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★深圳市水務科技有限公司

1　方案目標和概述

1.1　總體概述

洪湖智慧水質凈化廠基于“管控一體化”思路數字化、智能化的趨勢發展，解決廠級設備、生產、安全和運維的疑難問題，廠級生產運維管理和能耗監測與節能分析，可實時監控分析水廠耗能指標，并對水廠生產經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、數據建模分析等進行綜合處理。是一個通過采用先進的管理思維和技術手段，實現廠站無人/少人值守的智能化自動控制、作業和設備全生命周期信息化管理運維，融合人機智慧合作，在保障水質安全可靠前提下實現最佳成本效率。

1.2　主要目標

（1）態勢全可視

一體化顯示廠站運行情況的全景圖，隨時通過移動終端、電腦和大屏幕顯示等渠道了解掌握廠站人、事、物的實時狀態和總體態勢。

（2）事件全可控

事件高效處置，實現跨部門、跨區域、跨系統協作，一旦廠站事件發生，可以統一調度資源，快速響應，安全有效處置。

（3）業務智慧化

平臺提供各類豐富完善的服務功能，使得管理決策者全局掌控運營態勢，不再僅僅依賴于個人經驗，而是基于融合數據分析、決策支持，幫助管理者及時作出最佳的決策。

（4）建設實現全生命周期的設備管理及維修保養體系

通過綜合設備運行參數監測、設備在線診斷、設備智能評估、設備故障統計分析和預測預警（含視頻智能預防等）、設備巡檢工單（含預防性維護保養工單、整合生產巡檢）等構建廠站設備全生命周期管理體系。

（5）建設敏捷反應集中管控的運行管控體系

通過數字孿生方式的全渠道集成互聯展示（電腦、移動終端和大屏幕等）、智能融合巡檢、安防視頻、故障報警及診斷、事件流程管理、廠站運行工況、各業務KPI計算及各類統計分析報表等，構建具有統一的數據資源、業務集中管控的廠站信息平臺。

（6）建設保障廠站運行的安全體系

通過整合電子門禁、視頻監控、電子圍欄和環境監測等構建環境與人員安全體系；應用網絡安全技術（工控網絡隔離、入侵檢測等）、軟件安全技術（用戶認證、權限控制、日志與審計等）等構建廠站信息安全保障體系。

（7）形成可復制推廣的水廠（污水廠）數字化產品

開發智慧廠站的全套數字化產品，同時構建完整的“共享、共創、共擔、共贏”合作生態圈，面向行業和外部市場進行積極拓展。

1.3　功能架構

平臺支持“分公司-集團”兩級部署以滿足“廠站-分公司-集團”三級管理要求，采用云計算超融合架構的模式，能提供靈活的可擴展性，滿足日后用戶規模及架構的擴充需求。平臺部署架構圖如圖1所示。

圖1 平臺部署架構圖

2　方案介紹

2.1系統結構

平臺主要采用微服務框架，在設計和建設時具備良好的擴展性、互操作性，以及與現有系統的兼容性，避免新“異構”系統的出現，減少集成問題，降低集成難度。使用微服務框架技術將多種應用服務構建為一個個小的自主服務，每個服務都圍繞著具體業務進行構建，能夠獨立地部署到運行環境中，服務間采用輕量級通信機制進行契約依賴。通過構建適合的微服務框架，滿足不同業務的特定需求，實現組件間的交互，并保證每個組件可以獨立升級、替換、部署。

平臺實現了技術、業務、集成和基礎組件的統一化，采用了統一技術規范和約束、組件化開發框架、統一門戶綜合展現、統一數據庫引擎、統一的流程和報表引擎、標準化的業務流程、統一的接口服務等。

平臺基于數字孿生場景化應用的設計理念，以事件驅動的形式觸發相關的業務功能，來滿足不同業務場景的需求。

業務架構圖如圖2所示。

圖2 業務架構圖

技術架構圖如圖3所示。

圖3 技術架構圖

部署架構圖如圖4所示。

圖4 部署架構圖

網絡架構圖如圖5所示。

圖5 網絡架構圖

洪湖智慧水質凈化廠具有以下亮點：

（1）廠站安全可靠

通過覆蓋全面的儀表、配置高可靠硬件、冗余重點設備及網絡、冗余工藝控制邏輯、定制智能安全設備、智能識別、精確定位等技術方式，構建高可靠的水廠自動化系統和安防系統，與此同時，基于水廠智慧管控平臺的數據資源與能力，開發風險預判及處置、故障智能診斷、設備預測性維護等智慧應用，有效保障廠站生產運營安全、設備自控安全、網絡及信息安全以及人員安全。

