1、智慧水廠概念
自從2010年IBM首(shou)次正式(shi)提出智(zhi)慧(hui)城市的(de)概(gai)念之后，智(zhi)慧(hui)水(shui)務作為其中一部分也(ye)應運而生。智(zhi)慧(hui)水(shui)廠(chang)作為智(zhi)慧(hui)水(shui)務的(de)基礎(chu)，近幾年來(lai)備受關注(zhu)，但是，關于(yu)智(zhi)慧(hui)水(shui)廠(chang)，目前還沒有一個比較(jiao)(jiao)正式(shi)、描(miao)述比較(jiao)(jiao)準(zhun)確的(de)定義(yi)。
智(zhi)慧(hui)(hui)水廠(chang)(chang)是以傳統(tong)的(de)自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)(hua)(hua)制水技(ji)術為(wei)基礎，通過進一步增(zeng)“智(zhi)”，在實現水廠(chang)(chang)全自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)(hua)(hua)運行的(de)基礎上，通過信息通信技(ji)術（ICT）、建(jian)模(mo)與決策支持(chi)系統(tong)的(de)集成應用(yong)，實現水廠(chang)(chang)的(de)智(zhi)慧(hui)(hui)化(hua)(hua)(hua)運營。在美國，智(zhi)慧(hui)(hui)水廠(chang)(chang)更側重于(yu)“自(zi)(zi)動(dong)(dong)化(hua)(hua)(hua)”、“智(zhi)能化(hua)(hua)(hua)”和“交互性”。
2、智慧水廠發展現狀及存在問題
2.1發展(zhan)現狀
經(jing)過幾年(nian)的發展(zhan)，業界(jie)基本上形成了(le)一個共(gong)識，智慧水(shui)(shui)廠(chang)≠全(quan)自(zi)動水(shui)(shui)廠(chang)/無人水(shui)(shui)廠(chang)。但不可否認(ren)，全(quan)自(zi)動水(shui)(shui)廠(chang)/無人水(shui)(shui)廠(chang)是智慧水(shui)(shui)廠(chang)的基礎(chu)。
從工(gong)(gong)業(ye)1.0到工(gong)(gong)業(ye)4.0，工(gong)(gong)廠(chang)(chang)逐漸通過技術創(chuang)新(xin)不斷提高生產(chan)力，實(shi)現了從工(gong)(gong)業(ye)化(hua)(hua)(hua)(hua)、電氣化(hua)(hua)(hua)(hua)到自(zi)動(dong)化(hua)(hua)(hua)(hua)再到智慧(hui)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)發(fa)(fa)(fa)展，水(shui)廠(chang)(chang)的(de)發(fa)(fa)(fa)展也不例外(wai)，電、電機、水(shui)泵的(de)發(fa)(fa)(fa)明，使(shi)水(shui)廠(chang)(chang)能夠工(gong)(gong)業(ye)化(hua)(hua)(hua)(hua)、電氣化(hua)(hua)(hua)(hua)，而繼(ji)電器技術、PLC的(de)發(fa)(fa)(fa)明，則(ze)使(shi)自(zi)動(dong)化(hua)(hua)(hua)(hua)成為可能。目(mu)前，國內不少(shao)老(lao)舊水(shui)廠(chang)(chang)還走在實(shi)現自(zi)動(dong)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)路(lu)上(shang)，而一些(xie)新(xin)建水(shui)廠(chang)(chang)則(ze)通過先進技術的(de)應用(yong)，已(yi)經打造出(chu)了初具雛(chu)形的(de)智慧(hui)水(shui)廠(chang)(chang)，例如深(shen)圳(zhen)光明智慧(hui)水(shui)廠(chang)(chang)目(mu)前已(yi)投入運營，盡管后續還有待完善。
2.2 智慧水廠建設存在的問題
