在中，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司水資源與環(huán)境院智慧科技室主任胡田力介紹了《“雙碳”背景下松山湖智慧水廠設(shè)計(jì)實(shí)踐與探索》。報(bào)告以國(guó)家“雙碳目標(biāo)”為指引，依托松山湖水廠的智慧化設(shè)計(jì)需求，提出了智慧水廠的設(shè)計(jì)思路——智慧化以完備的自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合智能優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)和智慧管控系統(tǒng)平臺(tái)，打造一個(gè)“5+2”智慧水廠體系架構(gòu)。將超融合、全光網(wǎng)、微模塊等低碳成熟的硬件方案與智能加藥、水泵優(yōu)化、智慧平臺(tái)等智能化軟件系統(tǒng)有機(jī)融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠全過(guò)程的安全、高效、智慧管控。

胡田力

本文根據(jù)嘉賓發(fā)言內(nèi)容整理。已經(jīng)由專家本人審閱。

1、前言

2021年，北京市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司中標(biāo)松山湖智慧水廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為110萬(wàn)噸/日。業(yè)主在項(xiàng)目前期就明確提出了要打造標(biāo)桿性智慧化水廠的目標(biāo)，為此，自項(xiàng)目立項(xiàng)伊始，便圍繞該目標(biāo)開展系統(tǒng)策劃與實(shí)施工作。

2、雙碳&智慧

2.1雙碳&智慧的關(guān)系

為助力國(guó)家達(dá)成2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和目標(biāo)，相關(guān)部委相繼頒布一系列政策文件，其中反復(fù)著重強(qiáng)調(diào)“技術(shù)降碳”與“低碳運(yùn)營(yíng)”這兩大核心途徑，而此二者恰為智慧水廠建設(shè)的關(guān)鍵著力點(diǎn)。故而，推動(dòng)智慧水廠建設(shè)已然成為行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必然抉擇。

2.2水廠的四個(gè)減碳路徑

通過(guò)對(duì)相關(guān)政策文件的深度剖析，我們提煉出了智慧水廠建設(shè)的四條關(guān)鍵路徑：其一為工藝優(yōu)化，著重運(yùn)用低碳工藝并降低藥劑消耗；其二是設(shè)備能效提升，推廣高效節(jié)能設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用；其三是智能控制系統(tǒng)搭建，達(dá)成自動(dòng)控制與智能決策；其四是智慧管控平臺(tái)構(gòu)建，施行全要素管理與決策支持。前兩條路徑側(cè)重于低碳工藝與節(jié)能設(shè)備的選擇，后兩條路徑則聚焦于智能化控制手段與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的建設(shè)，它們共同為智慧水廠的高效運(yùn)營(yíng)提供支撐。

2.3 雙碳引領(lǐng)，智慧賦能

為達(dá)成水廠的低碳運(yùn)營(yíng)與精細(xì)化管控目標(biāo)，需充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及建筑信息模型（BIM）等智慧化技術(shù)手段?；谏鲜黾夹g(shù)，我們構(gòu)建了智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)，并借助該平臺(tái)切實(shí)達(dá)成了水廠的低碳化運(yùn)營(yíng)。由此可知，雙碳政策不僅推動(dòng)了智慧化技術(shù)的更新?lián)Q代，更促使這些技術(shù)深度融入水廠的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)全流程。而智慧化手段的實(shí)際應(yīng)用，尤其是智慧水廠的成功實(shí)踐，又為雙碳政策的有效施行提供了重要保障與支撐。

3、松山湖智慧水廠建設(shè)路徑

當(dāng)前，智慧水廠領(lǐng)域尚未構(gòu)建起可供直接參考的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。本項(xiàng)目參照《智慧城市頂層設(shè)計(jì)指南》（GB/T 36333），構(gòu)建并提出了松山湖智慧水廠的頂層設(shè)計(jì)方案。該方案主要涵蓋四個(gè)方面的內(nèi)容，如圖1所示：首先，需進(jìn)行深入的需求分析，以明確項(xiàng)目的戰(zhàn)略定位與發(fā)展目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)接水務(wù)司的組織架構(gòu)，系統(tǒng)性地構(gòu)建業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)三大體系，最終確保智慧化建設(shè)理念全面融入工程設(shè)計(jì)文件。

