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数字化转型下集团化智慧水务管理平台的建设方案与应用

2024-06-25 25 上传者：管理员

摘要：针对当前水质净化厂中存在的信息孤岛问题及其导致的不合理生产调度，依托广州科学城某水务集团智慧水务项目，详细介绍了一套适用于集团化运营的智慧水务自动化管理平台的搭建方法和建设需求，给出系统总体技术架构，然后分析平台建设、平台应用及应用效果。该智慧水务管理平台从集团层面统筹规划，充分利用超融合架构（Hyper-converged infrastructure,HCI）、大数据、云计算、物联网、增强现实等新一代信息技术，将10座水质净化厂和16座厂外附属配套泵站的实时运行数据、日常管理信息和工作流程等多源信息进行融合，实现水质净化厂和泵站集中管理、远程监控、智能化运维等功能，解决信息孤岛问题。

关键词：
信息孤岛
多源信息融合
水系统
超融合架构
集团化智慧水务管理
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水质净化厂作为社会基础公共设施，是城市水系统的核心单元[1]。面对日益复杂的工艺流程、生产运营和出水水质要求的提高，传统管理模式严重制约运行管理水平的提升，如何通过数字化、智慧化管理融合精益运行，是水质净化厂绿色低碳发展的必由之路。

近年来，随着计算机、互联网和通信等新兴技术的发展，水务行业也迎来了快速发展期。我国一些硬件设施较好的水务企业已开始引入新兴技术建设智慧水务，实现了水处理全过程监测和数字化办公[2]。江夏污水厂搭建了基于多源信息融合的智慧污水厂管控平台，通过将多源信息进行有效融合以解决信息孤岛问题[3]。然而，自从智慧水务概念的提出以来，以传统服务器架构构建的水务管理平台，仍存在不少问题[4,5]:(1)水质净化厂分布分散，实际生产状况及报警情况难以随时掌握；(2)存在较为严重的“数据孤岛”及“信息孤岛”现象；(3)维修保养报表只能人工录入和保存成纸质版，易造成资料数据丢失；(4)大多仅能实时监测运行数据，依靠人工分析决策，智能化水平较低；(5)搭建、配置、使用复杂，存在数据易丢失、无法恢复、系统管理和维护难度较高等问题。因此，优化智慧水务管理系统架构和管理模式，提升集团化运营管理水平迫在眉睫。

本文以广州市某水务集团智慧水务管理平台为例，阐述了基于物联网、超融合架构数据中心、云计算、大数据、人工智能、移动互联网等技术的集团化智慧水务自动化管理平台的搭建方法、总体架构和应用效果。该平台将原本分散的数据有效汇集，解决信息孤岛问题，实现集团对多厂站的集约化和规范化管理，全面提升集团化生产管理效率和运营管理水平。

1、集团化智慧水务自动化管理平台

1.1搭建方法

由于各水质净化厂和泵站具有不同的特点和管理风格，采用不同的运行工艺，配备的设备种类和数量具有较大差异，因此需要根据集团实际需求进行个性化定制，选择合适的软硬件以及业务技术与计算机技术。搭建方法的基本流程如图1所示：

图1集团化智慧水务管理平台搭建方法的流程图

1.2建设需求

根据集团和各水质净化厂对平台业务功能、工期预算和智慧化水平等方面的实际需求，通过沟通、调研和走访等形式确定具体需求，包括角色认证、生产实时监控、设备运维和移动应用、信息展示、智能远程控制、智慧安防、数据分析、智慧巡检等模块。

该平台从全局性顶层统一部署和搭建，将一线生产运行与集团管理决策有机结合，将传统相互独立的“一厂一套系统”自动控制系统升级为“一集团一套系统”的一体化管理平台，如图2所示，实现数据的接入、汇集、共享、存储等，最终实现集团对多厂站的集约化、规范化和数字化管理。

该集团化智慧水务管理平台结合超融合架构数据中心、大数据、云计算、物联网、人工智能、互联网等技术[6]，不仅可实现集团信息、网络和存储资源的整合和虚拟化，而且可实现各厂站的数字化和智能化运行以及集团层面的数字化智慧管理与决策。该平台构建方法具有高扩展、可复制、安全性高等优点，方便不同角色在智慧水务中的权限划分，可缩短平台建设和部署周期，加快建设速度，以实现新厂的快速接入。

