★深圳市水务科技有限公司

1　方案目标和概述

1.1　总体概述

洪湖智慧水质净化厂基于“管控一体化”思路数字化、智能化的趋势发展，解决厂级设备、生产、安全和运维的疑难问题，厂级生产运维管理和能耗监测与节能分析，可实时监控分析水厂耗能指标，并对水厂生产经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、数据建模分析等进行综合处理。是一个通过采用先进的管理思维和技术手段，实现厂站无人/少人值守的智能化自动控制、作业和设备全生命周期信息化管理运维，融合人机智慧合作，在保障水质安全可靠前提下实现最佳成本效率。

1.2　主要目标

（1）态势全可视

一体化显示厂站运行情况的全景图，随时通过移动终端、电脑和大屏幕显示等渠道了解掌握厂站人、事、物的实时状态和总体态势。

（2）事件全可控

事件高效处置，实现跨部门、跨区域、跨系统协作，一旦厂站事件发生，可以统一调度资源，快速响应，安全有效处置。

（3）业务智慧化

平台提供各类丰富完善的服务功能，使得管理决策者全局掌控运营态势，不再仅仅依赖于个人经验，而是基于融合数据分析、决策支持，帮助管理者及时作出最佳的决策。

（4）建设实现全生命周期的设备管理及维修保养体系

通过综合设备运行参数监测、设备在线诊断、设备智能评估、设备故障统计分析和预测预警（含视频智能预防等）、设备巡检工单（含预防性维护保养工单、整合生产巡检）等构建厂站设备全生命周期管理体系。

（5）建设敏捷反应集中管控的运行管控体系

通过数字孪生方式的全渠道集成互联展示（电脑、移动终端和大屏幕等）、智能融合巡检、安防视频、故障报警及诊断、事件流程管理、厂站运行工况、各业务KPI计算及各类统计分析报表等，构建具有统一的数据资源、业务集中管控的厂站信息平台。

（6）建设保障厂站运行的安全体系

通过整合电子门禁、视频监控、电子围栏和环境监测等构建环境与人员安全体系；应用网络安全技术（工控网络隔离、入侵检测等）、软件安全技术（用户认证、权限控制、日志与审计等）等构建厂站信息安全保障体系。

（7）形成可复制推广的水厂（污水厂）数字化产品

开发智慧厂站的全套数字化产品，同时构建完整的“共享、共创、共担、共赢”合作生态圈，面向行业和外部市场进行积极拓展。

1.3　功能架构

平台支持“分公司-集团”两级部署以满足“厂站-分公司-集团”三级管理要求，采用云计算超融合架构的模式，能提供灵活的可扩展性，满足日后用户规模及架构的扩充需求。平台部署架构图如图1所示。

图1 平台部署架构图

2　方案介绍

2.1系统结构

平台主要采用微服务框架，在设计和建设时具备良好的扩展性、互操作性，以及与现有系统的兼容性，避免新“异构”系统的出现，减少集成问题，降低集成难度。使用微服务框架技术将多种应用服务构建为一个个小的自主服务，每个服务都围绕着具体业务进行构建，能够独立地部署到运行环境中，服务间采用轻量级通信机制进行契约依赖。通过构建适合的微服务框架，满足不同业务的特定需求，实现组件间的交互，并保证每个组件可以独立升级、替换、部署。

平台实现了技术、业务、集成和基础组件的统一化，采用了统一技术规范和约束、组件化开发框架、统一门户综合展现、统一数据库引擎、统一的流程和报表引擎、标准化的业务流程、统一的接口服务等。

平台基于数字孪生场景化应用的设计理念，以事件驱动的形式触发相关的业务功能，来满足不同业务场景的需求。

业务架构图如图2所示。

图2 业务架构图

技术架构图如图3所示。

图3 技术架构图

部署架构图如图4所示。

图4 部署架构图

网络架构图如图5所示。

图5 网络架构图

洪湖智慧水质净化厂具有以下亮点：

（1）厂站安全可靠

通过覆盖全面的仪表、配置高可靠硬件、冗余重点设备及网络、冗余工艺控制逻辑、定制智能安全设备、智能识别、精确定位等技术方式，构建高可靠的水厂自动化系统和安防系统，与此同时，基于水厂智慧管控平台的数据资源与能力，开发风险预判及处置、故障智能诊断、设备预测性维护等智慧应用，有效保障厂站生产运营安全、设备自控安全、网络及信息安全以及人员安全。

