麥永暉 張銘銳

(廣州市自來水有限公司)

1.實施背景

1.1 國家、省市推進(jìn)智慧水務(wù)高質(zhì)量發(fā)展

黨的十九大報告指出，我國進(jìn)入了中國特色社會主義新時代，要堅持以人民為中心的發(fā)展思想，不斷把人民對美好生活的向往變成現(xiàn)實。習(xí)近平總書記在視察廣東時明確提出“推動高質(zhì)量發(fā)展”的工作任務(wù)，強(qiáng)調(diào)“要發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體作用和市場導(dǎo)向作用，加快建立技術(shù)創(chuàng)新體系，激發(fā)創(chuàng)新活力”。近年來，國務(wù)院、國家發(fā)改委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等多部門都陸續(xù)印發(fā)了支持智慧水務(wù)行業(yè)的發(fā)展政策，涉及發(fā)展智能供水等內(nèi)容。

為進(jìn)一步提高城市供水安全保障水平，扎實推進(jìn)供水高質(zhì)量發(fā)展，持續(xù)提升供水安全保障能力，不斷滿足人民群眾日益增長的美好生活需要，省、市政府也要求加快建設(shè)高水平新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，推進(jìn)智慧水務(wù)建設(shè)，優(yōu)化提升城市供水服務(wù)。

1.2 公司實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和服務(wù)社會雙重目標(biāo)

南方某自來水公司，以黨建引領(lǐng)，踐行以人民為中心的發(fā)展思想，堅守智慧服務(wù)型公益企業(yè)定位。公司結(jié)合“十四五”供水規(guī)劃，制定了智慧水務(wù)建設(shè)的發(fā)展思路，將借助云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等創(chuàng)新技術(shù)，推進(jìn)公司向數(shù)字化、自動化轉(zhuǎn)型升級，打造“智慧水務(wù)”，以更高質(zhì)量推動供水建設(shè)、營運(yùn)服務(wù)全面邁向新臺階新水平，以更強(qiáng)擔(dān)當(dāng)推進(jìn)該城市實現(xiàn)老城新活力、四個出新出彩。

1.3 加壓站運(yùn)行存在的問題

城市供水系統(tǒng)是城市發(fā)展的命脈,是保障人民群眾生活和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)建一個安全、可靠、智慧的供水系統(tǒng)，是建設(shè)宜居宜業(yè)宜游幸福城市的需要，更是一個世界級城市必備的基礎(chǔ)條件。通過加壓站蓄水、加壓作用，錯峰調(diào)節(jié)，保障城市不同時段的供水壓力平穩(wěn)，還保障了城市應(yīng)急供水需要，為供水的安全性、可靠性提供有力保障。

為滿足城市供水量日益增長的需求和緩解局部地區(qū)缺水缺壓問題，正不斷優(yōu)化市政管網(wǎng)加壓站的布局。近三年來，新增接管運(yùn)營的供水加壓站共17 個，如仍采用傳統(tǒng)24 小時有人值班的管理模式，一個加壓站需十名四班三運(yùn)轉(zhuǎn)的值班人員，則需增加超百名值班人員，人員缺口較大，而且近年來人力成本也在不斷的上升。通過加壓站無人值守智慧改造，有效解決人力資源緊張問題，同時改造優(yōu)化了加壓站的生產(chǎn)全過程監(jiān)控，保障了供水安全，解決傳統(tǒng)值守管理模式效率低、運(yùn)行成本高的問題。

2.目標(biāo)與做法

2.1 項目目標(biāo)

結(jié)合精細(xì)化管理降本增效的行業(yè)背景，以智慧水務(wù)作為突破點，通過實施加壓站無人值守科技創(chuàng)新改革，運(yùn)用無人值守泵站技術(shù)，解決加壓站管理投入人力資源過多的痛點，形成無人值守及巡檢結(jié)合的運(yùn)行管理新模式，提升智能化運(yùn)行管理水平，提高公司人力資源使用效率，降低人工運(yùn)行成本，為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)提供堅強(qiáng)的供水保障。

