梁戰(zhàn)昌
廣西農(nóng)村投資集團(tuán)水務(wù)有限公司 廣西 南寧 530000
在智慧城市的大背景下,伴隨著 GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)的發(fā)展,在智慧供水的應(yīng)用方面有了新的突破。牟云峰從中國(guó)供水網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需要出發(fā),在 GIS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了供水網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),為供水公司提供了可視化的地理位置調(diào)研與分析服務(wù),使供水網(wǎng)絡(luò)成為一種基于網(wǎng)絡(luò)空間的社會(huì)管理方式;班富臣在供水工程中運(yùn)用 GIS技術(shù),對(duì)供水工程進(jìn)行維修、檢修,提高了供水工程的科學(xué)管理水平,并在突發(fā)事件處理中發(fā)揮了重要作用。在前期研究的基礎(chǔ)上,本文對(duì)智慧管網(wǎng)平臺(tái)的多角度應(yīng)用進(jìn)行了分析,并對(duì)如何將地理信息技術(shù)在智慧管網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)中的價(jià)值進(jìn)行了深入的探索,使城市供水的智能化運(yùn)營(yíng)得以實(shí)現(xiàn),提升了供水企業(yè)的管理與服務(wù)水平。
目前,我國(guó)大部分的供水企業(yè)特別是縣級(jí)供水企業(yè)都采用較為粗放的操作與控制方式,但其操作的準(zhǔn)確性、時(shí)效性較差,運(yùn)行費(fèi)用較高。為確保我國(guó)供水企業(yè)穩(wěn)定、低碳、高效地穩(wěn)定地運(yùn)行,需要發(fā)展一套一體化的智能化控制方法,這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)海量的水處理設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[1]。為此,亟需在水務(wù)行業(yè)中形成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理方式,以海量數(shù)據(jù)的采集、聚合、分析與服務(wù)為基礎(chǔ),構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)泛在互聯(lián)、靈活供應(yīng)與資源有效配置的開(kāi)放云平臺(tái),為水務(wù)企業(yè)提供數(shù)據(jù)的高效處理與一體化的智能化流程水控制方案。
運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),與水務(wù)集團(tuán)在過(guò)去幾年中所積累的行業(yè)知識(shí)和技術(shù)相結(jié)合,并與智能運(yùn)營(yíng)管理理念相結(jié)合,推出水務(wù)行業(yè)的智慧管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái),構(gòu)建區(qū)域水務(wù)集團(tuán)下屬水處理的數(shù)字化應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化操作系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)管理能力的深度提升?;谛畔⒓?,建立一個(gè)“全面感知,設(shè)備聯(lián)網(wǎng),數(shù)字集成,智能預(yù)報(bào)”的智能云計(jì)算平臺(tái)。
地理信息數(shù)據(jù)是地理學(xué)資料中最基礎(chǔ)的一種,它反映了地理學(xué)上的地形變化。為了把水從水庫(kù)輸送到給水系統(tǒng),然后輸送到終端消費(fèi)者,需要通過(guò)鋪設(shè)管道輸送水[2]。首先,要考慮到地形、地勢(shì)等因素對(duì)水流的影響,對(duì)水流中的水動(dòng)力、位能轉(zhuǎn)化進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。在地勢(shì)起伏較大的水源輸送中,既要考慮水源上升時(shí)的水壓增大,又要考慮水源下降時(shí)的水壓減小;并在此基礎(chǔ)上,針對(duì)不同的地表高度及鋪設(shè)管線的需要,計(jì)算出管線的埋深,以便于施工;將 DEM應(yīng)用于供水工程前期設(shè)計(jì),可使供水工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)更加智能化。其次,以 GIS為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析,獲得了工程規(guī)劃中的收益;水的使用者可能是工廠,也可能是居民。與使用者有關(guān)的信息可以從基礎(chǔ)的地理資料中擷取。根據(jù)以上資料,再結(jié)合現(xiàn)有的水廠存量資料,就可以判斷出各區(qū)域的供水狀況。按照用戶量,可以粗略估計(jì)出需要多少水。
傳統(tǒng)上,供水網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理多采用圖紙、文檔的方式。另外,供水企業(yè)的檔案室不但占用大量的空間,還不能保證資料的安全性,更難分析使用已有的數(shù)據(jù)。通過(guò) GIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)水源、水管、水廠、水表、閥門、給水管線、消防栓、升壓泵等的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。將其處理成具有空間信息的數(shù)據(jù),存儲(chǔ)在 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)設(shè)施的數(shù)字化管理,對(duì)已有的供水管網(wǎng)值進(jìn)行全面控制和整理,為供水?dāng)?shù)據(jù)的深度挖掘提供支持。
在 GIS技術(shù)下,以供水管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)、用水戶及各類儀表為基礎(chǔ),將供水用戶分成若干個(gè)儀表區(qū)域,在 GIS技術(shù)下,實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)區(qū)域的可視化管理。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)結(jié)合夜間最小流量,可快速準(zhǔn)確地判斷出漏點(diǎn)的位置,減少漏損,達(dá)到對(duì)漏點(diǎn)的精細(xì)控制。
