前言

規模經濟性、基礎設施和服務壓力，以及創新意愿使得城市成為應用智慧技術的最佳場所。智慧城市將整合物質系統、數字系統和人類系統，并為市民創造可持續、繁榮、包容的發展成果，而基礎設施的擴張和連接是衡量智慧城市建設成功與否的關鍵。水資源作為城市做重要的資源之一，與市民的生活休戚相關。水務行業將直接影響新型智慧城市評價標準框架（GB/T 33356-2016）所述的城市服務、城市管理、公共安全、生態宜居等客觀指標，對市民體驗也具有很大影響，因此其數字化、智能化是建設新型智慧城市的重要組成部分。與此同時，基礎設施老化、極端天氣的持續增多、城市人口的過度集中，加速了水資源短缺，并引發一系列水質及水安全問題，面對這些壓力，發展數字水務將有助于促進城市水務管理的轉型，并為行業及消費者帶來全新變革。

本文在綜合國內外學者、機構研究的基礎上，結合國際數字水務最新報告，對業務領域、價值潛力、應用場景等方面對數字水務進行分析介紹，最后落腳于數字水務在污水廠中的應用探索。

不同業務領域的數字化發展

智慧水務包括水務信息采集、傳輸、存儲、處理和服務，可提升水務管理的效率和效能，實現更全面的感知，更主動的服務，更整合的資源，更科學的決策，更自動的控制和更及時的應對。水務業務可以劃分為基礎業務、條塊業務以及支撐業務，田雨等人認為四大條塊業務即防汛業務、水資源管理業務、水生態管理業務和水環境管理業務是數字水務建設中最為重要和最為迫切的建設領域。四大條塊業務的數字化都是建立在信息感知更全面的基礎之上，但各自發展側重點不盡相同其中防汛業務體現在應急預警方面，水資源管理業務體現在資源整合、主動服務等方面，而水生態管理和水環境管理業務體現在科學決策、智能控制等方面。

以防汛業務為例，隨著極端天氣頻發，數字業務可以實時監控洪水發生的可能性和影響，從而降低洪水帶來的傷亡和經濟損失，為災后重建提供幫助；可以通過遙感技術、水利模型等管理雨水徑流和極端天氣事件造成的城市內澇；可以通過傳感器、監控設備等對城市排水系統進行聯動調控，防止洪澇災害發生。在2017年颶風厄瑪席卷佛羅里達之前，奧蒙德海灘在五處可能發生洪災的湖泊上安裝了傳感器。當時，傳感器和軟件檢測到暴雨即將來臨，于是系統提前排水，自動降低了儲水池的水位，而湖泊排水系統上的天氣感應閥門則在暴雨前自行啟動，避免了一場洪災的發生。

數字水務的價值潛力

數字技術將幫助水務行業自身創造出多種價值，如：降低運營成本、優化現有資產、提高員工參與度與生產效率等。除此之外，數字水務的應用還將對用戶及環境帶來深遠影響，如水務公司運營和財務方面的數字化方案都將有助于提高用于體驗（可參照電子賬單推送、線上繳費、網絡報修等服務），污水收集系統的實施數據傳輸、流域傳感器網絡的建立則將盡可能減少污染，以最大的力度保護環境。

1、市場價值

（1）降低運營成本

數據、傳感器可以用來實時跟蹤、分析大量的有關能源消耗、化學品使用、運行維護和系統性能的數據；資產管理系統和財務跟蹤工具可以確定運營成本，并提高流程的效率。通過長時間的數據收集與管理，可以得到運營成本基線并進一步判斷未來趨勢，這將確保系統以最優和成本效益最高的方式運行，在減少資源消耗的同時降低服務成本。

