基于信息化系統(tǒng)的水廠智慧化建設(shè)研究

王先紅

關(guān)鍵詞 信息化系統(tǒng) 水務(wù)項(xiàng)目 供水管網(wǎng) 智慧水廠

智慧水廠屬于智慧水務(wù)，而智慧水務(wù)屬于智慧城市，智慧城市的建設(shè)已經(jīng)有10 多年的歷史。智慧水廠響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策，致力于精細(xì)化運(yùn)營(yíng)，以減少人員投入、促進(jìn)節(jié)能降耗、幫助提高產(chǎn)能，從而提高水處理效率和水資源利用率，為人與自然的和諧共處做出貢獻(xiàn)。

智慧水廠涉及污水處理、凈水處理、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、模型預(yù)測(cè)、智能調(diào)度等工作，而這必須依賴一套強(qiáng)大且功能完善的信息化系統(tǒng)。信息化系統(tǒng)是水廠的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，從水廠的業(yè)務(wù)出發(fā)，致力于支撐和優(yōu)化水廠運(yùn)行。同時(shí)，構(gòu)建水廠健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)對(duì)工藝和設(shè)施的控制、管理來(lái)提升水廠績(jī)效，借助數(shù)字化技術(shù)使運(yùn)維更加精細(xì)化。

1信息化面向的對(duì)象

1.1污水廠或自來(lái)水廠

污水廠或自來(lái)水廠及泵站是信息化系統(tǒng)的直接客戶，將從精細(xì)化運(yùn)營(yíng)、降低成本和提高效能中受益[1] 。

1.2水務(wù)集團(tuán)

信息化系統(tǒng)面向水務(wù)集團(tuán)，為多個(gè)水廠提供統(tǒng)一管理服務(wù)。

2對(duì)水廠智慧化的解讀

2.1自動(dòng)化采集與監(jiān)控

傳統(tǒng)供水企業(yè)在城市用水壓力較小的情況下勉強(qiáng)可以運(yùn)行，但如今面臨城市化進(jìn)程加快、城市人口增多等情況，城市供水企業(yè)為適應(yīng)城市發(fā)展進(jìn)程，不得不提升出口流量、加大管網(wǎng)建設(shè)力度，對(duì)其運(yùn)營(yíng)管理來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

水廠設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與監(jiān)控就是對(duì)自來(lái)水廠、供水管網(wǎng)、廢水和污水管網(wǎng)以及污水處理等現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能，從而減低了生產(chǎn)人員面臨惡劣工作環(huán)境的可能性，減少不必要的人工浪費(fèi)，提高水廠的競(jìng)爭(zhēng)力和預(yù)測(cè)突發(fā)事件的能力，減少生命和財(cái)產(chǎn)損失。

2.2智能預(yù)測(cè)與模擬

供水管網(wǎng)或壓力輸水管涵最常見(jiàn)的故障是漏損，由此帶來(lái)的管網(wǎng)跑、冒、滴、漏一直是全球供水行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。世界銀行對(duì)世界范圍的城市飲用水供水系統(tǒng)的漏損狀況統(tǒng)計(jì)表明，在約3000 億m3 年供水量中，城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損水量占近500 億m3，各國(guó)管道漏損率差別較大，漏損率最低的是德國(guó)（9%） ，最高的是馬來(lái)西亞（43%），美國(guó)相對(duì)新的城市管網(wǎng)漏損率為25%，英國(guó)為30%左右。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率從2000年的36.22%增加到2014 年的54.77%，供水管網(wǎng)漏損問(wèn)題日益突出。城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)調(diào)查表明，近年來(lái)我國(guó)城市供水管網(wǎng)平均產(chǎn)銷差率達(dá)到18%左右，部分城市甚至超過(guò)25% ，一些供水管網(wǎng)水量?jī)袈p率達(dá)14%，因供水管網(wǎng)漏損導(dǎo)致的年損失水量超過(guò)60 億m3，相當(dāng)于上海、北京、天津、廣州、深圳五個(gè)特大型城市的年供水總量之和。而我國(guó)農(nóng)村由于管道漏損監(jiān)測(cè)和防控的意識(shí)薄弱、技術(shù)和資金投入少，致使漏損率遠(yuǎn)高于城市，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的漏損率達(dá)40% ～ 50%。2015年，相關(guān)部門(mén)頒發(fā)了《水十條》，要求到2017 年，全國(guó)供水管網(wǎng)漏損率控制在12%以內(nèi)，到2020 年，控制在10%以內(nèi)。

水資源的節(jié)約保護(hù)、綜合節(jié)水一直是我國(guó)建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的一項(xiàng)重要工作，綜合節(jié)水需要從農(nóng)牧業(yè)灌溉、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)用水、農(nóng)村用水四大方面實(shí)施“節(jié)水優(yōu)先”的治水方針，其中城鎮(zhèn)節(jié)水則需要通過(guò)攻克輸水管道、供水管網(wǎng)的漏損控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