與電力(li)領域相比(bi)(bi)，水務領域的信息化、智(zhi)慧化建設一直(zhi)比(bi)(bi)較(jiao)落后(hou)，智(zhi)慧水務是近(jin)十年(nian)才逐漸(jian)受(shou)到政府、企業的重視(shi)。
目前智(zhi)慧(hui)水廠(chang)的(de)建設企業主要(yao)有三類，一是(shi)大型水務集團，他(ta)們擁(yong)有強(qiang)大的(de)資(zi)金實(shi)力(li)投(tou)資(zi)信息化系統(tong)(tong)研(yan)發，也非常熟悉水廠(chang)運(yun)營，但(dan)是(shi)他(ta)們研(yan)發的(de)系統(tong)(tong)通常都是(shi)定制(zhi)化，主要(yao)供內部使(shi)用；二是(shi)傳統(tong)(tong)制(zhi)水系統(tong)(tong)制(zhi)造商，即(ji)為(wei)水廠(chang)建設及設備自控系統(tong)(tong)施工(gong)方(fang)，他(ta)們了解(jie)制(zhi)水過程(cheng)，擁(yong)有大量(liang)的(de)實(shi)際經驗，但(dan)對(dui)智(zhi)慧(hui)水廠(chang)方(fang)面(mian)入門晚，信息技(ji)術薄(bo)弱；三是(shi)信息技(ji)術公司，這類企業通常掌握的(de)信息化技(ji)術較(jiao)為(wei)全面(mian)，但(dan)缺(que)乏水務專業技(ji)術支撐(cheng)，導致開發的(de)系統(tong)(tong)有很多功能成為(wei)“雞肋(lei)”。
從當前(qian)已經建成的智慧水廠來看(kan)，通常都存(cun)在以(yi)下幾個問題：
（1）缺少頂層設(she)(she)計：傳(chuan)統的智(zhi)慧水廠(chang)建設(she)(she)往(wang)往(wang)根據水廠(chang)現(xian)狀進行(xing)信息(xi)化(hua)升級，這樣做的優勢是可以充(chong)分利用現(xian)有(you)資源(yuan)，但缺點在于缺少自上而下(xia)的頂層設(she)(she)計，雖然(ran)結合當下(xia)熱(re)門的人(ren)工智(zhi)能、大數據、區塊(kuai)鏈等技術，但仍然(ran)難(nan)以實現(xian)水廠(chang)管(guan)理、服務(wu)的全面智(zhi)慧化(hua)；
（2）標(biao)準(zhun)不(bu)(bu)統(tong)一：智慧水廠(chang)通(tong)常由不(bu)(bu)同(tong)企(qi)業(ye)開發的多個系統(tong)組成(cheng)，每個系統(tong)都有自己的標(biao)準(zhun)，不(bu)(bu)同(tong)廠(chang)家、不(bu)(bu)同(tong)系統(tong)，軟硬件(jian)難(nan)兼容；
（3）為“智(zhi)慧(hui)(hui)”而“智(zhi)慧(hui)(hui)”：軟件智(zhi)慧(hui)(hui)化功能(neng)很強(qiang)，但是往(wang)往(wang)沒有結(jie)合水廠實際運(yun)行模式和(he)軟硬(ying)件情況進行設(she)計，實用性(xing)不強(qiang)。
3、智慧水廠建設思考
3.1 以實用為核心的智慧水廠系統
從自動化(hua)、信(xin)息化(hua)、數字化(hua)概念的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)來看，不同(tong)的(de)(de)(de)(de)名稱突(tu)顯的(de)(de)(de)(de)只是不同(tong)的(de)(de)(de)(de)技術實(shi)現手段，但其應用(yong)性的(de)(de)(de)(de)本(ben)質是沒有改變的(de)(de)(de)(de)。智慧水廠(chang)系(xi)統的(de)(de)(de)(de)建(jian)設必須(xu)以實(shi)用(yong)為(wei)核(he)心，根據(ju)水廠(chang)的(de)(de)(de)(de)實(shi)際需求進行建(jian)設，在(zai)解決行業或企業本(ben)身存在(zai)的(de)(de)(de)(de)運行、管理難題基礎(chu)上(shang)，深度挖掘大(da)數據(ju)價值，通過信(xin)息化(hua)系(xi)統軟(ruan)件和管理軟(ruan)件的(de)(de)(de)(de)高度融合(he)，實(shi)現水廠(chang)整體的(de)(de)(de)(de)智慧化(hua)運營(ying)。
