韓歡慶

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214443

   摘要：智慧水務(wù)是數字城市建設的重要內容之一，文章根據工程需要，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設計開(kāi)發(fā)了綜合水務(wù)管理平臺，通過(guò)水環(huán)境的智能感知、智能調度、智能服務(wù)和決策支持，形成基礎穩固、業(yè)務(wù)、資源集約、保障有力的現代水環(huán)境管理信息化體系。

  關(guān)鍵詞：智慧水務(wù)；智能感知；物聯(lián)網(wǎng)；大數據

   水務(wù)管理是城市管理的重要組成部分之一，智慧水務(wù)建設是智慧城市建設的必然延伸[1]。智慧水務(wù)系統充分利用多種信息技術(shù)，對水務(wù)信息進(jìn)行采集、傳輸、存儲及處理，通過(guò)感知、主動(dòng)服務(wù)、資源整合、科學(xué)決策，實(shí)現更自動(dòng)的控制和及時(shí)的應對[2-3]。

   水務(wù)管理系統貫穿水環(huán)境治理“數字設計—智能建造—智慧運維"全生命周期的各個(gè)階段[4]，立足業(yè)務(wù)建立“物聯(lián)感知─網(wǎng)絡(luò )傳輸─平臺大腦"體系，基于數字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算、5G、人工智能等技術(shù)[5-6]，以業(yè)務(wù)需求為導向，以水環(huán)境模型為基礎，業(yè)務(wù)和信息化，次挖掘各階段業(yè)務(wù)數據價(jià)值，不斷通過(guò)運維數據修正、優(yōu)化模型，實(shí)現科學(xué)決策與智慧管控，而不僅僅是做個(gè)“自動(dòng)監測和可視化展示的空殼"，解決城市水環(huán)境治理工程全生命周期各方痛點(diǎn)，才有生命力。

1 平臺建設原則

   本平臺以“智慧驅動(dòng)、治理"為理念，按照“少人化、無(wú)人化、智慧化"循序漸進(jìn)的發(fā)展步驟，根據水環(huán)境治理實(shí)際需求，按照智慧水務(wù)建設的標準和要求，建成“智能感知、廣泛互聯(lián)、業(yè)務(wù)協(xié)同、決策科學(xué)、服務(wù)主動(dòng)"的廠(chǎng)網(wǎng)河湖岸綜合管理平臺，涵蓋監控指揮一張圖、智慧供水應用系統、智慧排水應用系統、智慧水環(huán)境監管系統、績(jì)效考核監管系統和工程數字化交付系統共6大核心應用，實(shí)現“數據實(shí)時(shí)維護、供排水設施全過(guò)程管理、巡查養護監管、動(dòng)態(tài)數據監控預警、調度決策、績(jì)效考核落地實(shí)效"的目標，提升供排水管理的規范化、精細化、智能化水平。

   本平臺圍繞智能感知和科學(xué)決策這兩大主題，通過(guò)先數字化、后智能化、再智慧化的技術(shù)過(guò)程，采用云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)，通過(guò)監測傳感器部署連接形成智慧水務(wù)感知能力、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)形成智慧水務(wù)傳輸能力、通過(guò)整合由調度經(jīng)驗形成的規則庫、廠(chǎng)站網(wǎng)數值模型形成的方案庫以及監測的實(shí)時(shí)數據庫形成后臺決策支持系統，實(shí)現感知、分析全、業(yè)務(wù)全覆蓋、監控全過(guò)程，運維業(yè)務(wù)維度實(shí)現貫通關(guān)聯(lián)、空間維度實(shí)現大數據挖掘分析，提供智慧供水管理、智慧排水管理、智慧水環(huán)境監管、智慧績(jì)效考核評價(jià)等四類(lèi)智慧應用，打造成科學(xué)治水、治水的智慧水務(wù)管理平臺。