圖1 智慧水廠的頂層設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，我院設(shè)立了專項(xiàng)研究課題，于前期開展了大量調(diào)研工作，涉及智能感知設(shè)備、智慧水廠集成以及智能控制解決方案等領(lǐng)域，與超200家相關(guān)廠商進(jìn)行對(duì)接，開展線上線下交流活動(dòng)300余場(chǎng)?；谏鲜稣{(diào)研結(jié)果，并結(jié)合過(guò)往工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我院提出了具有標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)擴(kuò)展性的“五位一體”智慧化整體解決方案（如圖2所示）。該方案涵蓋全感知檢測(cè)、精細(xì)化監(jiān)管、管控一體化、評(píng)價(jià)體系構(gòu)建以及智慧決策五個(gè)維度。

圖2 “五位一體”的智慧化整體解決方案

3.2 總體設(shè)計(jì)

在總體設(shè)計(jì)階段，我們對(duì)建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)歸納，主要涵蓋四個(gè)方面，如圖3所示：其一，將安全運(yùn)行置于首要位置，確保水廠實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；其二，保障水處理過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行，使出水水質(zhì)符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；其三，實(shí)現(xiàn)水廠低碳節(jié)能的運(yùn)行效果；其四，達(dá)成精簡(jiǎn)人員配置、提高運(yùn)行效率的目標(biāo)。

圖3 總體設(shè)計(jì)中的建設(shè)目標(biāo)

3.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合前文所述的需求分析與總體設(shè)計(jì)，從項(xiàng)目落地實(shí)施層面考量，我們提出了“5 + 2”技術(shù)架構(gòu)模式。

“5層架構(gòu)”（如圖4所示）是指搭建信息感知層、信息傳輸層、智能控制層、數(shù)據(jù)中臺(tái)層和智慧應(yīng)用層，使得運(yùn)營(yíng)更加高效化、生產(chǎn)更加智能化、管理更加精細(xì)化、決策更加科學(xué)化，從而打造一個(gè)安全、可靠、低碳、經(jīng)濟(jì)、友好的智慧型水廠。

圖4 “5層架構(gòu)”示意圖

智慧水廠最終呈現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)，如圖5所示，一個(gè)是基于SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)控制性平臺(tái)，另一個(gè)是基于智慧應(yīng)用的運(yùn)營(yíng)管理性平臺(tái)。

圖5 兩個(gè)平臺(tái)示意圖

3.4 設(shè)計(jì)實(shí)施

結(jié)合松山湖智慧水廠項(xiàng)目的落地實(shí)踐，設(shè)計(jì)院能夠?yàn)轫?xiàng)目從立項(xiàng)、決策至實(shí)施的全流程提供咨詢服務(wù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于前述技術(shù)架構(gòu)，我們?cè)诟鱾€(gè)層級(jí)都融合了多項(xiàng)成熟可靠的解決方案與技術(shù)手段。

3.4.1

信息感知層

在信息感知層設(shè)計(jì)中，我們將感知設(shè)備劃分為三類，分別為電氣設(shè)備類、自控儀表類、安防與定位類。在電氣設(shè)備領(lǐng)域，除進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)外，采用了智能斷路器與智能控制器，其中智能控制器用于實(shí)現(xiàn)智能照明與智能通風(fēng)系統(tǒng)?？紤]到水廠項(xiàng)目規(guī)模較大，智能照明系統(tǒng)可有效降低能耗成本。在自控儀表方面，通過(guò)借鑒化工電力行業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，我們選用基于Hart協(xié)議的智能儀表，并在PLC端配置支持Hart協(xié)議的AI模塊，以此獲取更為豐富的數(shù)據(jù)，為精細(xì)化管理提供支撐。此外，在整個(gè)廠區(qū)還部署了WIFI與UWB設(shè)備，既達(dá)成了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，也完成了人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的構(gòu)建。