3.2 建立統一標準
智慧(hui)水廠(chang)涵蓋生產工藝、運(yun)行(xing)保(bao)障、原材料管理(li)、設備維護、構筑(zhu)物維護、環境(jing)管理(li)、人員管理(li)、安全保(bao)障等涉及水廠(chang)運(yun)行(xing)方(fang)方(fang)面(mian)面(mian)的一系(xi)列系(xi)統，這些系(xi)統可能由不同的企業開發(fa)，因此(ci)需要建立統一的數(shu)據標(biao)(biao)準、協議標(biao)(biao)準、接口標(biao)(biao)準、通信協議，使所有(you)系(xi)統之間的數(shu)據可以(yi)整合共享，由此(ci)組成的智慧(hui)水廠(chang)成為(wei)一個有(you)機整體。
4、智慧水廠建設內容
智(zhi)(zhi)慧水廠的建設應從底層的基礎硬件出發(fa)，向上逐步構建數據處理的智(zhi)(zhi)慧大腦，最(zui)后通過多(duo)個(ge)智(zhi)(zhi)慧化應用(yong)打造一個(ge)完善智(zhi)(zhi)慧化水廠。
4.1 第一層：自動化
水(shui)(shui)廠(chang)工(gong)藝流程自動(dong)化(hua)：從取(qu)水(shui)(shui)泵(beng)站取(qu)水(shui)(shui)通(tong)過管網輸送到水(shui)(shui)廠(chang)進行加藥(yao)、混凝(ning)、沉(chen)淀、過濾、加氯凈化(hua)處理后(hou)，由供水(shui)(shui)泵(beng)房加壓輸送至供水(shui)(shui)管網的全過程實現自動(dong)化(hua)控制，這是實現智慧水(shui)(shui)廠(chang)的硬件基礎。
安(an)防(fang)自動化：通(tong)過周(zhou)界防(fang)范(fan)系統、視頻安(an)防(fang)監(jian)控系統、門禁系統、出(chu)入(ru)口(kou)控制系統等構筑(zhu)的安(an)全防(fang)范(fan)系統，對水廠建筑(zhu)群及其內(nei)部的人(ren)員(yuan)、設備、區域(yu)實(shi)現安(an)全防(fang)范(fan)。
環(huan)境自(zi)動(dong)化：通(tong)過(guo)構筑物監測系統，實(shi)現對水廠溫度(du)、濕(shi)度(du)、有(you)害(hai)(hai)氣(qi)體(ti)、設備(bei)接點(dian)溫度(du)、水位、煙霧信號(hao)、明火信號(hao)等(deng)環(huan)境數(shu)據監測，環(huan)境參數(shu)超標(biao)自(zi)動(dong)警(jing)告及自(zi)動(dong)排障(zhang)功能，警(jing)情管控(kong)、故障(zhang)定位等(deng)功能。通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)綠(lv)化養護系統，利(li)用多種定制化灌溉(gai)(gai)策略，實(shi)現定時智能循環(huan)澆(jiao)灌，感應土壤含水量自(zi)動(dong)澆(jiao)水，根據氣(qi)象數(shu)據、土壤蒸騰量調節灌溉(gai)(gai)制度(du)；通(tong)過(guo)植物數(shu)據庫和專家系統后臺，提出病蟲害(hai)(hai)防治預案及科學(xue)養護建議。
4.2 第二層：智慧大腦
物聯(lian)網(wang)平(ping)臺：將現代信息技術(shu)物聯(lian)網(wang)與水(shui)廠深度融(rong)合，實現整個智(zhi)(zhi)慧水(shui)廠從計劃、生(sheng)(sheng)(sheng)產、管理、物料、倉儲、采購、維修等(deng)各個環(huan)節所產生(sheng)(sheng)(sheng)的各類(lei)數據(ju)的集中采集、存儲和(he)分析，進而從大量數據(ju)中挖掘得到(dao)有(you)價值的新信息，從而促進水(shui)廠生(sheng)(sheng)(sheng)產管理的創(chuang)新、提(ti)升經(jing)營水(shui)平(ping)和(he)生(sheng)(sheng)(sheng)產運作效率，是(shi)實現智(zhi)(zhi)慧水(shui)廠的數據(ju)基礎。