2.1.1 構(gòu)建加壓站無人值守系統(tǒng)，保障城市供水安全

圖1 無人值守加壓站

充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代技術(shù)，構(gòu)建無人值守一體化感知體系，提升對設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測、預(yù)警能力，大力提升加壓站供水安全、管理和效能，提高居民生活用水安全保障水平。同時，通過加壓站智能調(diào)度、自動投加、生產(chǎn)管理等系統(tǒng)，平衡供水能力與用水需求，大大提升能源利用率，降低能耗，實現(xiàn)供水生產(chǎn)精益化。利用智慧管理平臺對加壓站生產(chǎn)設(shè)備的全面、動態(tài)化管理，保障城市供水安全。

2.1.2 融合技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，輔助決策科學(xué)化

融合新一代信息技術(shù)，加強(qiáng)加壓站信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)系統(tǒng)整合與成果復(fù)用，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在智慧供水的應(yīng)用，提升設(shè)備監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力，使供水企業(yè)的運(yùn)營與管理更加智能化，進(jìn)而提升企業(yè)的運(yùn)營效率，提高供水的安全性能，提升加壓站的精細(xì)化管理水平與綜合智能決策能力。

2.1.3 實現(xiàn)降本增效，有效降低運(yùn)行成本

通過以降本增效為導(dǎo)向的智慧決策與自動化運(yùn)行，實現(xiàn)供水加壓站生產(chǎn)流程的優(yōu)化控制，提高設(shè)備運(yùn)行的自動化、信息化、智能化水平，并配置和完善信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)加壓站無人值守管理模式，降低運(yùn)行成本，從而提升供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

結(jié)合直面社區(qū)、服務(wù)民生、支撐城市的工作特點，以保障城市供水平穩(wěn)安全、改善人民群眾用水環(huán)境、提升居民用水獲得感和幸福感為目的，打造具有城市特色的“加壓站無人值守智慧化改造”模式。

2.2.1 提前謀劃，試點先行

在項目實施前，從頂層設(shè)計出發(fā)，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)籌實施，制定了加壓站無人值守智慧化改造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行規(guī)定。目前國家和供水行業(yè)暫無供水加壓泵站無人值守的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，參考了電力行業(yè)無人值守變電班的國家規(guī)范，以及國內(nèi)供排水企業(yè)無人值守泵站的一些案例，結(jié)合對水廠系統(tǒng)多年運(yùn)行管理的技術(shù)經(jīng)驗，公司在2020 年編制并發(fā)布了《無人值守調(diào)節(jié)泵站技術(shù)規(guī)范》，為無人值守加壓站技術(shù)方案設(shè)計、改造提供技術(shù)路線，也對其他新建加壓站的前期設(shè)計有統(tǒng)一明確的指引作用，避免日后改造的重復(fù)建設(shè)。為規(guī)范無人值守加壓站運(yùn)行管理工作，保障無人值守加壓站安全、可靠運(yùn)行，公司還發(fā)布了《無人值守調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行管理規(guī)定》。

2.2.2 自動化控制系統(tǒng)

建立和完善無人值守加壓站以PLC 為核心的自動化控制系統(tǒng)。無人值守加壓站從來水到出水的生產(chǎn)全流程均可實現(xiàn)自動控制?？梢愿鶕?jù)來水壓力、出站水壓力實現(xiàn)泵組開停自動運(yùn)行；根據(jù)來水余氯值、出水余氯值、水量實現(xiàn)消毒藥劑自動投加。最終實現(xiàn)加壓站生產(chǎn)全流程的自動化，達(dá)到無人值守的目標(biāo)。無人值守加壓站的自控系統(tǒng)能接收遠(yuǎn)程調(diào)度運(yùn)行中心下達(dá)的調(diào)度指令，實現(xiàn)對加壓站生產(chǎn)設(shè)備的安全遠(yuǎn)程控制；能根據(jù)指令或運(yùn)行參數(shù)的變化自動改變設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)自控系統(tǒng)上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)故障時，現(xiàn)場控制柜按預(yù)設(shè)模式獨立承擔(dān)設(shè)備的運(yùn)行控制。

2.2.3 物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心

物聯(lián)網(wǎng)的建立是實現(xiàn)無人值守加壓站系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)對加壓站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)如設(shè)備運(yùn)行信息、電壓電流、清水池水位、管道流量、壓力、水質(zhì)和視頻信號等關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動控制、智能報警，實現(xiàn)加壓站生產(chǎn)全過程的信息采集。遠(yuǎn)程調(diào)度運(yùn)行中心的數(shù)據(jù)中心將匯集各加壓站所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和存儲，實現(xiàn)無人值守加壓站設(shè)施、數(shù)據(jù)、應(yīng)用支撐平臺等信息資源的集約化管理、分析與應(yīng)用。