图2集团化智慧水务管理平台整体网络图

1.3智慧水务管理平台总体架构

本文的智慧水务集团自动化管理平台采用智慧工业服务云平台作为系统基础，由基于C/S和B/S混合架构的客户端系统与基于移动APP的移动端两部分组成，其中平台所需要的服务器是采用超融合架构技术搭建的数据中心，如图3所示：

图3智慧水务管理平台系统架构

在平台架构方面，该平台主要包括数据感知层、硬件基础设施层、数据处理层、平台层、业务应用层和人机交互层。

(1）数据感知层

数据感知层主要承担水质净化处理系统中的数据获取功能[7]，包括水质测量仪、流量计、压力计、智能仪表等，根据工业物联网接入标准采集并上传运行数据，汇入数据库。

(2）硬件基础设施层

该层是智慧水务的基础，主要是在硬件载体上配置数据中心，为系统平台的运行和上层应用服务等提供基础环境[8]，保证系统安全稳定和高效运行。该模块主要包括超融合数据中心、工业网关系统、硬件基础设施和网络安全设施。

本平台的硬件基础设施采用深信服HCI构建数据中心，通过虚拟化技术将计算、存储、网络等虚拟资源融合到同一台服务器中，形成统一的资源池[9]，图4给出了超融合平台架构图。

(3）平台层

平台层将微服务集群与分布式实时引擎计算相结合，实现各微服务之间的通信调度及统一用户管理、权限管理、系统监控和一些公共基础服务、服务注册中心、日志管理和系统监控。

(4）数据处理层

数据处理层是所获数据在不同业务场景下的处理平台，是整个智慧水务的通用平台。数据处理模块主要负责从网关或数据库接入数据并存储和处理，保证数据的稳定性和可靠性。

(5）数据处理层

图4深信服超融合HCI体系架构图

(6）业务应用层

业务系统是智慧水务平台的重要组成部分，而整个智慧水务管理平台由各种业务系统组成。本层提供的主要业务包括实时生产运行情况监控、设备管理、维养管理、远程控制、报表生成、出水指标历史曲线展示、巡检管理、报警管理等。

(7）人机交互层

该平台提供两种人机交互方式，用户可以使用PC计算机登录Web网站，或登录移动APP方式浏览系统，同时在现场安装智能交互屏，供集团员工和参观人员使用。

2、智慧水务平台建设与应用

2.1平台建设

根据图3所示的系统架构图，该平台采用深信服超融合HCI 6.0.1构建的云-管-端一体化数据中心，将防火墙、两台交换机、一台备份服务器、五台超融合服务器部署在托管机房中，支撑集团化自动化管理平台系统。而且，在办公室设置一台工程师站和一台备份服务器，用于日常处理运营和维保事务。

该平台采用物联网、移动互联网技术建立数据采集和存储系统，包括SCADA运行监控系统、视频监控系统等，实现水务信息的实时监控和动态采集以及远程管理。利用云计算、大数据、人工智能等技术，搭建数据处理系统，实现对多源异构数据的挖掘与异常情况智能识别、生产运营数字化等功能。而且，通过两种人机交互方式提供各类功能应用。

2.2平台应用

(1）多维信息展示

构建各厂站的3D模型，实现对实体水质净化厂站及其相关运行信息的可视化展示。提供对水务集团下属各厂站的BIM模型、运行数据、各工艺段参数以及工单统计、报警信息的显示以及现场实时情况的视频监控；提供对BIM模型中单体设备与物体的空间详情以及对应的设备运行数据、状态信息和视频画面的查看；提供值班管理、巡检管理，水质水量设备情况的报表管理、物料库存管理；提供设备台账信息和状态信息的档案管理，设备维修和保养管理；提供加班申请、请假申请等考勤和绩效考评管理；提供安全文档、检查、培训、会议、作业票等安全管理。某分厂多维信息展示界面如图5所示：

