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★深圳市水務(wù)科技有限公司

1　方案目標(biāo)和概述

1.1　總體概述

洪湖智慧水質(zhì)凈化廠基于“管控一體化”思路數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)發(fā)展，解決廠級(jí)設(shè)備、生產(chǎn)、安全和運(yùn)維的疑難問題，廠級(jí)生產(chǎn)運(yùn)維管理和能耗監(jiān)測與節(jié)能分析，可實(shí)時(shí)監(jiān)控分析水廠耗能指標(biāo)，并對(duì)水廠生產(chǎn)經(jīng)營決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、數(shù)據(jù)建模分析等進(jìn)行綜合處理。是一個(gè)通過采用先進(jìn)的管理思維和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)廠站無人/少人值守的智能化自動(dòng)控制、作業(yè)和設(shè)備全生命周期信息化管理運(yùn)維，融合人機(jī)智慧合作，在保障水質(zhì)安全可靠前提下實(shí)現(xiàn)最佳成本效率。

1.2　主要目標(biāo)

（1）態(tài)勢(shì)全可視

一體化顯示廠站運(yùn)行情況的全景圖，隨時(shí)通過移動(dòng)終端、電腦和大屏幕顯示等渠道了解掌握廠站人、事、物的實(shí)時(shí)狀態(tài)和總體態(tài)勢(shì)。

（2）事件全可控

事件高效處置，實(shí)現(xiàn)跨部門、跨區(qū)域、跨系統(tǒng)協(xié)作，一旦廠站事件發(fā)生，可以統(tǒng)一調(diào)度資源，快速響應(yīng)，安全有效處置。

（3）業(yè)務(wù)智慧化

平臺(tái)提供各類豐富完善的服務(wù)功能，使得管理決策者全局掌控運(yùn)營態(tài)勢(shì)，不再僅僅依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而是基于融合數(shù)據(jù)分析、決策支持，幫助管理者及時(shí)作出最佳的決策。

（4）建設(shè)實(shí)現(xiàn)全生命周期的設(shè)備管理及維修保養(yǎng)體系

通過綜合設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、設(shè)備在線診斷、設(shè)備智能評(píng)估、設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測預(yù)警（含視頻智能預(yù)防等）、設(shè)備巡檢工單（含預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)工單、整合生產(chǎn)巡檢）等構(gòu)建廠站設(shè)備全生命周期管理體系。

（5）建設(shè)敏捷反應(yīng)集中管控的運(yùn)行管控體系

通過數(shù)字孿生方式的全渠道集成互聯(lián)展示（電腦、移動(dòng)終端和大屏幕等）、智能融合巡檢、安防視頻、故障報(bào)警及診斷、事件流程管理、廠站運(yùn)行工況、各業(yè)務(wù)KPI計(jì)算及各類統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表等，構(gòu)建具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)集中管控的廠站信息平臺(tái)。

（6）建設(shè)保障廠站運(yùn)行的安全體系

通過整合電子門禁、視頻監(jiān)控、電子圍欄和環(huán)境監(jiān)測等構(gòu)建環(huán)境與人員安全體系；應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)（工控網(wǎng)絡(luò)隔離、入侵檢測等）、軟件安全技術(shù)（用戶認(rèn)證、權(quán)限控制、日志與審計(jì)等）等構(gòu)建廠站信息安全保障體系。

（7）形成可復(fù)制推廣的水廠（污水廠）數(shù)字化產(chǎn)品

開發(fā)智慧廠站的全套數(shù)字化產(chǎn)品，同時(shí)構(gòu)建完整的“共享、共創(chuàng)、共擔(dān)、共贏”合作生態(tài)圈，面向行業(yè)和外部市場進(jìn)行積極拓展。

1.3　功能架構(gòu)

平臺(tái)支持“分公司-集團(tuán)”兩級(jí)部署以滿足“廠站-分公司-集團(tuán)”三級(jí)管理要求，采用云計(jì)算超融合架構(gòu)的模式，能提供靈活的可擴(kuò)展性，滿足日后用戶規(guī)模及架構(gòu)的擴(kuò)充需求。平臺(tái)部署架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)部署架構(gòu)圖