2 平臺總體設計

   智慧水務(wù)平臺總體框架在符合當前水環(huán)境管理和業(yè)務(wù)需要的前提下，又具有一定的前瞻性，滿(mǎn)足未來(lái)業(yè)務(wù)擴展的需求，考慮分布式、多層次、先進(jìn)技術(shù)與實(shí)用技術(shù)的策略，進(jìn)行海量信息處理與分析，以更加精細、動(dòng)態(tài)和智能的方式輔助決策，提升服務(wù)水平。

   本智慧水務(wù)平臺的總體框架由分層支持體系構成，包括智能感知層、信息化基礎設施層、數據資源層和業(yè)務(wù)應用系統層。另外還有兩個(gè)保障體系，包括保障體系和標準規范體系。

   通信網(wǎng)絡(luò )作為信息化建設的基礎環(huán)節，是信息傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和各種業(yè)務(wù)應用的承載平臺，起著(zhù)信息流高速傳輸和共享的通道作用。網(wǎng)絡(luò )部署符合國際及國家標準規范，可靠、互連、可互操作、可擴充，易于擴展、升級和維護。

   智慧水務(wù)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )主要由智能感知網(wǎng)絡(luò )和信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò )組成。

3 平臺設計

   本平臺通過(guò)底層的智能感知層獲取基礎數據，中層的數據資源和數據中臺提供各類(lèi)數據服務(wù)，上層的各應用系統為用戶(hù)提供綜合的智慧水務(wù)服務(wù)。

3.1 智能感知層

   智慧水務(wù)建設工程的監測感知層，針對各工程子項的監測需求，監測對象包括源頭、泵站、水庫、供水廠(chǎng)、制水廠(chǎng)、污水廠(chǎng)、供配水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水調節池等，監測內容包括流量監測、液位監測、壓力監測和水質(zhì)監測。

   排水系統工程按照源-網(wǎng)-站-廠(chǎng)分層分類(lèi)進(jìn)行監測布點(diǎn)，水環(huán)境工程根據工藝考核需求進(jìn)行監測布點(diǎn)，供水工程按照源-制-站-水池-輸-配-用戶(hù)分層分類(lèi)進(jìn)行監測布點(diǎn)。各子項監測點(diǎn)的分布、設備選型、監測方案設計依據以下基本原則：

1)實(shí)用性原則：監測點(diǎn)的布置與監測目的緊密聯(lián)系，監測目的既能滿(mǎn)足項目實(shí)際運營(yíng)管理需求，又充分了解項目建設現狀。

2)代表性原則：監測點(diǎn)的布設能夠準確地反映監測對象的水量水質(zhì)情況，從而確保監測點(diǎn)的監測結果具有較好的代表性。

3)先進(jìn)性原則：系統設計立足于應用需求，采用當前成熟先進(jìn)的技術(shù)，基于今后的需求考慮產(chǎn)品升級平滑度，使所選的產(chǎn)品具有較長(cháng)的生命周期，并確保系統的持續先進(jìn)性。

4)穩定性原則：按照監測需要，嚴格確定系統期望運行時(shí)間和可靠性等級，合理確定系統軟硬件期望故障時(shí)間和運行時(shí)間，選擇相應的產(chǎn)品，保障監測系統穩定可靠。

5)可行性原則：所選擇的監測位置能夠方便、安裝和檢修監測設備，并考慮設備的防盜問(wèn)題。站點(diǎn)結構在滿(mǎn)足可靠、耐久的前提下，充分考慮材料來(lái)源及施工條件等因素。

6)可維護性原則：立足無(wú)人駐守，定期巡檢、采集、傳輸、處理，應用軟件工程方法，確保系統的可擴充性和可維護性，降低系統運行與維護的難度和代價(jià)。

7)標準規范原則：監測系統設計嚴格遵循國家標準和行業(yè)內的標準，保障系統建設的標準化和規范化。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺

   物聯(lián)網(wǎng)接入平臺負責提供物聯(lián)網(wǎng)智能終端的接入管理，實(shí)現通訊連接和信息接入，通過(guò)線(xiàn)下收集到的設備信息，將設備信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統提供的功能進(jìn)行上傳和儲存，信息字段一般包括：設備名稱(chēng)、廠(chǎng)家、所屬分區、類(lèi)型、位置、坐標、質(zhì)保期、出廠(chǎng)編號等基本信息。