（2）優化現有資產

我國城市發展由“增量擴張”向“存量優化”的轉型已得到政府及社會各界的廣泛重視。水務行業作為重資產行業，隨著基礎設施建設的完善，如何通過優化的方式來應對基礎設施的老化將成為今后調整水務結構與功能的重點。以我國排水管道為例，截止到2017年底，我國城市排水管道長度總量達到63.0萬千米，其中超過27萬千米排水管網的使用年齡在十年以上，管道功能性缺陷及結構性缺陷長度占比超過30%，解決缺陷時究竟是修理還是更換才能達到功能保障及經濟最優，是目前管道修復工程面臨的最直接問題之一。預測數據分析與決策優化系統工具相結合可以解決此類問題，其提出預測性資產管理計劃用于修復老化資產，優化資產績效。

（3）提高生產效率

水務管理具有一系列復雜的數據采集設施，如流量計、傳感器、視頻監控等，但這些數據復雜而龐大，運行人員無法將這些數據聯系起來，從而識別其中存在的問題與隱患。智能監控及分析系統可以統籌不同來源的數據，收集保存至中央存儲器，經過一系列運算分析后以圖表等形式直觀的呈現在運行人員面前，使他們可以將精力及注意力集中在系統所反映的異常數據上，從而提高生產效率。除此之外，一些移動終端如智能收集、平板電腦的使用，也可以使員工更快更輕松的完成工作，同時提高工作中收集的數據的質量和準確性。

2、非市場價值

（1）增強用戶體驗

為了提高可持續性，加大水資源保護力度，水務公司開始制定創新戰略，以便提高消費者參與度，重塑人們的用水觀念。除此之外，水務公司正在努力打造一個功能齊全的線上網路綜合運營系統，全面優化各類服務，包括：抄表、計費、客戶服務、收款和財務報告等。總的來說想讓用戶改變用水習慣，就要提供更為便捷的服務，盡量降低對用戶日常生活習慣的影響。昆士蘭麥凱區市政府則引入了自動抄表技術，幫助消費者更好地管理用水，節約開支。如果出現漏水現象，數字水表還能及時警告消費者和當局，方便當局盡早解決問題，減少水資源的浪費。AI聊天機器人等新數字技術可以隨時為消費者答疑解惑，為加強用戶參與提供了極大的可能，同時還能推送用戶快訊，提供用水和節水信息。

（2）降低管理風險

風險管理是水務行業的重要組成部分，其對于維護公用系統有效性、公共安全和民眾信任至關重要，使用先進的數字技術進行風險預測及管理，可以幫助水務部門或公司發現問題并在其變為公共事件前采取相應的措施給予應對。以管網漏損為例，隨著數字水務的推進，供水單位獲取了越來越多的數據如GIS數據、水質/流量/壓力監測數據、日常維護數據等，通過挖掘這些大數據所蘊含的信息，可以用于輔助供水管網的漏損檢測，從而降低管理風險。

（3）保護人類及環境健康

公共事業需要把保護人類及環境健康放在首位，但傳統模式可能由于紙質資料不便捷、動態更新不及時、巡檢工作效率低、分析問題無依據等問題造成監管不及、不得當甚至是缺乏監管，至使環境污染事件頻發。數字技術為監管提供了手段及依據。以水體、流域為例，可以通過設置原位傳感器或分析儀對水質進行測量，并結合流域尺度的氣候模型、水利水質模型對污染物的濃度、分布、遷移等進行監測及判斷。

污水處理廠中的應用探索

1、國內外污水廠數字化現狀

歐美國家的污水處理事業相對完善，并結合通信、自動化、計算機等領域的科研成果，逐步邁向數字化。以美國芝加哥Stickney廠為例，其監控系統高度自動化，控制系統可通過算法對設備及工藝進行優化，形成了自動采集、自動判斷、自動調整、自動控制四位一體的運行模式。德國不來梅Oppolzer的污水廠高度智能化，整個廠區只有幾個運行人員來負責廠區日常記錄，其他管理都由數據中心的電腦進行控制。亞洲地區日本污水處理監控技術較為突出，其數字系統的特點為監控系統小型化結合多傳感器融合技術。