2.2.4 設(shè)備在線監(jiān)測

無人值守加壓站通過自動化系統(tǒng)和信息安全系統(tǒng)可實現(xiàn)主設(shè)備可遠(yuǎn)控、附屬設(shè)施能監(jiān)控，運(yùn)用熱成像溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測系統(tǒng)，智能表計等新技術(shù)新設(shè)備，代替人員定期現(xiàn)場巡檢；依托智慧管理平臺，通過大數(shù)據(jù)分析來判斷泵站的故障狀態(tài)。

（1）熱成像溫度監(jiān)測

圖2 熱成像溫度監(jiān)測

利用紅外熱成像攝像頭、模塊對設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測，包括水泵、電機(jī)、變頻器、電柜母排等點位進(jìn)行紅外溫度檢測。然后通過智慧管理平臺實時監(jiān)測泵房環(huán)境和設(shè)備溫度變化情況。管理平臺能夠?qū)⒈媒M實時溫度數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行的歷史溫度數(shù)據(jù)庫做對比，對突發(fā)溫升異常進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警并準(zhǔn)確定位。紅外熱成像監(jiān)測系統(tǒng)，可避免人工測量設(shè)備溫度時所帶來的不確定危險因素，并可實現(xiàn)連續(xù)不間斷設(shè)備測溫，及時反饋設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高安全性。

（2）泵組振動監(jiān)測

傳統(tǒng)的人工測量機(jī)組振動數(shù)據(jù)，會存在人為測量誤差，誤觸碰機(jī)械運(yùn)動部件，現(xiàn)場噪聲等其他危害。采用振動傳感器測量振動數(shù)據(jù)則避免了上述不良因素和危險性，而且數(shù)據(jù)連續(xù)，可實時對機(jī)組的運(yùn)行情況監(jiān)控，及時對泵組進(jìn)行“健康體檢”，對泵組健康程度進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，為故障診斷提供依據(jù)，輔助運(yùn)行人員合理開停機(jī)組，延長機(jī)組使用壽命，減少運(yùn)行人員巡檢次數(shù)。

圖3 泵組振動監(jiān)測

2.2.5 信息安全

加壓站屬于相對封閉的生產(chǎn)場所，傳統(tǒng)有人值守的加壓站生產(chǎn)運(yùn)行依靠人工調(diào)度指令，而隨著智慧水務(wù)的加速發(fā)展，廠站網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行新要求的提出，加壓站的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)由僅滿足于自身運(yùn)行管理需要，逐步向公司聯(lián)動調(diào)度、集約化管理轉(zhuǎn)變，加壓站網(wǎng)絡(luò)及信息安全也越來越重要。項目建立以計算環(huán)境安全為基礎(chǔ)，以區(qū)域邊界安全、通信網(wǎng)絡(luò)安全為保障，以安全管理中心為核心的信息安全整體保障體系。在PLC 控制系統(tǒng)的上位機(jī)、服務(wù)器進(jìn)行主機(jī)加固并加裝基于可信計算和主機(jī)白名單的可信終端防護(hù)系統(tǒng)實現(xiàn)終端的病毒和安全防護(hù)。PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與加壓站管理網(wǎng)絡(luò)邊界部署工業(yè)防火墻，實現(xiàn) PLC 系統(tǒng)與加壓站管理網(wǎng)絡(luò)的橫向隔離，保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊界安全。

2.2.6 管理平臺

智慧管理平臺是整個項目的主體。項目已建成一套可靠、高效、安全的無人值守管理平臺，平臺功能模塊包括泵站總覽、實時數(shù)據(jù)、設(shè)備異常診斷、業(yè)務(wù)分析、報表管理、視頻門禁管理、規(guī)則管理、系統(tǒng)配置等。以自動控制、大數(shù)據(jù)、可視化等新技術(shù)為支撐，構(gòu)建運(yùn)行監(jiān)測、分析及遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的無人值守智慧化管理平臺。在遠(yuǎn)程調(diào)度運(yùn)行中心，運(yùn)行人員可通過大屏顯示系統(tǒng)，將無人值守加壓站關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行可視化展示，實現(xiàn)管轄范圍內(nèi)加壓站詳情展示，同時集中監(jiān)控各無人值守加壓站的運(yùn)行狀況，在需要實時調(diào)度運(yùn)行時也可對加壓站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（1）設(shè)備異常自診斷

