★连云港清源科技有限公司李吉壮

★北京亚控科技发展有限公司王全林，张宏坤，刘震宇

1　项目背景

连云港茅口水厂三期工程是连云港市重要的城市饮用水安全保障工程，规划建设规模30万吨/日生活饮用水厂，分近远两期实施，近期建设规模为20万吨/日。连云港茅口水厂三期工程作为连云港市重要基础设施和重大民生工程项目，建设和投产运行将为连云港市社会经济发展提供有力支撑，对于满足城市居民高品质饮用水需求、推动我市高质量发展具有重要意义。连云港茅口三期智慧水厂项目致力于打造数字化管理模式，为水厂运营赋能。智慧水厂的概念脱身于智慧城市，是以供排水工艺为基础，利用云计算、大数据、人工智能、物联网、互联网、BIM等技术，通过智能监测设备、数采仪表及通信网络等在线监测设备，实时感知城市供排水系统的运行状态，并采用可视化的方式有机整合供排水管理部门，形成“城市供排水物联网”，并可将海量水务信息进行及时分析与处理，做出相应的处理结果，辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理供排水系统的整个生产、管理和服务流程，从而达到“智慧”的状态^[1]。在此背景下，基于亚控WellinOS工业云操作系统所呈现的KingWater产品，开发智慧水厂成为了解决当前问题的有效途径。

2　项目开发架构

连云港茅口三期智慧水厂项目是连云港自来水集团重要的城市饮用水安全保障工程和重点民生工程，故系统架构的稳定性、便捷性、安全性也成为供水保障的重要一环。

WellinOS工业云操作系统是一种多场景支持的操作系统，能够支持直接部署在服务器端，支持国产操作系统，该系统是专门用于工业控制开发的专用操作系统。系统总体架构包含IaaS层、PaaS层和APP层^[2]。

IaaS，即基础设施即服务，提供了一种云计算模型，通过虚拟化技术将基础设施资源（如服务器、存储和网络）提供给用户。在IaaS模型中，用户可以租用虚拟化的基础设施资源，以搭建自己的应用程序、存储数据和运行服务。

PaaS，即平台即服务，是一种云计算模型，提供了一整套开发和运行应用程序所需的平台环境。在PAAS模型中，云服务负责提供和管理硬件设施、操作系统、数据库和开发工具等基础平台，使开发人员可以专注于应用程序的开发和部署。

APP，即软件应用层，本系统更新了传统的SaaS云系统层，替换成专用的APP层，主要提供SACDA、MES、PLM、ERP等具体的软件系统。

整个系统架构如下图所示：

图1WellinOS工业云操作系统总体架构

基于亚控WellinOS的智慧水务产品KingWater利用感知层数据进行实时监控和展示，实现各水厂生产工艺画面与超限告警；汇总生产运行数据，形成日常运行管理图表，方便总结与分析；通过信息化管理获取更全面的运营数据；最后，通过数据深入分析，实现集团范围内异常预警、运行工艺模拟及工艺、设备和成本分析，助力决策层决策。KingWater产品总体架构如图2所示。

图2KingWater产品总体架构

设备层：感知层设备主要包括水厂及其他设施的在线仪器仪表、生产设备、控制系统等，是物联网技术构架的基础。

端侧层：利用先进的网络技术、边缘云计算技术与互联网融合，建立网络层体系，兼容多种网络方案，保证数据传输的可靠性、安全性、稳定性。

平台层：通过亚控WellinOS工业云操作系统作为平台依托，为数据与功能的及时性进行保驾护航。

工具层：KingWater智慧水厂产品作为基于WellinOS所开发的行业级信息化平台，承载了WellinOS的各项基础功能，并延展了多种业务功能。

业务功能层：为企业原有各板块基础业务模块，作为智慧应用系统数据的来源，同时又作为智慧平台的手和脚，接受智慧应用系统指挥调度。

展示层：为运营管理工作提供了大量的生产决策数据依据，通过深入挖掘各类数据间的关系，一张图和管理分析工具，帮助集团建立基于物联网的水厂综合运营管理体系。

3　建设基本概念

WellinOS工业云操作系统主要用于开发智慧平台以及自动化系统平台，该系统继承了大量的优秀功能，提出了一系列有创新性的概念，系统开发过程分为模型创建、图形开发以及整体发布。