目前國內污水廠自動化程度不高，設備運行通常處于半自動狀態，例如：粗格柵及提升泵房的提升泵處于現場手動控制或上位機遠程單純啟停，沒有實現根據污水流量而自動調節提升泵頻率、亦沒有根據提升泵的運行時間長短來控制泵的啟停；二沉池的污泥輸送機及剩余污泥泵沒有聯動控制系統，致使工作人員需根據污泥量的多少控制污泥輸送機的數量及運行。監控手段以PLC監控系統為主，隨著網絡發展，計算機與互聯網組成的網絡監控系統開始得以應用，實現了遠程查看。目前，隨著無線傳感技術的突破以及無線網絡的成熟，遠程無線監控成為新的發展主流，技術人員將無線傳感器布局在檢測區域，組成傳感器陣列，以無線跳躍的方式傳輸信號，進而匯總到網絡節點，再以GPRS無線技術傳輸出去。

2、數字化在污水廠中的應用探索

（1）BIM建模/無人機傾斜攝影+地理信息系統（GIS）技術應用

通過BIM建模/無人機傾斜攝影+GIS技術，污水廠可以實現對基礎數據資源的數字化、可視化管理，將地圖元素、地面、地下空間信息融入到管理系統之中，通過采用三維模擬技術對廠內建構筑物進行詳實的展示，其中BIM建?？捎糜谛陆ㄎ鬯幚韽S，無人機傾斜攝影技術可用于已建污水處理廠。通過此聯合技術的應用，將工程階段產生的數字化信息貫穿于整個建設管理中，解決大量信息的溝通、協調問題，為設計、施工以及運營單位在內的各參建主體提供協同工作的基礎，構建基于5G+BIM技術的工程建設全生命周期管理將是污水廠未來數字化發展的主要趨勢之一。

（2）移動終端設備應用

為運行人員提供諸如智能手機，平板電腦等移動設備，使污水廠員工能夠在巡檢過程中更快更輕松地完成工作，同時提高工作中收集的數據的質量和準確性。這些終端的數據將上傳至數據中心，有利于其他人員查看，并保障了數據的完整性，為大數據分析提供了依據和基礎。

（3）增強現實與虛擬現實（AR和VR）應用

AR和VR技術也具有廣闊的發展空間，其可通過提供建構筑物、設備、管道、線纜等資產的全息圖像，為員工開展浸入式場景培訓，此外，還可以讓員工在沒有預先大量儲存相關知識的情況下，通過可視化指導對設備進行問題識別甚至是檢修。

利用AR技術提供的文本輸入功能，現場工作人員可以使用它來快速共享信息。通過AR技術，可以判斷哪些設備運轉正常，同時結合數據分析，可以實現預防性的設備維護。再結合GIS、傳感器、數字孿生技術，可以更進一步的生成物理系統的運行副本，對污水廠的功能進行模擬，并直觀的進行監控，提高污水廠預測性維護及事故預防能力。

（4）5G技術應用

隨著4G進入規模商用，面向2020年級未來的第五代移動通信（5G）已成為全球通信發展熱點。相對4G，5G將以一種全新的網絡架構，提供縫制10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延，及超高密度連接，實現網絡性能新的躍升。相比于4G以人為中心的移動寬帶網絡，5G網絡將實現真正的“萬物互聯”，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域。

隨著物聯網海量設備和各種新服務類型的出現，傳統的工控集群網絡逐漸不堪重負，5G技術可以實現業務數據本地化處理和接入到移動云平臺，通過邊緣計算可以為污水廠提供以下服務：提高污水廠計量、控制、執行、應用的實時性；為大量多樣化異構數據提供優化；實現數據的就地閉環，訪問控制與威脅防護的廣度和難度因此大幅提升。

水務 數據 技術

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