2　方案介紹

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)主要采用微服務(wù)框架，在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)具備良好的擴(kuò)展性、互操作性，以及與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性，避免新“異構(gòu)”系統(tǒng)的出現(xiàn)，減少集成問題，降低集成難度。使用微服務(wù)框架技術(shù)將多種應(yīng)用服務(wù)構(gòu)建為一個(gè)個(gè)小的自主服務(wù)，每個(gè)服務(wù)都圍繞著具體業(yè)務(wù)進(jìn)行構(gòu)建，能夠獨(dú)立地部署到運(yùn)行環(huán)境中，服務(wù)間采用輕量級(jí)通信機(jī)制進(jìn)行契約依賴。通過構(gòu)建適合的微服務(wù)框架，滿足不同業(yè)務(wù)的特定需求，實(shí)現(xiàn)組件間的交互，并保證每個(gè)組件可以獨(dú)立升級(jí)、替換、部署。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)、業(yè)務(wù)、集成和基礎(chǔ)組件的統(tǒng)一化，采用了統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和約束、組件化開發(fā)框架、統(tǒng)一門戶綜合展現(xiàn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫引擎、統(tǒng)一的流程和報(bào)表引擎、標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)流程、統(tǒng)一的接口服務(wù)等。

平臺(tái)基于數(shù)字孿生場景化應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念，以事件驅(qū)動(dòng)的形式觸發(fā)相關(guān)的業(yè)務(wù)功能，來滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求。

業(yè)務(wù)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

技術(shù)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 技術(shù)架構(gòu)圖

部署架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 部署架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

洪湖智慧水質(zhì)凈化廠具有以下亮點(diǎn)：

（1）廠站安全可靠

通過覆蓋全面的儀表、配置高可靠硬件、冗余重點(diǎn)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)、冗余工藝控制邏輯、定制智能安全設(shè)備、智能識(shí)別、精確定位等技術(shù)方式，構(gòu)建高可靠的水廠自動(dòng)化系統(tǒng)和安防系統(tǒng)，與此同時(shí)，基于水廠智慧管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源與能力，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判及處置、故障智能診斷、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)等智慧應(yīng)用，有效保障廠站生產(chǎn)運(yùn)營安全、設(shè)備自控安全、網(wǎng)絡(luò)及信息安全以及人員安全。

（2）出水優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定

在高可靠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用工藝優(yōu)化控制軟件從進(jìn)水到出水將污水處理的整個(gè)工藝段進(jìn)行有機(jī)整合，對(duì)影響污水處理效果的操作參數(shù)全面考慮并優(yōu)化，協(xié)同有效控制各工藝段的運(yùn)行參數(shù)，構(gòu)建全流程智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率全年高于99.99%。

（3）提高工作效率

自動(dòng)化系統(tǒng)——減少人為干預(yù)，遠(yuǎn)程操作設(shè)備。

安防系統(tǒng)——對(duì)安全事件第一時(shí)間做出反應(yīng)。

運(yùn)營平臺(tái)——利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與終端全在線，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外人員全在線，廠站各系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，廠站運(yùn)營管理全面在線化。

（4）安全措施

·系統(tǒng)自檢：提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)隱患和安全風(fēng)險(xiǎn)；

·智能消防：滅火設(shè)備隨時(shí)可用，消防風(fēng)險(xiǎn)提前預(yù)警；

·應(yīng)急指揮調(diào)度：一鍵式指揮調(diào)度，全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)處置；