3.1　时态

在创建模型前需要理解时态的概念。时态：WellinOS定义了三种时态，即：实时、历史、计划，表示世间万物现在、过去、将来的事物状态，以实现其全生命周期管理。

3.2　数据模型

数据模型分为：物、事、组织、人员四大类，其中物和事又有业务与时序之分。总共有业务物、单灵敏时序物、多灵敏时序物、业务事、时序事、组织、人员对象七种。

（1）业务物：用来描述变化频率不高的客观世界物体，如：水杯、设备机床、生产物料等。

（2）单灵敏时序物：用来描述某个单值高频存储、变化的客观世界物体，其数据需要频繁地写库，如：温度传感器。

（3）多灵敏时序物：用来描述多个值高频存储、变化的客观世界物体，其数据需要频繁地写库，如：采集设备（如定时采集温度、压力、流量等多个值）。

（4）业务事：用来描述变化频率不高的客观世界事件，比如报警、订单事件等。

（5）时序事：用来描述高频存储、变化的客观世界事件，如采集报警事件。

（6）组织：用来描述客观世界中的企业组织结构，如XX公司、XX部门等。

（7）人员：用来描述客观世界中的企业组织人员，如小张、小王等。

3.3　基于数据模型的数字孪生

基于数据模型产生的数字孪生术语包含：数据模型、模型拷贝、对象、记录，以下是术语概念及关系介绍：

数据模型：定义数据结构，整个数字孪生的根本。

模型拷贝：是模型的拷贝生成物，创建对象的必要前提。

对象：可表示世间万事万物；作为记录的承载体。

记录：可记录世间万事万物的信息。

模型、拷贝、对象、记录之间的关系。

3.4　功能单元模型

功能单元模型包括：元语言模型、webjs模型、AppModule，功能单元模型是数据模型与脚本逻辑的结合体，在功能单元内不但可以编写脚本也可以组装数据模型、其他功能单元模型，每个功能单元模型都是一个模块，每个模块可自由组装。

（1）元语言模型：元语言模型中编写元语言脚本，脚本需符合元语言语法，执行元语言函数，在元语言模型中，可编译调试运行脚本。

（2）AppModule：可编写脚本，脚本需要符合元语言语法，执行元语言函数。在AppModule内不可直接运行调试，但可组装到元语言功能单元内，被元语言功能单元调用执行。

（3）webjs模型：webjs模型中编写webjs脚本，脚本需符合webjs语法，执行webjs函数，在webjs模型中，可编译调试运行脚本。

4　项目需求分析

需求分析是智慧水厂开发的前提条件，每个水厂面临的具体情况不同，因此做好需求分时是开发智慧水厂的重要前提条件。连云港茅口三期智慧水厂项目有着新建自来水厂数字化运营的需求，并且有着工艺监视趋势曲线高效决策的需要，故在此背景下需求分析分为几个过程：

首先，需求分析的核心任务是确定软件需要实现的功能和性能。这包括与用户深入交流，了解他们的业务流程、痛点以及期望通过软件解决的问题。通过访谈、问卷调查、原型演示等多种方式，收集并整理用户需求，确保需求的全面性和准确性。

其次，需求分析师需要对收集到的需求进行详细的梳理和分类。这包括功能需求，如系统需要实现哪些具体的功能；非功能需求，如系统的响应时间、安全性、易用性等；以及约束条件，如技术选型、开发周期等。通过明确这些需求，可以为后续的开发工作提供清晰的指导。

在需求分析过程中，还需要对需求进行优先级排序。这有助于开发团队在资源有限的情况下，优先实现最重要的功能，确保软件的核心价值得以体现。

最后，需求分析的结果需要以文档的形式进行记录，即需求规格说明书。这份文档应详细列出所有的需求，包括每个需求的描述、优先级、验收标准等，作为后续开发、测试和验收的依据。

总之，软件开发需求分析是确保软件项目成功的关键步骤。通过深入理解和明确用户需求，为软件的开发奠定坚实的基础，从而提高软件的满意度和成功率。

5　项目技术说明

5.1　数字孪生模型的构建

数字孪生是智慧水厂开发的关键技术之一。通过WellinOS工业云操作系统提供的数字孪生新方法，可以构建水厂的数字孪生模型。该模型能够实时反映水厂的实际运行情况，包括水质、水量、能耗、设备状态等关键指标。基于数字孪生模型，可以对水厂的运行过程进行模拟和优化，提高水厂的运行效率和管理水平。

5.2　生产管理系统的实现

生产管理系统是智慧水厂的核心组成部分。基于WellinOS工业云操作系统，可以构建一套完整的生产管理系统。该系统包括生产计划、生产调度、水质监测、能耗管理、设备维护等多个模块，能够实现对水厂生产全过程的实时监测和智能控制。通过生产管理系统，可以优化生产流程、提高生产效率、降低运营成本。

5.3　运营管理体系的优化

运营管理体系的优化是智慧水厂开发的重要目标之一。基于WellinOS工业云操作系统，可以对水厂的运营管理体系进行优化。通过集成先进的物联网、大数据、人工智能等技术，实现对水厂运营全过程的实时监测和智能分析。基于分析结果，可以制定更加科学合理的运营策略，提高水厂的运营效率和管理水平。

6　项目业务功能

连云港自来水公司茅口三期智慧水厂项目依托于KingWater智慧水厂产品的多项功能，进行了便捷高效的开发工作，并且KingWater智慧水厂产品基于行业特性与行业经验，预设并包含了多种多样业务功能，包括工艺监视、趋势曲线、报警管理、变量采集服务、业务看板、数据分析、能耗分析、排班管理、设备管理、工单管理、巡检管理、库存管理、专家库、系统管理等等诸多特性业务功能。基于KingWater强大的业务能力与便捷的扩展性，使得原本周期紧任务重的开发过程，变得易开发维护。