管網(wǎng)模型智能預(yù)測(cè)與模擬就是要根據(jù)水廠泵站歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別漏損和定位;預(yù)測(cè)用戶未來(lái)一天、一月、一年的用水變化曲線;實(shí)時(shí)模擬告警;模擬污染物溯源;爆管的識(shí)別與定位;智能推送關(guān)閥方案，并分析和評(píng)價(jià)關(guān)閥帶來(lái)的影響，分析水質(zhì)、壓力、流速、流量是否正常，影響的用戶名單，做到停水范圍最小，關(guān)閥數(shù)量最少。

2.3智能運(yùn)維

智能化巡檢，自動(dòng)生成巡檢任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，機(jī)器人巡檢;針對(duì)運(yùn)維人員的日常維護(hù)，自動(dòng)生成維護(hù)計(jì)劃、任務(wù)自動(dòng)下達(dá)、相關(guān)人員領(lǐng)到任務(wù)并執(zhí)行、自動(dòng)產(chǎn)生臺(tái)賬;靈活的值班排班、人員人組、交接班、調(diào)班管理。

2.4智能故障診斷

設(shè)計(jì)自動(dòng)診斷流程，當(dāng)收到診斷請(qǐng)求時(shí)，自動(dòng)獲取相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，針對(duì)各類數(shù)據(jù)分別建立單項(xiàng)分析模型，最后綜合多種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合診斷，并處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的模糊信息，快速定位故障原因，提出解決方案。

2.5全面工作協(xié)同

通過(guò)對(duì)某些業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)按某種預(yù)定規(guī)則自動(dòng)傳遞信息或者任務(wù)，實(shí)現(xiàn)水廠不同角色、不同部門(mén)的多個(gè)成員之間高效協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。

2.6工單管理流程化

工單是水廠計(jì)劃執(zhí)行的憑證，工單描述了什么時(shí)間、什么地點(diǎn)、什么人、針對(duì)什么對(duì)象、做什么事情、達(dá)到什么目標(biāo)、消耗什么資源，工單整合了計(jì)劃、執(zhí)行和驗(yàn)收三個(gè)主要環(huán)節(jié)，是水廠設(shè)施設(shè)備管理的重要載體。其中，包括維修工單、維保工單、重置工單、臨時(shí)通用工單、預(yù)警工單、防腐工單、巡檢工單、超時(shí)工單、安全工單等。

2.7大數(shù)據(jù)專家知識(shí)庫(kù)

建立水廠三種設(shè)備類型庫(kù)，包括設(shè)施、設(shè)備、管道;各種應(yīng)急預(yù)案類型文檔庫(kù);設(shè)備臺(tái)賬庫(kù)、備品備件庫(kù)、缺陷庫(kù)、工具庫(kù)、巡檢庫(kù)、防腐庫(kù)、維保庫(kù)等。

3解決方案

3.1SCADA 系統(tǒng)

水廠需要監(jiān)控哪些物理量？ 怎樣獲取廠泵的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、水泵曲線？ 如何合理（最?。?布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)？DMA 分區(qū)計(jì)量如何布模糊聚類壓力點(diǎn)優(yōu)化布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)？ 如何接入現(xiàn)有的設(shè)備或系統(tǒng)？

隨著以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧水廠的發(fā)展建設(shè)，SCADA 系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在各地智慧水廠的建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。SCADA 是英文Supervisory ConrolAnd Data Acquisition 的縮寫(xiě)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。通過(guò)操作信號(hào)連接信道通信，為用戶提供既定系統(tǒng)中任何設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備的遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)。SCADA 系統(tǒng)幫助供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)智慧供水，包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，即對(duì)供水各工藝流程實(shí)時(shí)監(jiān)控，從水源到用戶的水龍頭，包括傳輸管道、處理廠、水槽和供水管網(wǎng);遠(yuǎn)程集中控制，即不用相關(guān)人員親自到現(xiàn)場(chǎng)，就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制;多渠道預(yù)警，即當(dāng)達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，利用短信、郵件等向相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息。

3.2管網(wǎng)水力模型

管網(wǎng)水力模型是用數(shù)學(xué)的形式來(lái)模擬實(shí)際水流在管網(wǎng)的運(yùn)行情況。在智慧管網(wǎng)建設(shè)中，可以利用水力模型進(jìn)行壓力分區(qū)、DMA 規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、爆管分析、改造方案比選、預(yù)測(cè)預(yù)警、能耗管理、應(yīng)急管理、維護(hù)措施等。在管網(wǎng)漏損控制系統(tǒng)中，水力模型主要用來(lái)評(píng)估DMA 分區(qū)是否合理、管網(wǎng)的流量和壓力分布監(jiān)測(cè)、爆管評(píng)估與預(yù)警、壓力管理的優(yōu)化調(diào)度、爆管和滲漏的應(yīng)急措施等[2] 。