3.4.2

信息傳

輸層

在信息傳輸層設(shè)計(jì)階段，我們構(gòu)建了三套核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖6所示，分別為自控雙環(huán)網(wǎng)、互聯(lián)信息網(wǎng)以及全光網(wǎng)絡(luò)。其中，全光網(wǎng)絡(luò)作為一種成熟且可靠的解決方案，在交通運(yùn)輸行業(yè)和大型園區(qū)已獲得廣泛應(yīng)用，在市政水處理行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)匱乏，實(shí)際應(yīng)用案例較為鮮見。在本項(xiàng)目弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)需部署約1300個(gè)信息點(diǎn)位，若采用傳統(tǒng)交換機(jī)架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，工程造價(jià)將大幅提高。通過(guò)引入全光網(wǎng)絡(luò)方案，有效化解了這一難題，在保障網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)成本的合理調(diào)控。

圖6 信息傳輸層示意圖

3.4.3

智能控制層

在智能控制層面，同樣構(gòu)建了三個(gè)核心系統(tǒng)，各系統(tǒng)均集成了多個(gè)專業(yè)子系統(tǒng)。其一為全流程自動(dòng)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)以SCADA系統(tǒng)為依托，融合基于Hart協(xié)議的智能儀表控制方案，并集成智能配電、智能照明與通風(fēng)等與生產(chǎn)緊密相關(guān)的子系統(tǒng)。其二為智能優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，以優(yōu)化控制為核心，涵蓋智能加藥、水泵性能優(yōu)化、水量平衡等功能。其中著重引入智能監(jiān)盤及預(yù)警診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)借鑒火電行業(yè)的成熟經(jīng)驗(yàn)，借助工業(yè)大數(shù)據(jù)建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)預(yù)警與趨勢(shì)預(yù)警，具備實(shí)時(shí)健康評(píng)估能力，可提前察覺生產(chǎn)過(guò)程中的異常波動(dòng)。其三為智能安防系統(tǒng)，包含智能安防管理平臺(tái)、門禁管理子系統(tǒng)、周界報(bào)警子系統(tǒng)、安防監(jiān)控子系統(tǒng)、車輛管理子系統(tǒng)、訪客管理子系統(tǒng)、巡更子系統(tǒng)以及無(wú)人機(jī)及反制系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已較為成熟。

3.4.4

數(shù)據(jù)平臺(tái)層

在數(shù)據(jù)平臺(tái)層面，將構(gòu)建數(shù)據(jù)中臺(tái)與技術(shù)中臺(tái)這兩個(gè)核心組成部分（圖7）。通過(guò)達(dá)成數(shù)據(jù)資源與技術(shù)能力的匯聚、融合及交互，該層級(jí)將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的全面貫通。

圖7 數(shù)據(jù)平臺(tái)示意圖

3.4.5

智慧應(yīng)用層

依托水廠智慧管控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋駕駛艙、生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)以及數(shù)字孿生展示系統(tǒng)。然而，相較于水利行業(yè)，水務(wù)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)階段仍主要側(cè)重于展示功能，尚未達(dá)到真正意義上的數(shù)字孿生水準(zhǔn)。

綜上，在松山湖智慧水廠建設(shè)進(jìn)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于方案階段、可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段直至施工圖階段都開展了大量工作，全方位支撐了項(xiàng)目從立項(xiàng)、設(shè)計(jì)至實(shí)施落地的完整建設(shè)流程。