智能視(shi)頻(pin)(pin)(pin)監控(kong)(kong)(kong)平臺：采(cai)用圖像處理、模式識別和(he)計算(suan)機視(shi)覺技術，通過智能視(shi)頻(pin)(pin)(pin)分析模塊，借(jie)助計算(suan)機強(qiang)大的(de)數據處理能力，自(zi)動對視(shi)頻(pin)(pin)(pin)監控(kong)(kong)(kong)畫(hua)面進行快(kuai)速(su)高效(xiao)的(de)分析，判斷監控(kong)(kong)(kong)畫(hua)面中的(de)異常情(qing)況(kuang)，并以最快(kuai)和(he)最佳的(de)方(fang)式發出警報(bao)或觸發其它動作(zuo)，大幅提升傳統(tong)依(yi)賴人工檢查視(shi)頻(pin)(pin)(pin)畫(hua)面的(de)效(xiao)率和(he)效(xiao)果。
人工智(zhi)能平臺：基于SPARK機器學習庫和(he)TensorFlow深度學習框架，建立高級智(zhi)能算法，搭建水廠的知識圖(tu)譜和(he)神經網(wang)絡結構，讓機器有能力“思考”，形成(cheng)具(ju)有智(zhi)慧決(jue)策能力的人工智(zhi)能大(da)腦。
4.3 第三層：智慧應用
4.3.1智(zhi)慧安(an)防(fang)
通過(guo)人(ren)(ren)臉識別、車輛識別管理、非法侵(qin)入位追蹤、無(wu)人(ren)(ren)機(ji)巡檢、AR眼鏡(jing)監測、遠程在(zai)線設備(bei)故(gu)障診斷處置、重點區域闖入預(yu)警構建水廠全(quan)(quan)面、立體的(de)安(an)保系統(tong)，通過(guo)云計算、無(wu)線覆蓋、移動終端(duan)、人(ren)(ren)員(yuan)識別、人(ren)(ren)員(yuan)定(ding)位等(deng)(deng)技(ji)術手段，通過(guo)事先確定(ding)的(de)路線和活(huo)動范圍，規范人(ren)(ren)員(yuan)的(de)活(huo)動，并提供(gong)照明、通風空調以及說(shuo)明、講解、應急(ji)聯絡等(deng)(deng)服(fu)務，保證(zheng)生產安(an)全(quan)(quan)、人(ren)(ren)員(yuan)安(an)全(quan)(quan)。
4.3.2智慧生產
通(tong)過對水(shui)廠(chang)生產過程(cheng)的數(shu)(shu)據采集、清(qing)洗、存儲、分析(xi)和(he)輸出展現(xian)，實現(xian)對水(shui)廠(chang)數(shu)(shu)據進行(xing)遠程(cheng)集中(zhong)化的水(shui)廠(chang)運行(xing)綜合管(guan)理，讓各級(ji)管(guan)理人員應能通(tong)過系統能夠及時、準確、全面、直觀的了解和(he)掌握(wo)生產狀況。
4.3.3智慧運營
通(tong)過建立水廠(chang)運行(xing)關鍵(jian)績效(xiao)指標評估機(ji)制，從管理質(zhi)量、能(neng)耗(hao)分析(xi)、藥耗(hao)分析(xi)、設備運行(xing)效(xiao)率、環(huan)境效(xiao)益(yi)、運行(xing)工(gong)藝(yi)參數、績效(xiao)考核等(deng)多個方面定期對自來水廠(chang)的運行(xing)管理狀況進行(xing)綜合評定。
4.3.4智能運(yun)維
基于水廠的產生運維需求，定制個性化(hua)巡檢路徑(jing)，結合巡檢點、設備和傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)時數據、視頻監控、機器(qi)人、AR，實(shi)現高(gao)效運維巡檢。
4.3.5設備(bei)資產管理
基(ji)于(yu)先(xian)進(jin)的資產(chan)(chan)全(quan)生命(ming)周期(qi)管理(li)(li)理(li)(li)論，通(tong)過(guo)核心(xin)臺(tai)賬(zhang)對(dui)企(qi)業中(zhong)各類設備及(ji)資產(chan)(chan)的生命(ming)周期(qi)進(jin)行一元化管理(li)(li)，并(bing)有(you)機(ji)結合歷史管理(li)(li)、庫存管理(li)(li)、預(yu)算管理(li)(li)、統計(ji)分析、工(gong)作流等功能，提供完整(zheng)的日(ri)常性(xing)(xing)設備/資產(chan)(chan)管理(li)(li)平臺(tai)，同時(shi)與IoT及(ji)大(da)數據分析等應用技術進(jin)行融合對(dui)接，實(shi)現(xian)設備實(shi)時(shi)狀態監控，按需維保(bao)，預(yu)防性(xing)(xing)維保(bao)等高級(ji)別應用。