3.2.1管網(wǎng)水力模擬軟件

目前，市面上常用的供水模擬軟件可以分為兩大類，即免費(fèi)軟件和商用軟件。免費(fèi)軟件主要是美國(guó)環(huán)保署發(fā)布的EPANET，商用軟件有Innovyze 軟件公司發(fā)布的Infoworks WS，Bently 公司發(fā)布的WaterGEMS和DHI 軟件公司發(fā)布的MikeUrban，它們之間的詳細(xì)對(duì)比如表1 所列。

3.2.2管網(wǎng)水力模型建模

對(duì)于不同的管網(wǎng)項(xiàng)目，我們需要建立不同的管網(wǎng)模型，完整、準(zhǔn)確地將實(shí)際管網(wǎng)用數(shù)字模擬出來(lái)。

（1）根據(jù)管網(wǎng)分區(qū)與漏失分析的要求，采用壓力驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)流量原理（PDD）進(jìn)行水力建模，基于實(shí)測(cè)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)室模擬求解壓力指數(shù)，所建立的壓力驅(qū)動(dòng)模型更匹配實(shí)際管網(wǎng)。

（2）根據(jù)調(diào)壓設(shè)備的壓力控制算法，遠(yuǎn)程下發(fā)調(diào)控策略，利用自適應(yīng)優(yōu)化能力。一般可將單個(gè)壓力分區(qū)降低物理漏失3%～5%。

（3）提取GIS 管網(wǎng)空間拓?fù)鋽?shù)據(jù)及SCADA 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于遺傳算法和貝葉斯決策理論定位漏失區(qū)域，并采用盲源分離算法計(jì)算漏失水量。

3.3用水量預(yù)測(cè)模型

利用時(shí)間序列法，即ARIMA 模型（AutoregressiveIntegrated Moving Average model），差分整合移動(dòng)平均自回歸模型，又稱整合移動(dòng)平均自回歸模型，利用歷史數(shù)據(jù)、特征工程，最終得到一套相對(duì)準(zhǔn)確的用水量預(yù)測(cè)模型[3] 。

3.3.1ARIMA 建模

ARIMA 模型建模的基本步驟可以分為四步。

（1）序列的平穩(wěn)性：使原序列滿足ARIMA 模型平穩(wěn)可逆的要求。對(duì)變量進(jìn)行差分，使其平穩(wěn)化，最終參數(shù)d 取平穩(wěn)次數(shù)。進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷時(shí)間序列是否已經(jīng)平穩(wěn)化。由于日用水量基本處于平穩(wěn)波動(dòng)狀態(tài)，所以在模型預(yù)測(cè)中取d =0。

（2） 模型識(shí)別：主要是通過(guò)讀ACF（自回歸系數(shù)）、PACF（偏回歸系數(shù)）和CCF（互相關(guān)系數(shù)）把握模型的大致方向，為目標(biāo)序列定階，提供幾個(gè)粗模型以便進(jìn)一步分析完善。首先利用ACF 和PACF 表對(duì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)判斷（表2），觀察回歸系數(shù)的變化趨勢(shì)，選擇p，q 參數(shù)的可能數(shù)值。

（3）參數(shù)估計(jì)和模型診斷：參數(shù)估計(jì)是對(duì)識(shí)別階段提供的粗模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并假設(shè)檢驗(yàn)，據(jù)此診斷模型。嘗試設(shè)定p，q 的多種配對(duì)方式，通過(guò)比較AlC（信息準(zhǔn)則擬和優(yōu)度），取AIC 較小的模型。模型預(yù)測(cè)的好壞最終看是否和實(shí)際的數(shù)據(jù)相符，是否在置信區(qū)間之中。

（4）預(yù)測(cè)：模型實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的體現(xiàn)。用0 確定的ARIMA 模型進(jìn)行日用水量預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)值。進(jìn)行還原差分之后，得到的數(shù)值結(jié)果才是日用水量值。

3.3.2 ARIMA 模型評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

（1） AIC： 赤池信息準(zhǔn)則（ Akaike InformationCriterion，AIC）AIC=2k?2ln（L）

（2） BIC：貝葉斯信息準(zhǔn)則（Bayesian InformationCriterion，BIC）BIC=k?ln（n）-2ln（L）

3.3.3預(yù)測(cè)結(jié)果

圖1 為時(shí)間序列法預(yù)測(cè)結(jié)果，取某水廠三個(gè)月92天的實(shí)際用水量數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為實(shí)際用水量，紅色曲線為預(yù)測(cè)用水量，從圖中可以看出對(duì)于未來(lái)日用水量的預(yù)測(cè)，其相對(duì)誤差不超過(guò)6%，在可以接受的范圍內(nèi)。