（2）出水優質穩定

在高可靠的自動化控制系統的基礎上，利用工藝優化控制軟件從進水到出水將污水處理的整個工藝段進行有機整合，對影響污水處理效果的操作參數全面考慮并優化，協同有效控制各工藝段的運行參數，構建全流程智能控制系統，實現出水水質達標率全年高于99.99%。

（3）提高工作效率

自動化系統——減少人為干預，遠程操作設備。

安防系統——對安全事件第一時間做出反應。

運營平臺——利用工業物聯網實現設備與終端全在線，移動互聯網實現內外人員全在線，廠站各系統數據互通，廠站運營管理全面在線化。

（4）安全措施

·系統自檢：提前發現系統隱患和安全風險；

·智能消防：滅火設備隨時可用，消防風險提前預警；

·應急指揮調度：一鍵式指揮調度，全系統聯動處置；

·安全用電：智慧分析用電數據，及早處理用電隱患；

·HACCP體系：全面減少和控制水質安全風險；

·工控安全滿足網絡安全等保2.0要求。

3　代表性及推廣價值

3.1　應用情況

（1）智能投藥：模糊控制，把過往的實踐經驗轉換為控制規則，可以有效地運用人們在實踐中得到的經驗與知識。神經網絡的自學能力、適應性和容錯性都很優越。對非線性時變系統的調節作用表現良好。在本系統中，模糊控制與神經網絡控制互相綜合起來，更加有效地完成了對加藥系統的調節。

（2）三維VR與視頻融合：全局視角觀察廠區的實時動態。

（3）機器人巡檢：節省人工成本、規避運維人員安全風險。

（4）實現設備PDCA閉環管理及總體閉環管理。

（5）設備可視化管理。

（6）全天候安全監控：360度布防，安全無死角。

3.2　社會價值

智慧水廠是運用物聯網、云計算、大數據、空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規劃、建設、管理和服務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，特別是信息技術，目的是提高規劃、建設、管理和服務能力。為滿足智慧城市的要求，作為城市重要基礎設施，智慧水廠應該是以應用新一代信息技術為手段，生產、運行、維護、調度和服務等全方位、全過程各環節高度信息互通、反應快捷、管理有序的高效節能、綠色環保、環境舒適水廠。

3.3　技術的創新與先進性

（1）5G在國內水務行業的首次應用

5G的低時延、大帶寬和大連接三大特性，以及網絡切片和邊緣計算兩大關鍵技術可以滿足智慧水廠管理和生產各個環節中對安全性、可靠性和靈活性的需求，實現設備的精準監控及遠程管理。

（2）全廠全流程智能工藝控制，實現工藝智慧

智能工藝控制系統立足于傳統的自動化控制及監控體系基礎上，運用多種人工智能算法進行數據分析給出最優化的運營策略，從而達到實時達標排放、降低運行成本，實現全流程自動閉環控制，最終實現少人值守或無人值守。

（3）廠網河全要素管理，突破廠區限制，整體性提升綜合治理能力

洪湖水質凈化廠智慧水廠建設，全面提升了管控手段。系統通過繪制洪湖水質凈化廠上下游流域水質、液位、流量等全要素信息以及排水GIS信息圖，全面了解廠區流域內治水治污設施的拓撲關系及管網實時監控信息，實現廠網河全域數據的實時監管，拓展調度廣度。

（4）大數據輔助分析決策，實現設備預防性維護，提升廠站應急能力

通過采用數據清洗、數據分析、數據挖掘、數據可視化等一系列針對大數據技術，以并行處理的方式，找出數據之間未知的、有價值的規律和聯系。

（5）BIM三維虛擬現實顯示，數字孿生，設備設施生產運營全面可視化

洪湖水質凈化廠直接將BIM成果應用到廠站運營運維階段，利用其可視化特性，在管控平臺中加入三維交互式的漫游體驗，將工程實體場景在計算機中呈現，實現廠站三維場景實時動態可視化監控。

3.4　經濟性

洪湖水質凈化廠基于水廠智慧管控平臺的數據資源與能力，與環水集團生產調度平臺和廠級自動化控制系統互聯互通及聯動，構建風險預判及處置、故障智能診斷、能源優化利用、設備預測性維護和績效評估等的智慧應用，在保障出水水質優良穩定的情況下實現水廠運行節能降耗，優化管理，提升效益，最終實現電耗、藥耗降低10%以上，人員減少30%以上。

摘自《自動化博覽》2023年5月刊