程瑜

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432

摘要：基于云平臺的智慧水務(wù)強(qiáng)調(diào)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用，挖掘大量高效的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與專業(yè)技術(shù)人品所掌握的知識領(lǐng)域相結(jié)合，并以數(shù)字孿生等直觀表達(dá)方式為企業(yè)各個決策部門提供數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。文章提出基于“智慧水務(wù)云平臺技術(shù)"的技術(shù)架構(gòu)體系，并列舉出云平臺在智慧水廠中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合說明了"智慧水務(wù)云平臺"技術(shù)在智慧水務(wù)中的運(yùn)用價值和意義。

關(guān)鍵詞：云平臺；智慧水務(wù)

1水務(wù)行業(yè)智慧化發(fā)展的需求

1.1水務(wù)行業(yè)的智慧化現(xiàn)狀

目前大多數(shù)地區(qū)水處理設(shè)施的運(yùn)行調(diào)控方式較為粗放，控制精度低，時效性弱，運(yùn)行成本居高不下。開發(fā)可有效實(shí)現(xiàn)水處理設(shè)施穩(wěn)定、低碳、高效運(yùn)行的全流程智能控制策略很有必要，而智能控制技術(shù)又要以大量水處理設(shè)施和傳感器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為依托。這就需要形成針對水務(wù)行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求，以海量數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析、服務(wù)為基礎(chǔ)，建設(shè)支持資源泛在連接、彈性供給和高效配置的開放式云平臺，為集團(tuán)式水務(wù)企業(yè)提供高效的數(shù)據(jù)處理與全流程水務(wù)智能控制策略。

1.2智慧水務(wù)云平臺技術(shù)的價值和意義

以水行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為目標(biāo)，構(gòu)建以海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析和服務(wù)體系為基礎(chǔ)，支撐水行業(yè)業(yè)務(wù)能力提升、資源配置的開放式平臺，構(gòu)建水務(wù)行業(yè)生態(tài)體系的核心。其實(shí)質(zhì)是通過構(gòu)建實(shí)時、高效的數(shù)據(jù)收集和連接系統(tǒng)，構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)的存儲、集成、訪問、分析、管理等開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)?業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識的模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化、復(fù)用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進(jìn)的水務(wù)行業(yè)新生態(tài)。

通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加上水務(wù)集團(tuán)多年積累的行業(yè)知識和工藝技術(shù)，結(jié)合智慧化的運(yùn)營管理理念，推出面向水務(wù)行業(yè)的智慧水務(wù)運(yùn)營管理平臺，面向地區(qū)水務(wù)集團(tuán)下屬的水處理設(shè)施，建立“數(shù)字化”應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)營體系，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理能力的深度提升。基于信息流的集成，構(gòu)建具有"設(shè)備互聯(lián)、數(shù)字集成、智能預(yù)測"等特征的智能云平臺的運(yùn)行體系。

2智慧水務(wù)云平臺的技術(shù)體系

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧水務(wù)運(yùn)營管理平臺采用了融合邊緣計(jì)算和云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)，包括設(shè)備層、PaaS層（平臺服務(wù)層）和SaaS層（軟件服務(wù)層）和模式層。

智慧水務(wù)云平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要是利用各種通訊方式，對各種設(shè)備、系統(tǒng)、產(chǎn)品進(jìn)行訪問，對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并利用協(xié)議變換技術(shù)，對不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和邊緣整合。

工業(yè)PaaS層是以工業(yè)模型、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務(wù)為基礎(chǔ)的開放平臺。其中，工業(yè)PaaS系統(tǒng)具有三大功能：①通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的處理，使其與工業(yè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而建立起對行業(yè)數(shù)據(jù)的分析能力，并對其進(jìn)行價值挖掘；②將工業(yè)技術(shù)原理、行業(yè)知識、工藝基礎(chǔ)、模型工具等進(jìn)行規(guī)范化、軟件化、模型化，并將其包裝成可循環(huán)利用的微型服務(wù)部件：③通過搭建軟件開發(fā)環(huán)境. 利用微服務(wù)部件、工業(yè)模型及應(yīng)用開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)APP的快速定制。

SaaS層針對水務(wù)行業(yè)場景，開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯功能，通過調(diào)用邊緣層和平臺層的微服務(wù)，推動工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識和實(shí)踐的模型化、軟件化和再封裝，從而形成滿足不同場景的工業(yè)APP，包括數(shù)字雙胞胎、工藝運(yùn)行仿真、專家診斷服務(wù)、能耗管理優(yōu)化、運(yùn)營管理調(diào)優(yōu)與運(yùn)營咨詢、生產(chǎn)優(yōu)化和智能控制、設(shè)備大修與預(yù)測性維護(hù)、監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析等，從而形成智慧水務(wù)云管理平臺的最終使用價值。

2.2平臺數(shù)采/數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

2.2.1數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

在水廠側(cè)部署智能網(wǎng)關(guān)，支持前端設(shè)備和傳感器協(xié)議接入，設(shè)備接入?yún)f(xié)議可定制開發(fā)。

智能網(wǎng)關(guān)通過5G無線通訊或VPN有線通訊方式將數(shù)據(jù)直接傳輸入云。數(shù)據(jù)傳輸過程中通過VPN 等手段進(jìn)行安全加密。