智慧管網(wǎng)平臺(tái)以 GIS、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新一代先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ),將物聯(lián)網(wǎng)前端感知數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,構(gòu)建出與現(xiàn)代供水管理和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展相適應(yīng)的規(guī)劃框架,對(duì)供水公司的智能化服務(wù)水平進(jìn)行全面的提高,真正實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)管理信息化、資源可視化、決策專業(yè)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]。
智慧管網(wǎng)平臺(tái)的總體架構(gòu)可以被劃分成七個(gè)層次,分別是:物聯(lián)網(wǎng)感知層、硬件平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支持層、接口層、應(yīng)用層、展示層等,構(gòu)建出了適合智慧水務(wù)信息化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,具體包含了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)和安全體系。
每一級(jí)的智慧管網(wǎng)平臺(tái)具有以下具體的功能:
1)物聯(lián)感知層:物聯(lián)感知層,它是在系統(tǒng)的底層,為用戶提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)收集、傳輸?shù)裙δ?。通過(guò)訪問(wèn)傳感器、傳感器終端、攝像頭和遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,與系統(tǒng)展開(kāi)信息交換和通信,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供水設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和管理。
2)硬件平臺(tái):硬件平臺(tái)是支撐系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)所需要的硬件設(shè)備,包含服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及路由器等。
3)數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)為主,而數(shù)據(jù)庫(kù)則以歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)及其它數(shù)據(jù)庫(kù)為主。無(wú)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的數(shù)據(jù)大多是某些文件數(shù)據(jù)[4]。
4)應(yīng)用支撐層:應(yīng)用支撐層將分散的、異質(zhì)的應(yīng)用與信息資源進(jìn)行聚集,為不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間的跨數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的接入與無(wú)縫的整合,并為信息的獲取與傳遞進(jìn)行聚合,使個(gè)性化的商業(yè)應(yīng)用得以有效地進(jìn)行開(kāi)發(fā)、整合、部署與管理。
5)應(yīng)用層:是指基于應(yīng)用支持平臺(tái),向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)的基本應(yīng)用程序,這些程序包括:給水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng),給水綜合應(yīng)用系統(tǒng),給水計(jì)量系統(tǒng),DMA分區(qū)計(jì)量系統(tǒng),給水管網(wǎng)巡檢系統(tǒng),給水應(yīng)急維護(hù)系統(tǒng),BI系統(tǒng)等。
6)接口層:智慧管網(wǎng)平臺(tái)的構(gòu)建,也包含了對(duì)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)界面的管理,其中包含了數(shù)據(jù)推送界面、數(shù)據(jù)同步界面、地理信息服務(wù)界面、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面等,并通過(guò)一個(gè)高效的界面管理機(jī)制,達(dá)到了資源共享的目的。
張家界屬于中亞亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,夏半年降水豐沛,冬半年降水較少,夏季經(jīng)常受到降雨而使實(shí)景演藝取消演藝計(jì)劃,冬季寒冷的天氣使游客降低選擇實(shí)景演藝的可能性[4]。夏半年的旅游演藝產(chǎn)品需求最旺盛,冬半年的旅游演藝產(chǎn)品需求較少,旺季出現(xiàn)供不應(yīng)求,淡季出現(xiàn)供過(guò)于求的情況,這不免降低了張家界旅游演藝市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
7)表現(xiàn)層:表現(xiàn)層是一個(gè)用于用戶與該系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)的入口,一般包括一個(gè)內(nèi)外兩個(gè)入口。外部入口是為企業(yè)以外的人員服務(wù)的,而內(nèi)部入口是為企業(yè)中的人員服務(wù)的。
該平臺(tái)的縱向方向被分成:
1)根據(jù)《全國(guó)電子政府標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)則》,構(gòu)建了一套由相關(guān)技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和格式、基本數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)等組成的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。