4.3.6智能監盤
基(ji)于水廠(chang)智能化(hua)建模(mo)手段，將運行(xing)規程(cheng)和安(an)全規程(cheng)知識(shi)化(hua)，利用智能知識(shi)庫協助監(jian)盤(pan)(pan)人員對運行(xing)中的各類參數(shu)和設備狀(zhuang)態(tai)進行(xing)監(jian)測(ce)，并根據(ju)重要程(cheng)度依次將異(yi)常預(yu)警信號呈現(xian)給監(jian)盤(pan)(pan)人員。監(jian)盤(pan)(pan)人員可以實時監(jian)視水廠(chang)各工藝流程(cheng)、系(xi)統、設備的健康狀(zhuang)態(tai)，查看故障預(yu)警、設備健康狀(zhuang)態(tai)和故障報(bao)警信息(xi)。
4.3.7智慧(hui)辦公
利(li)用云計算(suan)技術對辦(ban)公業務(wu)所需的軟硬件設備進行智能化管(guan)(guan)理(li)(li)(li)，通過建立個人(ren)辦(ban)公、公共信息(xi)、行政事務(wu)、公文流轉(zhuan)、知識(shi)管(guan)(guan)理(li)(li)(li)、幫助、系統管(guan)(guan)理(li)(li)(li)等模(mo)塊，實現水廠人(ren)事管(guan)(guan)理(li)(li)(li)、財務(wu)管(guan)(guan)理(li)(li)(li)、資(zi)產管(guan)(guan)理(li)(li)(li)、科(ke)研管(guan)(guan)理(li)(li)(li)等信息(xi)化和自動化。
4.3.8智慧環境(jing)控制
根據不同設備、不同人(ren)員(yuan)的(de)(de)不同需求，通過對水(shui)廠照明(ming)、通風(feng)、空調等等制定精(jing)準的(de)(de)控制策略(lve)，并(bing)與其他系統的(de)(de)配(pei)合，在滿(man)足人(ren)員(yuan)的(de)(de)舒適性、設備的(de)(de)安全(quan)性等前(qian)提下，達到節能、減排、減少污染的(de)(de)目的(de)(de)。
4.3.9智慧養護
根據氣象信息、植(zhi)(zhi)物檔案(an)信息，通(tong)過自動(dong)澆灌(guan)系(xi)統、植(zhi)(zhi)物管(guan)理系(xi)統對水廠綠植(zhi)(zhi)實現自動(dong)澆灌(guan)，并提供養護(hu)計劃，適時安排施肥、修(xiu)剪(jian)等養護(hu)工作。
4.3.10智慧(hui)構筑物(wu)監測
針對重要構(gou)筑(zhu)(zhu)物(wu)，建立構(gou)筑(zhu)(zhu)物(wu)健康監測(ce)系統，監測(ce)構(gou)筑(zhu)(zhu)物(wu)應力、變形(xing)、沉降等敏感參(can)數，與設計參(can)數進行比較，實時評(ping)估構(gou)筑(zhu)(zhu)物(wu)安全狀況。
4.3.11數字孿生(sheng)
通(tong)過(guo)BIM、傳感器等技術(shu)，搭建一(yi)個高度鏡像化的(de)(de)數字(zi)水廠，通(tong)過(guo)物理(li)(li)信息(xi)系統(Cyber-Phyical System，CPS)，實現(xian)物理(li)(li)水廠與數字(zi)水廠的(de)(de)交互(hu)與融合，從而實現(xian)水廠的(de)(de)透(tou)明化管理(li)(li)，全面提升管理(li)(li)效(xiao)率。
5、總結
智慧水(shui)(shui)廠建(jian)(jian)設(she)是(shi)一項龐大(da)而(er)(er)復雜的(de)工(gong)程，需要站在智慧城市的(de)高度，自(zi)上而(er)(er)下做好頂層設(she)計，再(zai)結合水(shui)(shui)廠的(de)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)，分步完成各個系(xi)統的(de)建(jian)(jian)設(she)，最(zui)終實(shi)現智慧水(shui)(shui)廠的(de)目標，而(er)(er)其成熟的(de)標志就是(shi)人工(gong)干預越(yue)來(lai)越(yue)少。