图5多源信息展示界面

(2）智能分析

利用大数据、机器学习等技术对各厂和各部门数据进行挖掘，获得运维设备的各类特性及其变化规律，实现对各级设备故障率、利用率等信息的智能分析，实现对各设备的智慧化管理和调度，提高设备运行率和集团的运行效益。

图6移动APP首页

(3）移动应用

用户可以登录移动APP随时随地查看工艺运行情况、实时运行数据、报表、发起设备报修等，第一时间掌握运行状态，及时做出决策，对于集团日常业务开展及突发性、应急性事件的处理具有重要意义。移动APP首页如图6所示。

2.3平台应用效果分析

该平台于2021年8月正式上线运行以来，取得的应用效果如下：

1）云-管-端一体化的数据中心。基于超融合架构的数据中心将存储资源直接分散部署在各台服务器上，部署简单、灵活，实现本地数据高速访问和分析计算，为今后更高层次的数字化转型升级提供了更多可能。

2）全面感知全流程信息，管理决策更加科学规范高效。对各厂站和各部门运行数据、业务流程等进行全流程集中监控，实现集团对下属各厂的生产运行管理信息的全面感知，确保各水厂站安全稳定运行。

3）解决集团多厂和各部门之间的信息孤岛问题。通过将各厂、各部门数据的融合和集中管理，实现数据互联互通互信、开放共享，消除信息孤岛，为科学决策提供数据支持。

4）工作效率、管理水平显著提升。通过将新兴技术融入日常管理工作，实现生产运营各类数据报表自动生成，实现维修工单、采供工单、巡检工单等100%数字化。

5）提升集团总体处理水量和出水水质指标。借助高可靠的自动化控制、智能化工艺运行、预防性的设备维修管理等先进的管理手段和运行方式，对下属各厂站进行智慧化调度，实时优化调整运行情况，显著提升总体处理水量以及出水COD、BOD、氨氮等水质指标。

6）优化人力配置，提高工作效率，减少人力成本。通过该智慧管理平台的实施，实现20%～30%人员工作效率的提高，为集团每年减少1246.5万元的人工成本开支。实现厂外泵站无人值守，使更多劳动力释放到其他岗位，减少人力成本。

7）沉淀数字资产，为数字化转型奠定基础。通过将新兴技术融入集团智慧化管理平台，可有效积累数字化资产，为集团的数字化转型奠定坚实基础。

3、结束语

本文总结了广州市某水务集团智慧水务自动化管理平台的建设方法和实施效果，强调了信息技术在污水处理场景的应用。平台的投运效果显示，该平台可提供虚拟化的计算、存储和网络资源集为一体的数据中心，提升数据的访问速度、安全性和可靠性，有效解决信息孤岛和数据孤岛问题，实现各厂站生产监控、运营调度、日常巡护等生产运行的智能化管控与降本增效，实现集团对多厂站的集约化、规范化和数字化管理，可为推动企业级、区域级甚至城域级智慧水务的建设和发展提供参考。

参考文献:

[1]宋新新,林甲,刘杰,等.面向未来污水处理技术应用研究现状及工程实践[J].环境科学学报,2021,41(1):310-53

[2]章龙飞,梁娟,王沛丰,等.水务一体化背景下的智慧水务发展思考———以杭州市水务集团为例[J].给水排水,2022,48(S1):1068-1073

[3]齐鸣,陈燕波,张辛平,等.基于多源信息融合的智慧污水处理厂管控平台建设与应用[J].给水排水,2020,56(1):120-124

[4]李铎.深圳宝安区智慧水务系统构建及数据处理技术研究[J].水利技术监督,2022(9):35-38

[5]舒崇河,林晓方.超融合架构在现代工厂数据中心的应用[J].电子技术与软件工程,2020,(20):213-214

[6]杜晓璐,李强.智慧水务框架设计及实施方案研究[J].低碳世界,2021,11(4):229-230

[7]吴曼琳,唐若竹,梁军.移动信息化在污水处理厂生产管理中的应用[J].净水技术,2018,37(S1):261-264,270

[8]董海天.关于“智慧水务”平台系统的构建及关键技术分析[J].水利规划与设计,2017(2):22-24

文章来源:江海汕,张大兴.数字化转型下集团化智慧水务管理平台的建设方案与应用[J].工业控制计算机,2024,37(06):122-124.