數字水務及其在污水處理廠中的應用探索

摘要：面對基礎設施老化且資金不足、公共政策不能與時俱進和氣候變化等因素加劇水資源短缺、水質問題以及水安全等新風險，數字水務顯示出多重價值。因此，加快水務行業(yè)的數字化進程顯得尤為緊迫。污水處理廠的建設是解決水環(huán)境污染問題的基本舉措，著重介紹以5G 技術為基礎，探索其與數字技術在污水處理廠中的結合與應用。

       基礎設施和服務壓力，以及創(chuàng)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(tǒng)、數字系統(tǒng)和人類系統(tǒng)，為市民創(chuàng)造可持續(xù)、繁榮、包容的發(fā)展成果[1]。水資源作為城市重要的資源之一，與市民的生活休戚相關。水務行業(yè)將直接影響GB/T 33356—2016《新型智慧城市評價標準框架》所述的城市服務、城市管理、公共安全和生態(tài)宜居等客觀指標，對市民體驗也具有很大影響，因此數字化、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(xù)增多、城市人口的過度集中，加速水資源短缺，并引發(fā)一系列水質及水安全問題。面對這些壓力，發(fā)展數字水務將有助于促進城市水務管理的轉型，并為行業(yè)及消費者帶來全新變革。

       1 不同業(yè)務領域的數字化發(fā)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(xiàn)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(yè)務可以劃分為基礎業(yè)務、條塊業(yè)務以及支撐業(yè)務。田雨等人[2] 認為四大條塊業(yè)務即防汛業(yè)務、水資源管理業(yè)務、水生態(tài)管理業(yè)務和水環(huán)境管理業(yè)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(yè)務的數字化都是建立在信息感知更全面的基礎之上，各自發(fā)展側重點不盡相同。其中，防汛業(yè)務體現(xiàn)在應急預警方面，水資源管理業(yè)務體現(xiàn)在資源整合、主動服務等方面，而水生態(tài)管理和水環(huán)境管理業(yè)務體現(xiàn)在科學決策、智能控制等方面。

       2 數字水務的價值潛力

       數字技術將幫助水務行業(yè)自身創(chuàng)造出多種價值，如：降低運營成本、優(yōu)化現(xiàn)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(huán)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戶體驗（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(tǒng)的實施數據傳輸、流域傳感器網絡的建立則將減少污染，以最大的力度保護環(huán)境。

       3 數字水務在污水處理廠中的應用探索

       3.1 國內、外污水廠數字化現(xiàn)狀

       歐美國家的污水處理事業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)高度自動化，控制系統(tǒng)通過計算對設備及工藝進行優(yōu)化，形成自動采集、自動判斷、自動調整和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(qū)只有幾個運行人員負責廠區(qū)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(qū)日本污水處理監(jiān)控技術較為突出，其數字系統(tǒng)的特點為監(jiān)控系統(tǒng)小型化結合多傳感器融合技術[5]。

        3.2 污水廠基于5G 技術的數字化應用探索

        5G 技術可實現(xiàn)業(yè)務數據本地化處理和接入到移動云平臺，通過邊緣計算為污水廠提供服務：為污水廠提供全生命周期管理；為大量多樣化異構數據提供優(yōu)化，提高污水廠計量、控制、執(zhí)行、應用的實時性；為污水廠遠程控制、設備維修提供依據。

       1）GIS+BIM 技術應用。通過5G+GIS 技術污水處理廠可實現(xiàn)對基礎數據資源的數字化、可視化管理，將地圖元素和地下空間信息融入到管理系統(tǒng)之中，采用3D 模擬技術對地下管線進行詳實的展示，切實解決污水處理流程管理中設備和管道隱蔽性強、重疊交叉的問題，充分體現(xiàn)出輔助決策的科學性和先進性（見圖1）。通過此聯(lián)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，可解決大量信息的溝通、協(xié)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(xié)同的工作基礎，構建基于5G+GIS+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(fā)展的主要趨勢之一。

      3）虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術應用。虛擬現(xiàn)實技術（AR）和增強現(xiàn)實技術（VR）技術在污水處理廠數字化應用中具有廣闊的發(fā)展空間，可通過提供建構筑物、設備、管道、線纜等設備的全息圖像，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運行狀態(tài)進行問題識別甚至是檢修（見圖2）。同時，結合數據分析，實現(xiàn)預防性的設備維護。再結合GIS、傳感器、數字孿生技術，可以更進一步地生成物理系統(tǒng)的運行副本，對污水廠的功能進行模擬，并進行直觀監(jiān)控，提高污水廠預測性維護及事故預防能力。

       4 結語

       近年來智慧水務進入新一輪的高速發(fā)展期。5G 技術的突破無疑為數字技術的使用提供更為廣闊的發(fā)展空間。在污水處理廠中，5G 技術通過與GIS 系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、AR/VR 系統(tǒng)的結合，增強智能化手段的應用廣度和深度，不僅使運行單位及行業(yè)管理部門實時、全面感知污水運行系統(tǒng)中方方面面的信息，而且可運用云平臺搭載大數據分析訓練引擎，從而有效提升水務決策能力及效率，為運行單位提供更為靈活有效的決策管控方案。

編輯：徐冰冰