2)安全保護(hù)系統(tǒng)的安全保護(hù)架構(gòu)主要包括:網(wǎng)絡(luò)的身份驗(yàn)證與權(quán)限管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)的加密與傳輸安全系統(tǒng),安全評(píng)價(jià)與監(jiān)控系統(tǒng),內(nèi)容的防偽篡改等。
1)給水網(wǎng)絡(luò) GIS系統(tǒng)將水源、源管、給水系統(tǒng)、水表、閥門、給水管線、消火栓、升壓泵等分散的各類資源信息整合起來(lái),在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些資源的全面展示與管理,從而實(shí)現(xiàn)了以基本地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)供水企業(yè)的資源進(jìn)行全生命周期的管理,為水業(yè)企業(yè)的資源配置及有關(guān)工程的規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐的管理目標(biāo)。
2)以高精度的數(shù)字高程模型,高分辨率的影像,城市給水管網(wǎng)資料為基礎(chǔ),建立供水企業(yè)給水業(yè)務(wù)的可視化管理系統(tǒng)。以管網(wǎng)資料為基礎(chǔ),為用戶提供全方位的可視化資料查詢、管理及更新服務(wù)。為供水企業(yè)提供管網(wǎng)建設(shè)流程、成果信息、管網(wǎng)維護(hù)、檢修等信息,有效提升供水企業(yè)的運(yùn)行與管理效率。
4)根據(jù)精細(xì)的 GIS數(shù)據(jù),供水檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)對(duì)多作業(yè)系統(tǒng)中的作業(yè)進(jìn)行聚類,并對(duì)作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化管理。本系統(tǒng)使維修人員編制自動(dòng)化、維修流程透明化、工作任務(wù)規(guī)范化、工作績(jī)效規(guī)范化,為員工的考核工作提供了很好的基礎(chǔ)。
5) BI系統(tǒng)依賴于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),以數(shù)據(jù)中心為載體,采集多個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù),并提供多種豐富的數(shù)據(jù)展示功能。通過(guò)GIS平臺(tái)上的前端傳感設(shè)備和控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)其進(jìn)行管理,維護(hù),擴(kuò)展和訪問(wèn)。利用綜合圖分析工具,對(duì)各種資料進(jìn)行綜合、檢視和分析。將 GIS與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)處理等空間和時(shí)間維度相結(jié)合,實(shí)現(xiàn) GIS的整合與互聯(lián)。對(duì)水服務(wù)的全面、多維、集中的應(yīng)用要求提供最大的支持。
在水處理各工序中,通過(guò)圖形化的方式,將各工序中設(shè)備的運(yùn)行情況以及各儀表的運(yùn)行情況一一呈現(xiàn)出來(lái)。增強(qiáng)數(shù)據(jù)反饋的時(shí)效性,使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化得到及時(shí)的反映,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表出現(xiàn)警報(bào)時(shí),可以得到告警信息,并能在第一時(shí)間將警報(bào)信息顯示給現(xiàn)場(chǎng)的操作者。在趨勢(shì)曲線中,將最重要的技術(shù)參數(shù)顯示出來(lái),以展現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀況,對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的現(xiàn)在和過(guò)去的曲線趨勢(shì)進(jìn)行分析,并對(duì)同一數(shù)據(jù)指數(shù)進(jìn)行每月和每年的數(shù)據(jù)分析,并為儀器在現(xiàn)場(chǎng)的操作和維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。
通過(guò)對(duì)異常數(shù)據(jù)的繪圖,并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,可有效地提高設(shè)備、儀表的使用壽命,減少設(shè)備維修費(fèi)用。通過(guò)地圖,可以看到各廢水處理站的分布情況及在線情況,多維度統(tǒng)計(jì),全面分析各種不正常的數(shù)據(jù)。這個(gè)平臺(tái)能夠按照不同的數(shù)據(jù)清除規(guī)則和條件對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行清除,為數(shù)據(jù)的分析、挖掘以及數(shù)據(jù)模型的建立提供一個(gè)有效的工具。
數(shù)字孿生是水務(wù)集團(tuán)智慧大腦的核心模塊,其實(shí)質(zhì)是利用智慧水務(wù),對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)制模型和 BIM模型進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物資產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的全面、可感知的數(shù)字化表達(dá)。在此基礎(chǔ)上,以數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)預(yù)測(cè)、生化分析、工藝參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能源效率分析等為研究對(duì)象,以大數(shù)據(jù)分析為核心,以大數(shù)據(jù)為支撐,以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),水質(zhì)預(yù)測(cè),生化分析,工藝參數(shù)優(yōu)化,運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),能源效率分析為目標(biāo)。致力于提高生產(chǎn)效率,穩(wěn)定生產(chǎn),最大限度地使用人力資源。