3.4知識(shí)圖譜

當(dāng)前，在故障診斷、預(yù)測(cè)與健康管理領(lǐng)域主要有兩類產(chǎn)品，一是系統(tǒng)級(jí)，多以監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、展示為主，缺乏智能化分析能力;二是針對(duì)單類設(shè)備或故障，如振動(dòng)分析、變壓器故障診斷等，具備一定的智能分析、預(yù)測(cè)能力。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的智能故障分析產(chǎn)品暫時(shí)空白[4] 。

3.4.1知識(shí)圖譜管理工具開(kāi)發(fā)

包括知識(shí)圖譜Schema 管理、知識(shí)錄入編輯、可視化展示與編輯、權(quán)限控制與審核、存儲(chǔ)管理等。

3.4.2水廠設(shè)備知識(shí)圖譜建設(shè)

水廠設(shè)備知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)：采用“Schema?概念圖?實(shí)例圖”三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜在空間上快速拓展。包含以下部分：主設(shè)備，包括水輪機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁;輔助設(shè)備，包括油、氣、水等輔助設(shè)備;電氣設(shè)備，包括變壓器、開(kāi)關(guān)柜、保護(hù)及監(jiān)控。

3.4.3智能故障診斷模型與算法

單故障分析模型：針對(duì)不同類別的故障，建立其與相應(yīng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)之間的關(guān)系，輸出單個(gè)故障的置信度，為系統(tǒng)故障診斷提供輸入。

系統(tǒng)故障診斷算法：基于知識(shí)圖譜，綜合利用圖推理、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、信息論、模糊理論等技術(shù)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)輸入的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出可能的故障原因及排查建議。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法：利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)故障診斷的反饋信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化知識(shí)圖譜中的定量數(shù)據(jù)，提高故障診斷的準(zhǔn)確率。

3.5工作流管理系統(tǒng)

工作流管理系統(tǒng)將實(shí)際工作過(guò)程中反復(fù)、嚴(yán)格按照某個(gè)固定的步驟進(jìn)行的業(yè)務(wù)過(guò)程，按照在計(jì)算機(jī)中預(yù)先定義好的工作流邏輯推進(jìn)，并按工作流實(shí)例執(zhí)行。包括我的工作臺(tái)、工作流引擎、工作流與業(yè)務(wù)模塊的接口三大板塊。

3.6智能巡檢系統(tǒng)

巡檢是每個(gè)水廠的日常任務(wù)，系統(tǒng)規(guī)定了巡檢的內(nèi)容模板、巡檢的工單模板，而具體巡檢內(nèi)容和執(zhí)行方式允許水廠存在差異。因此，每個(gè)水廠將有自己的巡檢配置、自己的巡檢工單和工時(shí)數(shù)據(jù)。具體包括巡檢庫(kù)建立、巡檢類型配置、巡檢計(jì)劃、巡檢工單生成、巡檢計(jì)劃執(zhí)行。

3.7設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)

設(shè)備分屬大區(qū)、業(yè)務(wù)區(qū)、水廠三級(jí)管理;包括一般設(shè)備、設(shè)施、管道三種類型。其下包含七大庫(kù)，分別是維修庫(kù)、巡檢庫(kù)、防腐庫(kù)、潤(rùn)滑庫(kù)、維保庫(kù)、大修庫(kù)、重置庫(kù)。

五大流程，分別是維修流程、巡檢流程、維保流程、委外流程、出入庫(kù)流程。

3.8統(tǒng)計(jì)分析

主要包括工單分析、員工分析、設(shè)備完好率統(tǒng)計(jì)、設(shè)備工作分析等。

3.9APP應(yīng)用

APP 是工作人員重要的業(yè)務(wù)和運(yùn)維支撐工具，便于隨時(shí)隨地獲取數(shù)據(jù)支撐或者提交工作資料。主要包括我的工作臺(tái)、工作協(xié)同、計(jì)劃管理、工單管理、報(bào)修、設(shè)備等。

4結(jié)束語(yǔ)

為建設(shè)智慧水廠，實(shí)現(xiàn)整體管控水廠運(yùn)營(yíng)，可采用基于信息化系統(tǒng)的數(shù)字支撐和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)技術(shù)，從而最小化人員配置、最優(yōu)化解決問(wèn)題。建立智慧水廠運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，用以評(píng)判水廠運(yùn)行狀況，基于該標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)開(kāi)設(shè)更多水廠或者優(yōu)化其他水廠運(yùn)行，從而在生產(chǎn)監(jiān)控、智能運(yùn)管中心、工藝運(yùn)行管理和設(shè)施設(shè)備管理等方面更快、更好地推動(dòng)水廠的自動(dòng)化、智慧化、智能化發(fā)展。