水处理

工业互联网支撑的智慧水务建设模式浅析

2020-05-06 10:17:21 知识自动化 作者:杨会甲 等

我国水资源治理现状

据不完全统计,目前我国年均缺水约500亿立方米,约2/3城市不同程度缺水,城镇污水处理率不足90%,人均水资源总量只有全球平均水平的28%,水资源短缺及其开发利用处理能力不足、传统水务行业自动化和信息化技术应用相对滞后已成为掣肘建设美丽中国、实现我国长期可持续发展的矛盾焦点。

供水方面,我国供水总量在2013年达到前期峰值,之后开始出现供水总量增速趋缓甚至下降现象,尤其在城市供水管网漏损方面,目前西方发达国家基本将城市供水管网漏损降低到10%以内,但是在我国大部分城市地区供水管网漏损率仍旧超过15%,部分地区甚至超过了20%,水资源利用率过低、漏损过于严重,导致了我国水资源日趋紧缺。

近年来,我国住建部、发改委等相关部门陆续出台相关规划、政策支持水务的智慧化发展,特别是2018年《水污染防治法》的正式实施,明确了水污染防治的标准、规划和措施,对水质处理、污染防治提出更高要求。一系列水资源治理、供水管理、污水处理等方面的政策出台,均瞄准提升我国城市资源综合治理能力的目标,为我国发展智慧水务产业带来了良好的政策环境支撑。

智慧水务是什么

近年来,随着新一代信息技术的迅猛发展,传统水务行业与物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新一代信息技术有机融合,推动了传统水务行业智慧化转型升级,智慧水务产业应运而生。

在《工业互联网术语和定义》中,智慧水务的定义为:以业务与数据双驱动为核心,充分利用新一代信息与工业互联网技术,深入挖掘和广泛运用水务信息资源,通过水信息采集、传输、存储、处理和服务,全面提升水管理的效率和效能,实现更全面的感知,更主动的服务,更整合的资源,更科学的决策,更自动的控制和更及时的应对。

智慧水务可大幅提高水资源开发利用处理效能,不仅是我国水务行业发展的主导方向,也成为建设智慧城镇、智慧中国的重要组成部分,值得高度重视并着力推进其健康快速发展。

笔者单位长期从事智能制造的技术研究与应用,在智慧水务的领域,笔者创新性的将制造的全生命周期的理念应用在智慧水务定义中,提出:智慧水务的根本目的是实现水资源全生命周期的智慧化管理,提供水系统全生命周期管理机制,包含水安全、水环境、水生态、水治理、水科技、水利用等水务系统六大发展领域。

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图1:水资源全生命周期管理模式图

智慧水务发展的困境

在智慧水务良好的发展机遇下,虽然有如北控水务、中环水务、碧水源集团等大型水务公司初步实现了智慧水务的转型升级,并实施了一定数量的具备管控一体、数据可视、协同调度等功能的智慧水务建设项目;但从中国城市供水现状及其水资源治理态势来看,当前智慧水务的发展仍旧处在初级阶段,通过对当前水务系统调研分析得出阻碍智慧水务发展的主要因素有如下几方面:

首先,水务、水资源管理系统信息化程度,数据信息孤岛相对严重,甚多重要的水务信息数据无法实现互联互通,信息资源的协同共享能力较差;

其次,水务基础数据不完备,部分水务部门尚未完成对管网地理信息系统的数据化规整,管网属性数据相对缺失,管网的监测精度、监测频率以及监测广度等方面相对粗放,数据难以获得、准确度差,限制了数据的综合利用;

最后,各企业及研究机构对智慧水务的本质认识相对较浅,尚未形成数据共享、资源协同的互利共赢局面。

智慧水务如何拥抱工业互联网

为了破解智慧水务发展存在的各类制约因素,笔者尝试结合国家工业互联网发展战略及其工业互联网平台建设模式,探索一种智慧水务融合工业互联网的建设模式,以便促进智慧水务产业的高质量快速发展。

首先,我们所说的工业互联网是以互联网为代表的新一代信息技术与工业系统深度融合形成的产业和应用生态,是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。《工业互联网体系架构报告》在分析业务需求基础上,提出了工业互联网体系架构,指出网络、数据和安全是体系架构的三大核心,其中“网络”是工业系统互联和数据传输交换的支撑基础,“数据”是工业智能化的核心驱动,“安全”是网络、数据以及工业融合应用的重要前提。该体系架构从本质上指出数据流的核心驱动地位,也阐明了数据是沟通工业物理实体与虚拟实体的根源,也是创建CPS系统、数字孪生体的根基。