   為滿(mǎn)足對各智能業(yè)務(wù)終端、邊緣物聯(lián)代理的監視、配置和管理，匯集各端采集的數據并進(jìn)行標準化處理，并為數據中臺提供支撐，物聯(lián)網(wǎng)平臺支持以下能力：

1)兼容異構網(wǎng)絡(luò )：支持多種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，包括但不限于基于無(wú)線(xiàn)WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT；有線(xiàn)RS485、KNX等協(xié)議的數據傳輸，消息路由，云端適配等服務(wù)。

2)多協(xié)議接入：支持多種物聯(lián)網(wǎng)應用協(xié)議，包括但不限于MQTT、COAP、HTTP/HTTPS等常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，既能滿(mǎn)足長(cháng)連接的實(shí)時(shí)性需求，也能滿(mǎn)足短連接的低功耗需求。

3)云端數據分析處理：針對設備數據處理端，平臺支持編寫(xiě)類(lèi)規則過(guò)濾設備數據，并通過(guò)規則引擎一鍵式配置打通其他組件，以方便快捷地實(shí)現海量設備數據的存儲、查詢(xún)、計算以及智能分析應用。為設備數據的存儲、傳輸提供可靠、自動(dòng)化的運維監控服務(wù)。

4)應用層協(xié)議統一：物聯(lián)信平臺支持通過(guò)統一的標準層協(xié)議實(shí)現異構設備的統一接入與管理。

5)高性能與多連接支持：具備億級設備的接入能力、大數據的傳輸能力、設備與第三方服務(wù)的統一連接能力。

3.3 數據中臺

   業(yè)務(wù)中臺采用云服務(wù)的方式，為業(yè)務(wù)應用系統的運算、分析和展示提供相應的地理信息服務(wù)、大數據及人工智能服務(wù)、數據交互服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、統一用戶(hù)服務(wù)、統一監控服務(wù)和BIM模型服務(wù)。

主要包括：

1)地理信息服務(wù)：GIS服務(wù)中臺主要提供統一的地圖服務(wù)、三維服務(wù)、數據服務(wù)，實(shí)現地圖、專(zhuān)題圖底圖、三維場(chǎng)景、各類(lèi)地理信息、基礎信息的地圖展示。將云計算與GIS服務(wù)，通過(guò)資源模板管理、部署、調度等特性，實(shí)現對基礎設施的敏捷調度、便捷管理，針對GIS應用環(huán)境快速部署和結合GIS數據進(jìn)行空間大數據分析等核心需求。

2)大數據服務(wù)：智慧水務(wù)決策支持系統基于海量的不同類(lèi)型數據，其中包含與地域分布有關(guān)的空間數據及隨時(shí)間變化的時(shí)序數據。采用數據挖掘技術(shù)將這些數據轉化成有用的信息和知識，可為決策提供有力支撐。

3)人工智能服務(wù)：通過(guò)數據預處理及數據標注、大規模分布式訓練、自動(dòng)化模型生成，提供AI應用按需部署能力。提供AI數據及算法支撐，提升數據處理效率，整體運行速度；分布式集群加速，提升模型訓練效率。

3.4 業(yè)務(wù)應用系統

   在上述智能感知層、數據服務(wù)層的支持下，本平臺提供了多個(gè)應用子系統：

1)監控指揮一張圖系統基于大屏幕展示的監控指揮一張圖系統，在日常應用中，用于監控展示、綜合監測預警、管網(wǎng)綜合展示、資產(chǎn)集中監管、績(jì)效考評監管等業(yè)務(wù)；在應急會(huì )商或研討時(shí)，用于展示供排水各類(lèi)信息資源，保證信息展示的廣度，進(jìn)行聯(lián)合調度指導、輔助決策。