圖4 無人值守調(diào)度運(yùn)行中心

無人值守加壓站管理平臺對所有監(jiān)控的數(shù)據(jù)，均可設(shè)置報警限制，通過報警規(guī)則的配置，針對加壓站常見預(yù)警、報警制定準(zhǔn)確的診斷邏輯，并通過規(guī)則引擎對海量加壓站的流式數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算，完成異常自動診斷系統(tǒng)。結(jié)合異常診斷與解決經(jīng)驗，將診斷形成規(guī)則模型，并不斷增加和優(yōu)化異常模型，為異常診斷提供解決方案，自動形成工單。

（2）BIM 建模技術(shù)融合

采用B/S 架構(gòu)高精度三維數(shù)字化建模技術(shù)，搭建BIM LOD300 轉(zhuǎn)WebGL 輕量化泵房全專業(yè)三維數(shù)字化孿生模型及設(shè)備安裝信息，實現(xiàn)可視化安全管控、人員高效運(yùn)維管理。通過對加壓站進(jìn)行BIM 建模，可加載在泵房內(nèi)帶動態(tài)圖像疊加功能的攝像頭系統(tǒng)上。BIM 技術(shù)可視化，可多角度、全方位、集中呈現(xiàn)供水生產(chǎn)全流程實時動態(tài)監(jiān)控，及時掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和供水情況，實現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營管控一體化，提高加壓站運(yùn)行管理水平。

（3）VR 虛擬仿真技術(shù)融合

依托VR 技術(shù)，建立起泵房、投加間、高/低壓室、變壓室、加壓站全景沙盤等虛擬環(huán)境，讓實景展現(xiàn)在眼前，實現(xiàn)加壓站運(yùn)行管理的信息化、智能化、可視化和集成化。無人值守加壓站可視化管理結(jié)合VR 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，模型與運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻相結(jié)合，實現(xiàn)泵站的三維可視化綜合管理，提高設(shè)備信息利用的效率。

2.2.7 安防視頻系統(tǒng)

供水企業(yè)反恐怖防范要求有嚴(yán)格規(guī)定，無人值守加壓站在沒有現(xiàn)場運(yùn)行人員的情況下，安防系統(tǒng)應(yīng)符合DT 4401T25 的相關(guān)要求，重點加強(qiáng)無人值守加壓站的技防建設(shè)。安防系統(tǒng)技防設(shè)施包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵和緊急報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和公共廣播系統(tǒng)等。在主要出入口配置人面識別門禁，配電房和控制室設(shè)煙感，清水池、設(shè)備間、控制室、泵房、出入口、通道等設(shè)視頻監(jiān)視，圍墻采用紅外線對射安防系統(tǒng)防入侵。當(dāng)有入侵報警時，能聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行圖像復(fù)核并實時錄像，并設(shè)有聲光報警聯(lián)動功能。

圖5 無人值守加壓站BIM 可視化

通過平臺整合視頻、門禁等安防信息，實現(xiàn)安防報警和出入授權(quán)監(jiān)控管理。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與HMI 和BIM 有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)感知的實時化和可視化。運(yùn)行人員在調(diào)度運(yùn)行中心即可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控加壓站內(nèi)泵組和相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行情況，從而達(dá)到無人值守的目的。

2.3 管理創(chuàng)新，降本增效

2.3.1 管理制度創(chuàng)新

在公司層面編制了無人值守加壓站運(yùn)行管理規(guī)定，管理單位制定具體運(yùn)行、操作、巡檢制度和指引。逐步建立和完善無人值守加壓站的相關(guān)管理制度、應(yīng)急預(yù)案、管理職責(zé)，包括新設(shè)巡檢運(yùn)維組及調(diào)整維修工段工作職能等，優(yōu)化人員配置，逐步推進(jìn)新的管理模式。加壓站管理單位，根據(jù)實際情況細(xì)化和落實具體管理措施。針對無人值守加壓站的故障搶修需求，成立運(yùn)維巡檢和應(yīng)急搶修隊伍，采用“日班運(yùn)行巡檢、夜班搶修值守”的方式，保障加壓站運(yùn)行正常。

