劉 斌，周 迅，趙 偉，吳 森* ，秦善良

（1．中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081； 2．中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

近些年以來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術等的飛速發(fā)展，中國在智慧水務方面取得了巨大的進步，其中，建設智慧水務生產(chǎn)運營管控一體化平臺就是一個重大技術突破。

智慧水務生產(chǎn)運營管控一體化平臺的搭建充分利用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)［1］、人工智能等技術，實現(xiàn)了從水源取水、供水、用水、排水、耗水等供水環(huán)節(jié)全周期的管理，以生產(chǎn)運營系統(tǒng)的海量業(yè)務數(shù)據(jù)為依據(jù)，充分分析了業(yè)務數(shù)據(jù)背后的價值信息，充分保證了供水企業(yè)生產(chǎn)水質(zhì)安全，提高了企業(yè)精細化管理水平，為城市供水安全提供了支持，建立和完善了城鄉(xiāng)供水保障體系。

但是，對于智慧水務生產(chǎn)運營管控一體化平臺來說，面臨著許多問題需要解決。比如如何利用最新的信息技術提高管理效率，如何提升生產(chǎn)水平，如何保障供水安全以及如何提高社會服務效益等等，就需要從當前實際生活中和各個管理環(huán)節(jié)上進行分析。

1 工程背景

夾江縣青衣供水廠，廠址位于青衣江畔，夾江縣千佛村4 社省道307 旁，于2019 年7 月建設完成，2020 年1 月正式投產(chǎn)運營，供水能力為5 萬t/d，取夾江青衣江為水源，生產(chǎn)工藝采用絮凝沉淀、V 型濾池加消毒處理工藝。

水廠為新建水廠，在工藝設備、自控設計實施方面均較為完善。此水廠運營過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采用了專業(yè)的設備進行采集，為智慧水務生產(chǎn)運營平臺的建設提供數(shù)據(jù)支撐。

2 智慧水務生產(chǎn)運營平臺

生產(chǎn)運營管控綜合平臺打通了智慧水務生產(chǎn)大腦、營收系統(tǒng)、GIS 地理信息系統(tǒng)、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、報裝管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)經(jīng)營決策分析系統(tǒng)、移動端APP 系統(tǒng)等，從而可以對數(shù)據(jù)進行融合分析，進而可以對數(shù)據(jù)進行更深一步的挖掘分析。同時加強了供水經(jīng)營服務管理，落實了水廠生產(chǎn)經(jīng)營的“產(chǎn)銷差”考核機制，為生產(chǎn)管理和管網(wǎng)管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐，為管理決策和考核標準等管理決策意見提供依據(jù)。

平臺包括水廠數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字三維水廠、設備資產(chǎn)管理、視頻安防監(jiān)控、現(xiàn)場巡檢管理、智能報表管理、智慧水務生產(chǎn)大腦和管網(wǎng)GIS 及巡檢維修、營收管理、報裝管理等多個運營在線管理系統(tǒng)［2］。水廠數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測包括從取水到制水過程中的實時運行數(shù)據(jù)，并以3D 畫面進行顯示。設備資產(chǎn)管理包括主要工藝設備的運行健康狀態(tài)管理、臺賬管理和藥劑統(tǒng)計分析管理［3］。視頻安防監(jiān)控可通過VPN 專網(wǎng)查看實時視頻、報警和歷史視頻，有效提高了水廠的安全性，確保水廠安全穩(wěn)定運行。

3 智慧生產(chǎn)模型

構建智慧水務生產(chǎn)運營一體化平臺需要構建幾種智慧生產(chǎn)模型，包括預測水質(zhì)的源水水質(zhì)預測模型［4－5］，使水質(zhì)達標的智能加藥模型，指導水廠供水調(diào)度的智能泵組調(diào)度模型。