·安全用電：智慧分析用電數(shù)據(jù)，及早處理用電隱患；

·HACCP體系：全面減少和控制水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)；

·工控安全滿足網(wǎng)絡(luò)安全等保2.0要求。

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應(yīng)用情況

（1）智能投藥：模糊控制，把過往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為控制規(guī)則，可以有效地運(yùn)用人們?cè)趯?shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)能力、適應(yīng)性和容錯(cuò)性都很優(yōu)越。對(duì)非線性時(shí)變系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)良好。在本系統(tǒng)中，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制互相綜合起來，更加有效地完成了對(duì)加藥系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

（2）三維VR與視頻融合：全局視角觀察廠區(qū)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

（3）機(jī)器人巡檢：節(jié)省人工成本、規(guī)避運(yùn)維人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）實(shí)現(xiàn)設(shè)備PDCA閉環(huán)管理及總體閉環(huán)管理。

（5）設(shè)備可視化管理。

（6）全天候安全監(jiān)控：360度布防，安全無死角。

3.2　社會(huì)價(jià)值

智慧水廠是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式。由此可見，智慧城市的手段是新的技術(shù)，特別是信息技術(shù)，目的是提高規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)能力。為滿足智慧城市的要求，作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，智慧水廠應(yīng)該是以應(yīng)用新一代信息技術(shù)為手段，生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)度和服務(wù)等全方位、全過程各環(huán)節(jié)高度信息互通、反應(yīng)快捷、管理有序的高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適水廠。

3.3　技術(shù)的創(chuàng)新與先進(jìn)性

（1）5G在國內(nèi)水務(wù)行業(yè)的首次應(yīng)用

5G的低時(shí)延、大帶寬和大連接三大特性，以及網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算兩大關(guān)鍵技術(shù)可以滿足智慧水廠管理和生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)安全性、可靠性和靈活性的需求，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)監(jiān)控及遠(yuǎn)程管理。

（2）全廠全流程智能工藝控制，實(shí)現(xiàn)工藝智慧

智能工藝控制系統(tǒng)立足于傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制及監(jiān)控體系基礎(chǔ)上，運(yùn)用多種人工智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析給出最優(yōu)化的運(yùn)營策略，從而達(dá)到實(shí)時(shí)達(dá)標(biāo)排放、降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)閉環(huán)控制，最終實(shí)現(xiàn)少人值守或無人值守。

（3）廠網(wǎng)河全要素管理，突破廠區(qū)限制，整體性提升綜合治理能力

洪湖水質(zhì)凈化廠智慧水廠建設(shè)，全面提升了管控手段。系統(tǒng)通過繪制洪湖水質(zhì)凈化廠上下游流域水質(zhì)、液位、流量等全要素信息以及排水GIS信息圖，全面了解廠區(qū)流域內(nèi)治水治污設(shè)施的拓?fù)潢P(guān)系及管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)廠網(wǎng)河全域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)管，拓展調(diào)度廣度。

（4）大數(shù)據(jù)輔助分析決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，提升廠站應(yīng)急能力

通過采用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化等一系列針對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)，以并行處理的方式，找出數(shù)據(jù)之間未知的、有價(jià)值的規(guī)律和聯(lián)系。

（5）BIM三維虛擬現(xiàn)實(shí)顯示，數(shù)字孿生，設(shè)備設(shè)施生產(chǎn)運(yùn)營全面可視化

洪湖水質(zhì)凈化廠直接將BIM成果應(yīng)用到廠站運(yùn)營運(yùn)維階段，利用其可視化特性，在管控平臺(tái)中加入三維交互式的漫游體驗(yàn)，將工程實(shí)體場景在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)廠站三維場景實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控。

3.4　經(jīng)濟(jì)性

洪湖水質(zhì)凈化廠基于水廠智慧管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源與能力，與環(huán)水集團(tuán)生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)和廠級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)互聯(lián)互通及聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判及處置、故障智能診斷、能源優(yōu)化利用、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)和績效評(píng)估等的智慧應(yīng)用，在保障出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定的情況下實(shí)現(xiàn)水廠運(yùn)行節(jié)能降耗，優(yōu)化管理，提升效益，最終實(shí)現(xiàn)電耗、藥耗降低10%以上，人員減少30%以上。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