（2）出水优质稳定

在高可靠的自动化控制系统的基础上，利用工艺优化控制软件从进水到出水将污水处理的整个工艺段进行有机整合，对影响污水处理效果的操作参数全面考虑并优化，协同有效控制各工艺段的运行参数，构建全流程智能控制系统，实现出水水质达标率全年高于99.99%。

（3）提高工作效率

自动化系统——减少人为干预，远程操作设备。

安防系统——对安全事件第一时间做出反应。

运营平台——利用工业物联网实现设备与终端全在线，移动互联网实现内外人员全在线，厂站各系统数据互通，厂站运营管理全面在线化。

（4）安全措施

·系统自检：提前发现系统隐患和安全风险；

·智能消防：灭火设备随时可用，消防风险提前预警；

·应急指挥调度：一键式指挥调度，全系统联动处置；

·安全用电：智慧分析用电数据，及早处理用电隐患；

·HACCP体系：全面减少和控制水质安全风险；

·工控安全满足网络安全等保2.0要求。

3　代表性及推广价值

3.1　应用情况

（1）智能投药：模糊控制，把过往的实践经验转换为控制规则，可以有效地运用人们在实践中得到的经验与知识。神经网络的自学能力、适应性和容错性都很优越。对非线性时变系统的调节作用表现良好。在本系统中，模糊控制与神经网络控制互相综合起来，更加有效地完成了对加药系统的调节。

（2）三维VR与视频融合：全局视角观察厂区的实时动态。

（3）机器人巡检：节省人工成本、规避运维人员安全风险。

（4）实现设备PDCA闭环管理及总体闭环管理。

（5）设备可视化管理。

（6）全天候安全监控：360度布防，安全无死角。

3.2　社会价值

智慧水厂是运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息技术，促进城市规划、建设、管理和服务智慧化的新理念和新模式。由此可见，智慧城市的手段是新的技术，特别是信息技术，目的是提高规划、建设、管理和服务能力。为满足智慧城市的要求，作为城市重要基础设施，智慧水厂应该是以应用新一代信息技术为手段，生产、运行、维护、调度和服务等全方位、全过程各环节高度信息互通、反应快捷、管理有序的高效节能、绿色环保、环境舒适水厂。

3.3　技术的创新与先进性

（1）5G在国内水务行业的首次应用

5G的低时延、大带宽和大连接三大特性，以及网络切片和边缘计算两大关键技术可以满足智慧水厂管理和生产各个环节中对安全性、可靠性和灵活性的需求，实现设备的精准监控及远程管理。

（2）全厂全流程智能工艺控制，实现工艺智慧

智能工艺控制系统立足于传统的自动化控制及监控体系基础上，运用多种人工智能算法进行数据分析给出最优化的运营策略，从而达到实时达标排放、降低运行成本，实现全流程自动闭环控制，最终实现少人值守或无人值守。

（3）厂网河全要素管理，突破厂区限制，整体性提升综合治理能力

洪湖水质净化厂智慧水厂建设，全面提升了管控手段。系统通过绘制洪湖水质净化厂上下游流域水质、液位、流量等全要素信息以及排水GIS信息图，全面了解厂区流域内治水治污设施的拓扑关系及管网实时监控信息，实现厂网河全域数据的实时监管，拓展调度广度。

（4）大数据辅助分析决策，实现设备预防性维护，提升厂站应急能力

通过采用数据清洗、数据分析、数据挖掘、数据可视化等一系列针对大数据技术，以并行处理的方式，找出数据之间未知的、有价值的规律和联系。

（5）BIM三维虚拟现实显示，数字孪生，设备设施生产运营全面可视化

洪湖水质净化厂直接将BIM成果应用到厂站运营运维阶段，利用其可视化特性，在管控平台中加入三维交互式的漫游体验，将工程实体场景在计算机中呈现，实现厂站三维场景实时动态可视化监控。

3.4　经济性

洪湖水质净化厂基于水厂智慧管控平台的数据资源与能力，与环水集团生产调度平台和厂级自动化控制系统互联互通及联动，构建风险预判及处置、故障智能诊断、能源优化利用、设备预测性维护和绩效评估等的智慧应用，在保障出水水质优良稳定的情况下实现水厂运行节能降耗，优化管理，提升效益，最终实现电耗、药耗降低10%以上，人员减少30%以上。

摘自《自动化博览》2023年5月刊