2.3.2 優(yōu)化調(diào)度管理

無人值守加壓站的調(diào)度運(yùn)行均由調(diào)度運(yùn)行中心負(fù)責(zé)，實現(xiàn)扁平化管理，減少了調(diào)度指令的層級傳遞，提高了加壓站運(yùn)行調(diào)度的及時性和精確度。同時也加強(qiáng)了對運(yùn)行數(shù)據(jù)的整體監(jiān)管，較容易通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)問題并及時解決。

3.項目成效

3.1 項目成效

加壓站無人值守智慧化改造后，系統(tǒng)運(yùn)行至今總體正常，在切實控制運(yùn)營成本、優(yōu)化人力資源配置方面有良好預(yù)期，助力公司實現(xiàn)降本增效。通過加壓站無人值守智慧化改造，實時遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障報警和可視化代替人工定時現(xiàn)場巡查，運(yùn)行可靠性提高13%；自動運(yùn)行及遠(yuǎn)程控制代替人工現(xiàn)場操作，提高安全性和及時性；數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，代替值班人員手填報表，生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一記錄，技術(shù)人員能及時統(tǒng)計和分析，提高了準(zhǔn)確性和便捷性。

3.2 項目效益

2022 年無人值守加壓站實施，使加壓站人員管理結(jié)構(gòu)上有所優(yōu)化，無人值守加壓站比原管理模式所需人員減小約60%，優(yōu)化了加壓站人力資源配置。目前累計完成全市10座加壓站無人值守智慧化升級改造建設(shè)，改造前需值班職工80 人，改造后實行片區(qū)管理，現(xiàn)場不設(shè)值班人員，建立運(yùn)維和搶修小組對無人值守加壓站進(jìn)行日常運(yùn)維，白天動態(tài)維護(hù)巡檢、晚上應(yīng)急待命值班，只需職工32 人。

通過加壓站無人值守智慧化賦能，搭建“無人值守+巡檢”運(yùn)行管理模式，實現(xiàn)全過程智慧運(yùn)行、集中管理，提升公司加壓站信息化、智能化和集約化管理水平。通過優(yōu)化加壓站的運(yùn)行管理模式，推行加壓站片區(qū)化管理、站點巡檢等，強(qiáng)化對加壓站的科學(xué)調(diào)度，高效管理。同時措施將提升公司智能化運(yùn)行及管理水平，提高公司人力資源使用效率，降低運(yùn)行成本。

3.3 間接效益

2022 年的年初和年末，該市及周邊地區(qū)疫情呈多點散發(fā)態(tài)勢，在疫情防控形勢嚴(yán)峻復(fù)雜的期間，公司下轄的加壓站陸續(xù)實施“自主封閉”管理，無人加壓站在保障供水方面“大展其能”：一是減少了在中高風(fēng)險地區(qū)的運(yùn)行人員，保障人員的健康安全，同時能置換出更多人員為用戶服務(wù)；二是與傳統(tǒng)有人值守相比，無人值守加壓站無需考慮生活、防疫、車輛等物資配備，減輕了運(yùn)行保障壓力；三是生產(chǎn)運(yùn)行更穩(wěn)定，供水安全層面可靠，持續(xù)穩(wěn)定保障居民用水加壓。

4.結(jié)語

供水企業(yè)從傳統(tǒng)生產(chǎn)型向智慧服務(wù)型轉(zhuǎn)型是必然趨勢，無人值守加壓站是智慧水務(wù)的發(fā)展方向，項目運(yùn)行情況表明加壓站無人值守智慧化改造技術(shù)上可行，實踐中有效，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。公司將進(jìn)一步探索打造關(guān)鍵設(shè)備有冗余、關(guān)鍵技術(shù)可自主、通信鏈路多通道的韌性加壓站；探索構(gòu)建控制智能化、數(shù)據(jù)資源化、管理精確化、決策智慧化的高效加壓站；探索引入綠色能源，充分回收富余壓力，打造低碳加壓站；探索加壓站與城市公共空間的融合與互動，打造因地制宜、還綠于民、多站合一的和諧加壓站。