有主流的集散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)、电气设备(SCADA)等过程控制层的设备和数据平台进行无缝连接,实时采集污水处理过程中的数据,从而建立全厂信息数据库。数据通过 5G 网络上传至云端,云服务集群可以实现数据存储及分析,并且通过搭载数据训练框架与引擎,产出推理模型,从而为运行单位提供更为灵活有效的决策管控方案。

对于污水处理厂来说,泵和风机系统是污水厂最大的能耗组成,其维修成本巨大。因此,数字污水厂今后发展的重点在于收集设备运行数据,以找到相应的解决方案。统计记录污水处理厂内设备运行时主要数据信息,如:记录不同时间段电耗情况、不同时间段设备故障次数等信息,可为控制运营成本、提高设备合理使用率提供可靠的数据支持。

对于运行过程,可针对数据进行实时处理分析,确保最佳生产效率,优化生产流程,减少劳动力以及材料、能源成本。对于设备管理,可实现状态数据分析、设备运行数据存储,进行设备预测维护。

(3)虚拟现实与增强现实技术应用。虚拟现实技术(AR)和增强现实技术(VR)技术在污水处理厂数字化应用中具有广阔的发展空间,可通过提供建构筑物、设备、管道、线缆等设备的全息图像,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运行状态进行问题识别甚至是检修(见图2)。同时,结合数据分析,实现预防性的设备维护。再结合GIS、传感器、数字孪生技术,可以更进一步地生成物理系统的运行副本,对污水厂的功能进行模拟,并进行直观监控,提高污水厂预测性维护及事故预防能力。

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利用 5G 低延时、大带宽、广连接的特性建立云端服务器,主要负责数据储存和分析处理。

具体功能有 :负责对传入数据的分析和重构 ;负责存储设备模型(WRL 格式)和相关文件 ;根据采集数据分析虚拟场景和真实场景的相对位置,实现坐标系的对齐并进行虚拟场景的融合计算 ;提供二维码识别、平面目标识别追踪、3D 刚体目标的识别追踪等 AR 能力支撑 ;提供各类引擎如 :3D渲染引擎、脚本引擎、物理引擎等让 AR 内容渲染效果更加逼真。

结语

近年来智慧水务进入新一轮的高速发展期。5G 技术的突破无疑为数字技术的使用提供更为广阔的发展空间。在污水处理厂中,5G 技术通过与GIS 系统、传感器系统、AR/VR 系统的结合,增强智能化手段的应用广度和深度,不仅使运行单位及行业管理部门实时、全面感知污水运行系统中方方面面的信息,而且可运用云平台搭载大数据分析训练引擎,从而有效提升水务决策能力及效率,为运行单位提供更为灵活有效的决策管控方案。

参考文献

[1] China's urban future opportunities through smart cities[R]. https://new.siemens.com/global/en/company/topic-areas/intelligent-infrastructure/city-performance-tool/chinas-urban-future-report.html.

[2]田雨,蒋云钟,杨明祥.基于智慧化依赖度的智慧水务建设分析模型[J].武汉大学学报(工学版),2014,47(6):760-763.

[3] Digital Water-Industry leaders chart the transformation journey[R].2019.

[4]周标,董毓良.基于分布式传感器在线监测数据的排水管网安全运行问题识别与分析[J].科技创新与应用, 2019(25):1-6.

[5]潘锦宇.基于改进神经网络预测的智能污水处理监控系统设计[D].青岛:青岛科技大学, 2017.

[6]朱万浩.基于PLC和上位机的污水处理监控系统设计[D].广州:华南理工大学, 2017.


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