以智慧管網(wǎng)云平臺(tái)為基礎(chǔ),為污水處理廠、供水業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理、水環(huán)境運(yùn)營(yíng)管理、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)以及專業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng),提供一套完整的運(yùn)營(yíng)管理云系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)集團(tuán)數(shù)字化管理模式進(jìn)行探討和實(shí)踐。
智能水云平臺(tái)將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與商業(yè)理論和經(jīng)驗(yàn)融合起來(lái),對(duì)污水生化全過(guò)程進(jìn)行智能控制,保證了厭氧、缺氧、好氧等技術(shù)階段的技術(shù)環(huán)境;運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的合理結(jié)合,對(duì)水廠來(lái)水進(jìn)行了精確的預(yù)測(cè),并進(jìn)行了智能化的抽水控制;建立了一種能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)生物除磷過(guò)程中的總磷濃度的虛擬裝置,并對(duì)其進(jìn)行智能化控制;在人工智慧的指導(dǎo)下,通過(guò)對(duì)活性污泥中指標(biāo)的識(shí)別,可以為自來(lái)水廠的生產(chǎn)操作提供參考,并為自來(lái)水廠的生產(chǎn)運(yùn)行提供預(yù)報(bào)信息。
目前在運(yùn)行中的部分供水系統(tǒng),由于運(yùn)行、維修人員的專業(yè)技術(shù)水平較低,很難獨(dú)立完成日常的設(shè)備運(yùn)行、維修工作。比如,裝備維修,就要求有專門的技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離的指導(dǎo),并進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)將 AR、遠(yuǎn)程輔助和機(jī)器檢測(cè)等技術(shù)相結(jié)合,并將一套完整的輔助工具相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)將遠(yuǎn)程視頻控制和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)引導(dǎo)等創(chuàng)新交互結(jié)合起來(lái),將其應(yīng)用于對(duì)供水系統(tǒng)、城市污水和泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和日常檢查。
在“數(shù)字中國(guó)”的建設(shè)中,地理信息作為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有不可替代的作用。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù),建立“智慧管網(wǎng)”的企業(yè)管理與業(yè)務(wù)運(yùn)行集成平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、信息的統(tǒng)一展示、實(shí)時(shí)的科學(xué)模擬,從而達(dá)到規(guī)范、高效的運(yùn)行管理的目的,為水務(wù)企業(yè)的管理與服務(wù)提供了有力保障。另外,GIS技術(shù)在“智慧管網(wǎng)”方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,因此, GIS技術(shù)在城市智慧水管理中的作用也越來(lái)越重要。比如廣西農(nóng)投水務(wù)有限公司下屬的岑溪供水公司、藤縣供水公司等供水企業(yè),與熊貓公司等專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)合作建設(shè)智慧水務(wù)系統(tǒng),建設(shè)過(guò)程中充分結(jié)合管網(wǎng)更新改造計(jì)劃,以智能化和自動(dòng)化為目標(biāo),以可視化為手段,以地理信息和水力模型系統(tǒng)為核心,以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算為支撐,通過(guò)在供水管網(wǎng)關(guān)鍵位置安裝物聯(lián)監(jiān)控設(shè)備,實(shí)時(shí)感知供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的水量、水質(zhì)和水壓進(jìn)行評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)全流程的信息監(jiān)控和分析,為高效率、低成本運(yùn)營(yíng)提供了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策依據(jù)。實(shí)施的分區(qū)計(jì)量(DMA),可以實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)網(wǎng)格化管理,快速分析判斷管網(wǎng)漏損狀況,為制定管網(wǎng)漏損控制措施、精確定位漏損提供依據(jù),為應(yīng)急搶修提供包括人力、物力在內(nèi)的輔助決策依據(jù)。通過(guò)建設(shè)智慧水務(wù)系統(tǒng),農(nóng)投水務(wù)公司下屬企業(yè)實(shí)現(xiàn)了從零星分散數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)集中、從系統(tǒng)孤島向全面集成的轉(zhuǎn)變,將“產(chǎn)水、輸水、銷水”無(wú)縫銜接成智慧水務(wù)生態(tài)鏈,對(duì)海量多維信息進(jìn)行深度挖掘,及時(shí)生成預(yù)警處理建議,全過(guò)程閉環(huán)評(píng)估,實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)水質(zhì)、水量、水壓等信息的識(shí)別、監(jiān)控、模擬和預(yù)測(cè),以線上管理指揮及時(shí)主動(dòng)服務(wù),線下主動(dòng)運(yùn)維調(diào)控,逐步從水務(wù)自動(dòng)化、數(shù)字化向智能化階段發(fā)展,系統(tǒng)精細(xì)化和動(dòng)態(tài)化管理整個(gè)生產(chǎn)流程,綜合提升運(yùn)營(yíng)效益。