4、減碳技術(shù)方案

4.1 微模塊機(jī)房

微模塊機(jī)房是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房的機(jī)架、空調(diào)系統(tǒng)、消防設(shè)施、綜合布線、配電單元、監(jiān)控設(shè)備以及照明系統(tǒng)等全部子系統(tǒng)進(jìn)行深度整合，所形成的一體化整體解決方案。在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們開展了細(xì)致的對(duì)比分析，結(jié)果顯示其成本的確高于傳統(tǒng)方案。然而，從單一電耗指標(biāo)層面審視，該方案呈現(xiàn)出顯著的效益。經(jīng)精準(zhǔn)測(cè)算，預(yù)計(jì)每年能夠節(jié)約20余萬(wàn)元的電費(fèi)開支。

圖8 傳統(tǒng)機(jī)房和微模塊機(jī)房對(duì)比圖

4.2 超融合

第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為超融合。在傳統(tǒng)水廠設(shè)計(jì)里，數(shù)據(jù)機(jī)房的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)資源一般采用離散布置模式。在松山湖智慧水廠項(xiàng)目中，采用的是三節(jié)點(diǎn)超融合設(shè)備以支撐智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)測(cè)算分析，該方案的顯著優(yōu)勢(shì)在于能夠大幅節(jié)約服務(wù)器投資，有效降低一次性建設(shè)成本。

4.3 全光網(wǎng)絡(luò)

全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如圖9所示）于水廠領(lǐng)域的應(yīng)用的確較為鮮見，從技術(shù)架構(gòu)圖能夠看出，相較于傳統(tǒng)方案，全光網(wǎng)絡(luò)摒棄了中間層的匯聚交換機(jī)，以無(wú)源分光器取而代之，可進(jìn)一步達(dá)成光進(jìn)銅退，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更趨扁平化，促使末端帶寬能夠達(dá)到千兆級(jí)別。針對(duì)此技術(shù)，我們同樣進(jìn)行了效益分析，鑒于項(xiàng)目約有1300個(gè)信息點(diǎn)位，該方案在松山湖智慧水廠的應(yīng)用成效頗為理想。

圖9全光網(wǎng)絡(luò)示意圖

4.4 智能控制

通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總、整理及對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)依托水量平衡及水泵優(yōu)化系統(tǒng)，配水單位能耗降低4.5%；借助智能排泥系統(tǒng)，平流沉淀池排泥車運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)約77.08%的提升；憑借智能加藥系統(tǒng)，混凝劑與消毒劑單位耗量分別降低6.81%和5.44%。

4.5智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)

在智慧應(yīng)用管控平臺(tái)領(lǐng)域，借助該平臺(tái)達(dá)成了可視化調(diào)度、線上巡檢以及工單流轉(zhuǎn)等功能。自2024年9月該平臺(tái)上線運(yùn)行起，截至2025年9月20日，累計(jì)生成近13萬(wàn)條巡檢數(shù)據(jù)，處理工單862條，記錄報(bào)警信息近40萬(wàn)條。與同等規(guī)模的第三水廠對(duì)比，該平臺(tái)的應(yīng)用直接優(yōu)化了8個(gè)值班人員的配置。

5、協(xié)同創(chuàng)新

習(xí)近平總書記在黨的二十大報(bào)告中明確提出，科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力。鑒于此，在未來(lái)智慧水廠的設(shè)計(jì)與建設(shè)進(jìn)程中，全行業(yè)需開展協(xié)同創(chuàng)新，重點(diǎn)在于推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈整合與生態(tài)協(xié)同。

在智慧水廠建設(shè)進(jìn)程中，設(shè)計(jì)院作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需充分發(fā)揮設(shè)計(jì)引領(lǐng)作用，與政府部門、水務(wù)企業(yè)共同搭建協(xié)同平臺(tái)，整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，攜手推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。在工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，設(shè)計(jì)院更應(yīng)深入剖析業(yè)主需求，將新興技術(shù)應(yīng)用于水廠建設(shè)與運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)，達(dá)成智慧化科技的生態(tài)融合。

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編輯整理：《凈 水技術(shù)》編輯 楊潔

排版：《凈水技術(shù)》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術(shù)》社長(zhǎng)/執(zhí)行主編 阮辰旼

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