3．1 源水水質(zhì)預測模型

水質(zhì)預測是進行水廠安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提，也是合理安排保證能源藥劑管理的重要依據(jù)。與源水水質(zhì)相關的氣象因素包括溫度、天氣、氣象等，以及生產(chǎn)時間（白天、晚上） 、當下日期（月份、季節(jié)） 。通過對歷史水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測，再結合上述氣象、時間、日期等因素采用隨機森林算法模型（如圖1 所示） 進行源水水質(zhì)的預測。

圖1 算法模型

通過隨機森林算法建立模型預測源水水質(zhì)，然后將預測的結果與實際數(shù)據(jù)進行對比，對模型進行修正，最后使得預測的結果精度不斷提高，減小誤差。

通過預測模型輸出未來一天的水質(zhì)情況，可以讓生產(chǎn)部門提前做好生產(chǎn)安排。

3．2 智能加藥模型

基于常態(tài)水源水質(zhì)特征及其時空變化規(guī)律，收集水廠里布置的傳感器上傳的濁度、流量、溫度、酸堿度及出水口的濁度等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過LSTM（長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡） 算法建立加藥模型（見圖2） ，結合水廠歷年工藝運行參數(shù)和水質(zhì)，明確凈水工藝運行參數(shù)和水質(zhì)轉(zhuǎn)化之間的規(guī)律性，然后將加藥模型所計算的數(shù)據(jù)與實際加藥數(shù)據(jù)進行對比，并不斷調(diào)整模型，使得兩者數(shù)據(jù)的差別在誤差范圍之內(nèi)［6］。最終實現(xiàn)水質(zhì)達標和節(jié)能降耗的平衡，提高了水廠的控制和管理水平。

圖2 加藥模型

初步篩選影響投藥量的各種因素，并使用燒杯法以及數(shù)據(jù)分析的方式確定各種因素的重要程度，再基于進水口水質(zhì)、水力數(shù)據(jù)和出水口的濁度等數(shù)據(jù)進行建模，訓練出投藥量計算初始模型。最終通過用新數(shù)據(jù)對模型的喂養(yǎng)，使模型不斷優(yōu)化迭代，最終達到生產(chǎn)要求。

通過使用智慧加藥模型得到的前饋和反饋數(shù)據(jù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡，結合自控平臺，能夠根據(jù)進水水質(zhì)和出水水質(zhì)適時調(diào)整混凝劑（PAC，PAM） 的投藥量（見圖3） ，避免人為因素對投藥系統(tǒng)的影響，不僅能保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定，還能削減水廠的制水費用。

圖3 加藥機理

接下來通過智能加藥模型的數(shù)據(jù)來調(diào)控加藥量，既節(jié)約了成本又提升了效率。

3．3 智能泵組調(diào)度模型

智能泵組調(diào)度模型的作用就是實現(xiàn)對供水泵房開泵方案的預測。根據(jù)水泵的出廠參數(shù)（設備參數(shù)和性能表） 建立初始水泵性能模型，設定最優(yōu)因子，使用群體智能算法建立尋優(yōu)模型，通過出口總管流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)（溫度、濕度、降水等） 、時間切分（高峰、低谷、平峰）及日期和節(jié)假日切分（工作日、休息日、節(jié)假日） 等進行出廠水量的預測，依據(jù)SCADA 系統(tǒng)獲取水泵的功率和轉(zhuǎn)速比數(shù)據(jù)、水泵出水處的水壓與流量、水廠供水總管的水壓與流量實現(xiàn)對水泵性能模型和尋優(yōu)模型進行優(yōu)化。通過在調(diào)度室輸入供水水壓，智能泵組調(diào)度模型根據(jù)供水水壓測算出最優(yōu)的水泵組調(diào)度方案，發(fā)送給PLC 實現(xiàn)整體流程控制（見圖4） 。

圖4 泵組控制機理

該廠供水泵包含變頻泵和工頻泵，通過水量預測結合泵組優(yōu)化調(diào)度模型［7］，實時調(diào)節(jié)水泵的工作組合，會生成具體的水泵工作指令，如：1 號為水泵關閉，2 號為水泵運行且轉(zhuǎn)速比調(diào)到0．7，3 號為水泵運行且轉(zhuǎn)速比調(diào)到0．8 等。通過這些指令指導水廠供水調(diào)度，節(jié)約水廠能耗。

