數(shù)字水務(wù)及其在污水處理廠中的應(yīng)用探索

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

       基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)壓力，以及創(chuàng)新意愿使得城市成為應(yīng)用智慧技術(shù)的最佳場所。智慧城市將整合物質(zhì)系統(tǒng)、數(shù)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(guān)。水務(wù)行業(yè)將直接影響GB/T 33356—2016《新型智慧城市評價標(biāo)準(zhǔn)框架》所述的城市服務(wù)、城市管理、公共安全和生態(tài)宜居等客觀指標(biāo)，對市民體驗也具有很大影響，因此數(shù)字化、智能化是建設(shè)新型智慧城市的重要組成部分。與此同時，基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)及水安全問題。面對這些壓力，發(fā)展數(shù)字水務(wù)將有助于促進(jìn)城市水務(wù)管理的轉(zhuǎn)型，并為行業(yè)及消費者帶來全新變革。

       1 不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)字化發(fā)展

       智慧水務(wù)包括水務(wù)信息采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，可提升水務(wù)管理的效率和效能，實現(xiàn)更全面的感知、更主動的服務(wù)、更整合的資源、更科學(xué)的決策、更自動的控制和更及時的應(yīng)對。水務(wù)業(yè)務(wù)可以劃分為基礎(chǔ)業(yè)務(wù)、條塊業(yè)務(wù)以及支撐業(yè)務(wù)。田雨等人[2] 認(rèn)為四大條塊業(yè)務(wù)即防汛業(yè)務(wù)、水資源管理業(yè)務(wù)、水生態(tài)管理業(yè)務(wù)和水環(huán)境管理業(yè)務(wù)是數(shù)字水務(wù)建設(shè)中最為重要和最為迫切的建設(shè)領(lǐng)域。四大條塊業(yè)務(wù)的數(shù)字化都是建立在信息感知更全面的基礎(chǔ)之上，各自發(fā)展側(cè)重點不盡相同。其中，防汛業(yè)務(wù)體現(xiàn)在應(yīng)急預(yù)警方面，水資源管理業(yè)務(wù)體現(xiàn)在資源整合、主動服務(wù)等方面，而水生態(tài)管理和水環(huán)境管理業(yè)務(wù)體現(xiàn)在科學(xué)決策、智能控制等方面。

       2 數(shù)字水務(wù)的價值潛力

       數(shù)字技術(shù)將幫助水務(wù)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(chǎn)、提高員工參與度與生產(chǎn)效率等。除此之外，數(shù)字水務(wù)的應(yīng)用還將對用戶及環(huán)境帶來深遠(yuǎn)影響，如水務(wù)公司運營和財務(wù)方面的數(shù)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(wǎng)絡(luò)報修等服務(wù)），污水收集系統(tǒng)的實施數(shù)據(jù)傳輸、流域傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立則將減少污染，以最大的力度保護(hù)環(huán)境。

       3 數(shù)字水務(wù)在污水處理廠中的應(yīng)用探索

       3.1 國內(nèi)、外污水廠數(shù)字化現(xiàn)狀

       歐美國家的污水處理事業(yè)相對完善，并結(jié)合通信、自動化、計算機等領(lǐng)域的科研成果，逐步邁向數(shù)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(shè)備及工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成自動采集、自動判斷、自動調(diào)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(fù)責(zé)廠區(qū)日常記錄，其他管理都由數(shù)據(jù)中心的電腦進(jìn)行控制。亞洲地區(qū)日本污水處理監(jiān)控技術(shù)較為突出，其數(shù)字系統(tǒng)的特點為監(jiān)控系統(tǒng)小型化結(jié)合多傳感器融合技術(shù)[5]。

        3.2 污水廠基于5G 技術(shù)的數(shù)字化應(yīng)用探索

        5G 技術(shù)可實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(wù)：為污水廠提供全生命周期管理；為大量多樣化異構(gòu)數(shù)據(jù)提供優(yōu)化，提高污水廠計量、控制、執(zhí)行、應(yīng)用的實時性；為污水廠遠(yuǎn)程控制、設(shè)備維修提供依據(jù)。

       1）GIS+BIM 技術(shù)應(yīng)用。通過5G+GIS 技術(shù)污水處理廠可實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的數(shù)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(shù)對地下管線進(jìn)行詳實的展示，切實解決污水處理流程管理中設(shè)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(xué)性和先進(jìn)性（見圖1）。通過此聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用，將工程階段產(chǎn)生的數(shù)字化信息貫穿于整個建設(shè)管理中，可解決大量信息的溝通、協(xié)調(diào)問題，為設(shè)計、施工以及運營單位在內(nèi)的各參建主體提供協(xié)同的工作基礎(chǔ)，構(gòu)建基于5G+GIS+BIM 技術(shù)的工程建設(shè)全生命周期管理將是污水廠未來數(shù)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(shù)應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（AR）和增強現(xiàn)實技術(shù)（VR）技術(shù)在污水處理廠數(shù)字化應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展空間，可通過提供建構(gòu)筑物、設(shè)備、管道、線纜等設(shè)備的全息圖像，為員工開展浸入式場景培訓(xùn)。此外，還可以讓員工在沒有預(yù)先大量儲存相關(guān)知識的情況下，通過可視化指導(dǎo)對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行問題識別甚至是檢修（見圖2）。同時，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)預(yù)防性的設(shè)備維護(hù)。再結(jié)合GIS、傳感器、數(shù)字孿生技術(shù)，可以更進(jìn)一步地生成物理系統(tǒng)的運行副本，對污水廠的功能進(jìn)行模擬，并進(jìn)行直觀監(jiān)控，提高污水廠預(yù)測性維護(hù)及事故預(yù)防能力。

       4 結(jié)語

       近年來智慧水務(wù)進(jìn)入新一輪的高速發(fā)展期。5G 技術(shù)的突破無疑為數(shù)字技術(shù)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(shù)通過與GIS 系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、AR/VR 系統(tǒng)的結(jié)合，增強智能化手段的應(yīng)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(shù)據(jù)分析訓(xùn)練引擎，從而有效提升水務(wù)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