2)智慧供水應用系統

   智慧供水建設將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、生產(chǎn)運行管理、調水管理、水質(zhì)監測與監控、營(yíng)業(yè)收費、服務(wù)等多種功能模塊整合到一個(gè)平臺中，系統內部數據包括供水設施、設備資產(chǎn)、水情監測、監控、控制設施、生產(chǎn)報表、營(yíng)業(yè)收費等各類(lèi)型的數據。

   智慧供水應用系統包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設備資產(chǎn)管理、在線(xiàn)監測、廠(chǎng)站運行監管、管網(wǎng)巡查養護、營(yíng)業(yè)收費管理、管網(wǎng)漏損管控、聯(lián)合調度管理、客服等9個(gè)子系統，各個(gè)子系統相互，同時(shí)又與智慧水務(wù)綜合運行管理平臺的績(jì)效考核評估系統，實(shí)現智慧排水工程的績(jì)效考核監管及運行效能評估。

3)智慧排水應用系統

   智慧排水建設將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、廠(chǎng)站運行管理、調水管理、水質(zhì)監測與監控等多種功能模塊整合到一個(gè)平臺中，系統內部數據包括排水管網(wǎng)設施、設備資產(chǎn)、水雨情、水文、控制設施、監控、河道水質(zhì)等各類(lèi)型的數據。

   智慧排水應用系統包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設備資產(chǎn)管理、在線(xiàn)監測、廠(chǎng)站運行監管、管網(wǎng)巡查養護、聯(lián)合調度管理、排水戶(hù)管理等7個(gè)子系統，實(shí)現智慧排水工程的績(jì)效考核監管及運行效能評估。

4)智慧水環(huán)境監管系統

   智慧水環(huán)境監管系統對環(huán)境監測實(shí)時(shí)數據及基礎地理空間數據，采用GIS、數據可視化、統計分析等技術(shù)，實(shí)現對水環(huán)境及排污設施的水質(zhì)、水量等各類(lèi)監測數據直觀(guān)展示。同時(shí)，結合對實(shí)時(shí)監測數據統計分析需求，提供各類(lèi)統計分析工具，滿(mǎn)足水環(huán)境綜合治理對水環(huán)境監管的要求以及水環(huán)境監測數據的各類(lèi)應用需求。

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

   安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

           AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

5 平臺子系統

5.1 變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

   對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

   監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數據。

5.2 電能質(zhì)量監測與治理

   水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.3 電動(dòng)機管理

   馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.4 能耗管理

   為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)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域。

   將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

   能效分析按計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，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(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家/指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.5 智能照明控制

   系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到節能、舒心的目的。

5.6 電氣

5.6.1 電氣火災監測

   監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣預警。

5.6.2 消防應急照明和疏散指示

   根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

5.6.3 消防設備電源監測

   監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

5.6.4 防火門(mén)監控系統

   防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)能發(fā)出信號，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。

5.6.5 環(huán)境監測

   污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.6.7 分布式光伏監測

   實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側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、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

   平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

5.6.8 工藝仿真監控

   平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、污泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.7  產(chǎn)品清單

6 結論

   智慧水務(wù)是智慧社會(huì )的重要組成部分，是新時(shí)代水務(wù)信息化發(fā)展的更高階段，是水務(wù)現代化的前提條件，是推動(dòng)水治理能力現代化建設的客觀(guān)要求。水務(wù)現代化對于現代農業(yè)建設來(lái)說(shuō)，支撐經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展，保障環(huán)境。智慧水務(wù)建設利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、移動(dòng)互聯(lián)等各項新技術(shù)手段，信息孤島，實(shí)現業(yè)務(wù)應用聯(lián)動(dòng)，為處理和應對供排水和水環(huán)境污染事件和監管提供了技術(shù)支撐，減少各類(lèi)水污染事故，能夠給當地水環(huán)境、氣候及生產(chǎn)生活環(huán)境帶來(lái)較大的利益。

參考文獻：

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[2]衛慧.基于智能感知的綜合水務(wù)管理平臺設計 中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò )出版:133-135.

[3]周中.安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司，從事電氣相關(guān)及智慧S水務(wù)系統研發(fā)工作