4 運營管理系統(tǒng)

運營管理系統(tǒng)是智慧生產(chǎn)運營管控綜合平臺中的重要組成部分。該系統(tǒng)從高效深度管控管理著手，達到管理流程的自動化、可控制、可追蹤，把整個運營管控各環(huán)節(jié)整合到運營管理系統(tǒng)中，形成更高效縝密的管理模式。該平臺中的運營管理系統(tǒng)包含智慧管網(wǎng)系統(tǒng)，營收系統(tǒng)，報裝系統(tǒng)，設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)，產(chǎn)能分析管理系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)決策管理系統(tǒng)等［8］。

4．1 智慧管網(wǎng)系統(tǒng)

智慧管網(wǎng)系統(tǒng)包含供水調(diào)度系統(tǒng)、管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)、管網(wǎng)巡檢檢修系統(tǒng)及手機APP。

4．1．1供水調(diào)度系統(tǒng)

供水調(diào)度系統(tǒng)包含一張GIS 圖、圖形監(jiān)控、綜合報警、智能分析。管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過一張GIS 圖實時展示水電儀器運行狀態(tài)［9］，以及水廠、泵站、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)流量、水質(zhì)等所有在線檢測數(shù)據(jù)。并且GIS 系統(tǒng)還可以接入二次供水、DMA 分區(qū)、管網(wǎng)巡檢維修以及外業(yè)人員監(jiān)控等數(shù)據(jù)，通過一張圖展示所有數(shù)據(jù)，為城市地下各類管線系統(tǒng)的精細化管理和深層次的應用提供依據(jù)。

圖形監(jiān)控通過圖形化（2D 或3D） 的方式展示泵站實時數(shù)據(jù)，設備運行狀態(tài)信息，另外可以通過在線視頻監(jiān)控設備，隨時隨地查看站點運行狀況，實現(xiàn)無人化站點值守。

綜合報警系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)全方位的報警，以便當管網(wǎng)輸配系統(tǒng)發(fā)生故障時可以及時處理。

智能分析基于Epanet 水力模型，結合GIS 系統(tǒng)以及SCADA 數(shù)據(jù)、提供關鍵節(jié)點的實測值與模擬值的比對，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力、流量的分析。智能分析系統(tǒng)可以根據(jù)比對的情況給出警告，以保證供水穩(wěn)定安全。

4．1．2管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)

管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)包含管網(wǎng)基礎信息統(tǒng)計、管網(wǎng)圖層管理、管網(wǎng)分析管理。通過系統(tǒng)的建立實現(xiàn)供水管網(wǎng)的資產(chǎn)統(tǒng)計管理，有效地了解了管網(wǎng)資產(chǎn)整體情況及統(tǒng)計分析工作。同時對于供水管網(wǎng)運營實現(xiàn)態(tài)勢感知，及時進行爆管預警分析并合理地關閉相關閥門，快速響應維修服務系統(tǒng)。與此同時還可以連動營收系統(tǒng)實現(xiàn)有效的告警和水費減免服務，提升供水服務品質(zhì)及效率。

4．1．3管網(wǎng)巡檢管理系統(tǒng)

管網(wǎng)巡檢管理系統(tǒng)由搶維修管理及統(tǒng)計、巡檢管理及統(tǒng)計、人員監(jiān)控組成。通過供水管網(wǎng)安全巡檢系統(tǒng)，第一時間掌握供水管網(wǎng)的流量，壓力情況，方便預測爆管，及時發(fā)現(xiàn)漏處隱患。發(fā)生事故時，可以通過供水管網(wǎng)安全巡檢系統(tǒng)迅速定位漏損位置，派發(fā)任務，提高巡檢效率，減少損失，加強人員考核管理［10］。

4．2 營收系統(tǒng)