在连云港茅口三期智慧水厂应用开发过程中，部分重点业务功能简述如下：

6.1　登录首页

图3茅口三期智慧水厂总体界面

如图3所示，该智慧水厂将全面整合安全管理、设备管理、厂级管理、安防管理和系统运维，综合多个系统，实现单点登录。

6.2　驾驶舱

图4茅口三期驾驶舱

如图4所示，驾驶舱会综合展示茅口三期所有重要参数，包括水量、水质、能耗、工单等统计信息，同时会显示核心单元的三维图形。

6.3　专题看板

专题看板主要为管理层对全厂运营绩效评估、辅助决策提供科学有效的数据依据。如下图：

图5茅口三期专题看板

图6茅口三期能耗看板

6.4　数据分析

如图7所示，数据展示与分析要求有配置功能，可在使用中自行配置数据内容及时段、呈现方式，呈现方式模板可选。对于无法自动采集的数据可人工录入修改，记录日志，可根据选择的条件查询结果。

图7茅口三期水质分析

6.5　工艺监视

如图8所示，一般情况下以三维为载体，将关键控制点与工艺流程图结合，实现一张图展示，包括监控点数据展示、对比、预警、监控点对应显著危害。以标准化管理为基础，展示体系组织框架、文件管理、内审、管理评审、符合性评价等工作。

图8茅口三期总工艺监控

6.6　能耗管理

如图9所示，能耗是智慧水厂核心模块，根据全厂能耗情况，对其进行同比环比等数据分析，能耗一张图分析、工艺间能耗分析、电参数历史查询、电量资费统计、供电单耗分析、高能耗清单、泵组效率分析。

图9茅口三期能耗管理

6.7　智慧巡检

显示茅口三期巡检信息，显示巡检关键过程，巡检次数以及完成率，结合摄像头，进行自动巡检，可结合人工综合判断。包括如下：

（1）巡检任务下发

制定巡检任务计划安排，每日定时下发任务和临时工作指令，针对权限高的人员有修改权限，可对巡检内容进行自动评估，并提供巡检内容、频次改进建议。可查看巡检路线及巡检记录，并可查看巡检任务完成情况、巡检任务状态等信息，在完成巡检任务后进行记录和考核。

（2）多方式巡检

巡检可采用视频巡检、人工巡检方式。视频巡检按照设定的路线自动生成巡检计划，并自动执行巡检任务。利用图像识别技术，对比当前厂站现场与厂站正常工作的情况，判断是否有地面积水、螺丝松动、设备漏油等异常情况，自动生成巡检报告，供值班人员查看，如发生异常可自动报警，通知运行人员进行视频校核及现场查验。

（3）工单发起

在巡检设备时，发现问题或故障可下发工单，工单的填写支持语音识别，可将语音转为文字记录，并需上传照片作为记录。下发工单后在一定程度自动完成设备处置（设备停用、切换等），并记录相应操作。工单完成后同步生成对应维修记录。

（4）巡检任务复核

定时推送巡检任务，巡检完成后，班组长必须对巡检工作进行复核，填写复核意见。

7　结语

基于WellinOS工业云操作系统下KingWater产品开发智慧水厂是解决当前水务行业面临问题的有效途径。连云港茅口三期智慧水厂的应用案例印证了可行性，通过构建数字孪生模型、实现生产管理系统、优化运营管理体系等，可以提升水厂的运行效率和管理水平，为水务行业的智慧化转型提供有力支撑^[3]。KingWater产品所预设的业务场景和行业全面的业务功能，为项目的推进与拓展营造了良好的基础。尽管在实际开发过程中仍面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，智慧水厂开发将迎来更加广阔的发展前景。

作者简介：

李吉壮（1979-），男，江苏连云港人，硕士，高级工程师，现就职于连云港清源科技有限公司，主要从事计算机软件、智慧水务解决方案的研究。

王全林（1986-），男，天津人，学士，工程师，现就职于北京亚控科技发展有限公司，主要从事工业自动化软件、智慧水务解决方案方面的研究。

张宏坤（1998-），男，天津人，硕士，助理工程师，现就职于北京亚控科技发展有限公司，主要从事智慧水务信息化产品方面、工业自动化解决方案的研究。

刘震宇（1994-）男，河南周口人，学士，现就职于北京亚控科技发展有限公司，专注于智慧水务领域、工业自动化领域解决方案研发与落地。

参考文献：

[1]吴勇,任昭重,王业飞,肖搴,陈振华.智慧水厂的建设与思考[J].城镇供水,2022,(6):73-79.

[2]汤燕飞,屈福平,李享.BIM技术在水厂智慧运维管理中的应用[J].施工技术,2020,(24):44-46.

[3]叶李锋,林高基,欧阳军,颜野迪,毛军辉.智慧水务复杂生产数据安全高效采集方法研究[J].水利技术监督,2023(10):76-81.

摘自《自动化博览》2025年9月刊