云平臺端通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持更多廠家智能網(wǎng)關(guān)接入，提供接口開發(fā)SDK。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對工業(yè)數(shù)據(jù)異構(gòu)性、海量規(guī)模的特點(diǎn)，根據(jù)每種數(shù)據(jù)特性選擇合適的存儲方式，采用數(shù)據(jù)湖技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲方案，滿足了水務(wù)行業(yè)場景下異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)高并發(fā)、高吞吐、低延時、高可用的數(shù)據(jù)使用要求。

3 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺功能和專業(yè)數(shù)據(jù)模型管理，實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時大數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析

對水處理設(shè)施不同種工藝段圖形化展示，可以實(shí)時展示每種工藝段中設(shè)備實(shí)時狀態(tài)和儀表實(shí)時數(shù)據(jù)。提高數(shù)據(jù)反饋時效性，將實(shí)時數(shù)據(jù)的變化情況及時展示，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)設(shè)備或儀表的告警時，可實(shí)時獲取告警信息，展示給現(xiàn)場操作人員。

關(guān)鍵工藝參數(shù)以趨勢曲線方式展示數(shù)據(jù)實(shí)時情況，分析實(shí)時數(shù)據(jù)當(dāng)前及過去曲線走勢，可以對同一數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行環(huán)比和同比數(shù)據(jù)分析，通過分析數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的設(shè)備和儀表運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)分析支持。

3.2基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)判別和清洗

通過圖形化方式展示異常數(shù)據(jù)，通過對異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，延長設(shè)備和儀表使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)成本。在地圖上看到所有污水廠分布以及在線情況，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)剖析。

平臺可按照各類清洗規(guī)則對大數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)模型開發(fā)等創(chuàng)造條件四。

3.3基于平臺，整合數(shù)據(jù)、模型、工具，開發(fā)實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)的數(shù)字孿生

作為水務(wù)集團(tuán)運(yùn)行"智慧大腦"的核心模塊，數(shù)字孿生其實(shí)質(zhì)是通過智慧水務(wù)將實(shí)時數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)與機(jī)理模型、BIM模型進(jìn)行整合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)物理資產(chǎn)及其運(yùn)營狀態(tài)的數(shù)字透徹可感知地呈現(xiàn)。

結(jié)合業(yè)務(wù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過建模和數(shù)據(jù)挖掘、將數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)預(yù)測、生化分析、控制參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、能效分析等進(jìn)行深入剖析和可視化展示，結(jié)合各類工況預(yù)測、仿真模擬和控制優(yōu)化等功能，為集團(tuán)水務(wù)的運(yùn)營管理提供運(yùn)營輔助決策，并探索基于云端的實(shí)時控制，追求實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定運(yùn)行和人工的優(yōu)化利用。

3.4 開發(fā)全套云化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大集團(tuán)高效數(shù)字化全業(yè)態(tài)管控模式

基于智慧水務(wù)云平臺，部署污水廠運(yùn)營管理成套系統(tǒng)、供水業(yè)務(wù)運(yùn)營管理成套系統(tǒng)、水環(huán)境運(yùn)營管理系統(tǒng)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)、自控專業(yè)化管控系統(tǒng)等運(yùn)營管理全套云化系統(tǒng)，并基于系統(tǒng)的快速應(yīng)用，探索、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化"組團(tuán)式"管理模式。

3.5 基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，結(jié)合平臺實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)解決方案

智慧水務(wù)云平臺將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與業(yè)務(wù)理論和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)污水生化全流程智能控制解決方案，保證厭氧、缺氧、好氧等各工藝段的工藝環(huán)境；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的合理關(guān)聯(lián)，對水廠進(jìn)水流量進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)智能提升控制；開發(fā)總磷虛擬儀表，實(shí)現(xiàn)對生化除磷的預(yù)測和智能加藥控制；基于人工智能及其識別基礎(chǔ)，對活性污泥中的指示性生物進(jìn)行分析判別為工藝人員提供水廠運(yùn)行依據(jù)，為水廠運(yùn)行提供預(yù)判信息。3.6搭建遠(yuǎn)程協(xié)助平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮設(shè)備運(yùn)維模式

部分水務(wù)設(shè)施的運(yùn)維工作人員缺乏專業(yè)技術(shù)能力，難以獨(dú)立開展設(shè)備的日常運(yùn)維，如對專業(yè)設(shè)備維修等，需要專業(yè)人員遠(yuǎn)程指導(dǎo)和實(shí)時監(jiān)督。

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

4.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺、一個APP實(shí)時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺拓?fù)鋱D

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3電動機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報警。準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實(shí)現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢。

能效分析按三級計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際先進(jìn)指標(biāo)對標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實(shí)現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6電氣安全

①電氣火災(zāi)監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

②消防應(yīng)急照明和疏散指示：根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設(shè)備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個屋頂?shù)难b機(jī)容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實(shí)時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6 總結(jié)與展望

通過智慧水務(wù)云管理平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營大數(shù)據(jù)的收集；利用新一代信息化技術(shù)打破傳統(tǒng)水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)對水務(wù)全業(yè)務(wù)流程的智能化監(jiān)管能力。大數(shù)據(jù)分析開發(fā)出與項(xiàng)目實(shí)際條件和工況相適應(yīng)的管理模型和機(jī)理模型，建立水務(wù)設(shè)施數(shù)字孿生和專家決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營輔助決策和控制；應(yīng)用智慧化全業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，建立高效流轉(zhuǎn)的運(yùn)營管理體系，實(shí)現(xiàn)一體化、組團(tuán)式管理模式；基于人機(jī)協(xié)同的可靠性配套方案，打造固若金湯的水務(wù)智慧化安全管理模式。

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審核編輯 黃宇