其次,在工业互联网体系架构基础上,工业互联网产业联盟给出了工业互联网平台架构,可概括为边缘设备层、基础资源层(IaaS)、平台服务层(PaaS)、应用服务层(SaaS)。为了实现智慧水务与工业互联网平台的无缝对接,笔者针对当前智慧水务系统架构进行了剖析,智慧水务系统的架构可概括为如下几方面:水务现场数据采集传输层,用于实现关键设备数据信息采集传输;数据中心层,用于实现数据的汇聚、清洗处理等;应用业务层,实现数据可视化展示、业务管理以及第三方服务接入等功能。

综合而言,常规智慧水务系统建设主要采用了物联网+数据汇聚+应用服务模式,与工业互联网的平台架构模式存在一定的差异;但究其本质,工业互联网平台的核心在提供一种平台架构,将数据接入平台层(可分为本地接入或者云端接入两种形式,目前更偏重于云端接入),工业互联网平台更多的提供了应用开发服务,用户可以在服务平台层进行服务的使用并开发具备定制化功能的第三方应用服务。结合该种思想,笔者架构了一种融合工业互联网的智慧水务体系,如下图所示。

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图2:工业互联网支撑的智慧水务架构

图2所示架构从工业互联网平台架构出发,实现了常规智慧水务架构向平台化、云服务化方向的转化。

在边缘设备层,实现了将水务现场关键设备数据、数据采集系统等的归集,为水务数据集中采集与汇聚提供了边缘支撑;包括水处理的加药装置与配药装置、供水加压装置、流量测试设备、压力测试设备、水质测试等等,通过采集水务现场关键设备信息数据,可实现水务现场生产治理状态的实时监管。

在智慧水务IaaS层,将水务数据处理、存储、安全防护等所需资源进行了云化配置,实现数据的云化处理;在工业互联网支撑下的智慧水务基础资源层一般为云端服务商提供,包括计算服务器、网络服务器、应用支撑服务环境等等。

在云平台层结合大数据智能分析、专家系统等技术实现水务数据的智慧化分析与处理为智能化决策与调度提供服务支撑;工业互联网支撑的智慧水务云平台端多采用诸如阿里云、INDICS平台、华为云等相对成熟的云端服务平台,原因在于大型云端服务提供上可以确保良好的数据安全防护服务,相对于本地私有化部署而言,其数据安全性防护更有保障。

在应用服务层,特别设置了开发者中心,为智慧水务多业务功能应用提供开发接口,供水务业务部门开发使用,目前越来越多的水务企业对云端服务自主开发的需求越来越大,开放的开发者中心为此类企业提供了有效手段。本层通常采用水务平台的云端部署方式实现服务的云端化,对于智慧水务平台而言,主要可实现水务设备管理、水务营收管理、管网状态监管、协同调度、第三方接口、移动服务等功能。

融合工业互联网的智慧水务建设模式可分为本地化部署、云端部署两种情况:本地化部署——将数据中心部署到企业端,云端化部署——将水务数据中心部署到公有云上;其运营和商业模式创新主要有远程运维服务智能化、服务平台软件化,可以将研制的智慧水务系统发布到工业互联网平台的APP超市中,为业界人士提供免费试用服务;笔者所在单位研制的智慧水务系统目前在INDICS平台上实现了模块化部署,有兴趣的读者可以到INDICS平台搜索试用。

图2所示架构目前在笔者所在单位实施的新疆昌吉清源水务项目上得到了良好应用,在中国航天科工集团有限公司 “一云五网N平台M应用”战略部署下,实现了昌吉水务管网系统信息化建设,完成了水务全域数据融合和业务流通,在GIS平台支撑下,实现了管控“一张图”和业务“一条线”。该系统目前在公有云平台上实现了上线部署和稳定运行,显著提升了企业水务智慧化管理水平、有效降低了供水管网系统的漏损率,提升了企业在城市供水管理领域中的影响力,同时也有效改善了城市供水治理能力、提高了水资源综合利用率、提升了公众用水的安全可靠性。

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图3:智慧水务平台应用效果图

小结

本文通过分析我国水资源治理现状、智慧水务产生的背景及其内涵意义,结合国家工业互联网发展态势,探讨了智慧水务与工业互联网之间的融合建设模式。在智慧水务系统典型应用案例分析下,指明了智慧水务融合工业互联网是未来发展的大趋势,智慧水务系统不仅可实现本地化服务,还可实现云端服务,在工业互联网支撑下还可提供第三方开发服务。本文探索的融合工业互联网的智慧水务建设模式,有望为业界人士提供一种有益的参考。

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