營收系統(tǒng)通過對水表立戶信息、水表查抄信息、在網(wǎng)表管理信息以及收費信息的業(yè)務管理，實現(xiàn)與已有營銷資源的高度整合和共享。同時，營收系統(tǒng)通過對營銷部門業(yè)務管理的整體統(tǒng)籌，實現(xiàn)業(yè)務流程化、組態(tài)化以及輔助決策一體化、智能化。

4．3 報裝系統(tǒng)

報裝系統(tǒng)包含報裝管理、現(xiàn)場勘察、報裝審核、設計與預算、工程施工及竣工驗收、統(tǒng)計查詢等功能。通過系統(tǒng)的建立規(guī)范了內(nèi)部報裝管理，實現(xiàn)了業(yè)務的快速流轉(zhuǎn)。同時實現(xiàn)對新客戶申請接水到安裝水表建立檔案的信息化的全面控制管理，對新報裝客戶從始至終對整個過程進行電腦記錄和追蹤，可簡便地從系統(tǒng)中查詢到報裝進程和負責人員信息。此系統(tǒng)的建成，實現(xiàn)了報裝各環(huán)節(jié)公開、透明、便民的目標。

4．4 設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)

設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要針對設備的臺賬管理，包含了工藝設備名稱、編號、型號、類型、狀態(tài)及管理人、責任人的劃分，同時還包含了備品備件的物資情況、流轉(zhuǎn)流程管理以及運營車輛的管理。

通過對工藝設備（水泵、風機、加藥泵、閥門等） 的實時數(shù)據(jù)運行監(jiān)測，通過這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，然后評估設備的健康狀態(tài)。同時通過資產(chǎn)方面的管理實現(xiàn)了對維修備品備件、消耗品以及車輛物資的調(diào)度、申請、使用情況的全面的信息化管理，提升了管理效率，加強了資產(chǎn)的維護保養(yǎng)的力度。

4．5 產(chǎn)能分析管理系統(tǒng)

產(chǎn)能分析管理系統(tǒng)由水資源分析、能耗分析、藥耗分析等數(shù)據(jù)采集模塊和水生產(chǎn)成本統(tǒng)計分析模塊組成。通過采集供水量、工藝設備電耗、藥耗等實時數(shù)據(jù)，逐月、逐季、逐年計算水資源、電耗、藥耗之間的線性關系，并通過圖形直接顯示。最后，形成供水量和成本的對比分析，并生成成本和價格趨勢對比圖，用于指導生產(chǎn)。

4．6 大數(shù)據(jù)決策管理系統(tǒng)

通過利用集成績效管理系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、水質(zhì)管理系統(tǒng)等，實現(xiàn)對水廠的在線智能管理。而移動客戶端的開發(fā)也可以讓管理人員擺脫地域的限制，實時監(jiān)測水廠的運行情況并獲得相關的水質(zhì)數(shù)據(jù)［11］。

通過一系列的數(shù)據(jù)分析，從生產(chǎn)、管理、調(diào)度、考核等方面全方位提升管理效率并可以進行輔助決策及判斷。

5 結語

隨著生產(chǎn)方式和信息技術的發(fā)展以及社會發(fā)展的要求，智慧水務生產(chǎn)運營平臺的建設得到了逐步的完善。夾江縣青衣水廠的生產(chǎn)經(jīng)營管理利用了最新的信息技術，提高了管理效率和生產(chǎn)水平，確保了供水安全，提高了社會服務效益，實現(xiàn)了供水系統(tǒng)智能化生產(chǎn)經(jīng)營管理的新目標。另外，該平臺的搭建完成并非一勞永逸，海量的數(shù)據(jù)采集，感知設備的維護與保養(yǎng)給生產(chǎn)運營人員提出了新的挑戰(zhàn)：如何有效穩(wěn)定地保證基礎數(shù)據(jù)的準確采集，如何利用一手的基礎數(shù)據(jù)進一步提高數(shù)據(jù)分析能力，進而提升供水系統(tǒng)的生產(chǎn)運營管理水平等。這些挑戰(zhàn)將是接下來仍需要不斷思考和完善的問題。