深圳市深水光明水务有限公司隶属于深圳市水务集团，为深圳市光明区超过100万人口提供水务服务。近年来，国家政策层面对“智慧城市”、“智慧水务”建设予以大力支持和推动，同时以物联网、云计算、大数据、移动互联网等为代表的信息技术发展迅猛，正引领各行业变革，传统水务公司如何顺应时代发展的趋势，利用信息技术优化传统水厂运营管理，是必须面临的挑战。

一、项目背景

深圳市深水光明水务有限公司创新性的下属单位光明水厂、甲子塘水厂（设计规模均为20万方/日）开展智慧水厂建设项目。智慧水厂让水厂的运行变得高度智能、安全、高效和透明，成为深圳市智慧城市的一部分，并在此项目经验总结基础上，开始参与编制“智慧水厂建设标准”，指导深圳市水厂智慧化转型，为中国水务工业数字化创新提供帮助。

1.项目背景

1.1  项目背景

近年来，城镇自来水厂不论是数量和处理能力都保持了高速增长的态势，但行业目前侧重在基础设施建设，水厂的运行模式往往比较粗放、过程管理不够精细、智能化控制水平不高，如何有效的规划、设计、实施新一代水厂，提高生产效率，保证出水指标，节约运行能耗，降低经营成本，减少人员配备成为水务公司亟需解决的问题。另外，近年来信息技术发展迅猛，正引领着行业变革，人工智能技术甚至将替代传统工厂工人的劳动，各行各业都在利用新的信息技术提高效率，降低成本，实现智能化，因此传统水厂也必将实现智慧化。

1.2  政策背景

近年来，国家出台一系列相关政策、标准、制度对智慧城市建设提供了有力支撑，使其有章可循、有据可依。智慧水厂是智慧城市在水务领域深化的一个分支，水厂作为城市供水及输配水的一个核心环节，与城市的供水系统、水资源循环利用等城市管理职能有着密不可分的联系，是建设生态社会、实现环境可持续发展的重要组成部分。智慧水厂服务于供水规划，以先进信息技术为手段、以行业先进管理模式为标杆，提升水务建设的绩效表现和决策水平，为城市建设发展提供支撑。

2.项目简介

智慧水厂项目是深圳市深水光明水务有限公司智慧水务总体规划的重要组成部分，是深圳市水务企业中率先启动并落地的智慧水厂建设标杆项目，也是落实公司由传统供水企业向互联网+企业转型的一项重点工作。项目分光明水厂、甲子塘水厂两个建设包，于2019年3月同步启动建设，2019年12月试运行，2020年8月竣工验收。深圳市深水光明水务有限公司智慧水厂包括全集成数字化运营管控、可评估的全流程自动化、智能联动安防管理、生产工艺智能算法、资产全生命周期管理等内容，并探索数字化智慧水厂运营管理模式，建立相应的智慧水厂运营体系。

3.项目目标

智慧水厂主要是运用 “物联网”、“云计算”、“大数据”等技术，对传统水厂的自控系统和安防系统进行升级，并建立智能化的厂级运营管控平台，实现水厂的全流程自动化控制、数字化运维管理、全生命周期的设备资产管理、一体化的安防管控以及科学决策辅助，为水厂的安全可靠运行、生产水质优良稳定提供保障，降低水厂生产的能耗、药耗，并通过水厂集中化运营、少人/无人值守模式转变，实现管理提升和减员增效。

二、项目内容

智慧水厂项目总结了深圳深水光明水务有限公司多年的水厂运营管理经验，结合中国制造业数字化、智能化和互联网技术发展，实现跨行业的技术融合应用，是工业互联网在水务行业成功应用的典型案例。智慧水厂项目采用智慧化建设改变水厂运营模式，运营模式变化促进智慧化系统应用的建设和运营策略，形成了智慧水厂建设和运营的良性循环。

1.项目总体架构和主要内容

光明水厂、甲子塘水厂智慧水厂项目总体架构和主要内容如下：

智慧水厂建设内容具体分为以下五个方面：

（1）全流程自动化改造

光明水务公司智慧水厂建设对水厂原有自动化控制系统进行了全面升级改造，对全厂自控、电气、仪表等设备进行系统性梳理分析，将老旧和可靠性差的设备进行替换升级，对关键设备根据生产需要进行高可靠选型和冗余配置改造。另一方面，对原有控制逻辑重新编写调试，实现水厂各个工艺环节的闭环自动控制，同时在控制逻辑引入软冗余理念，增加系统在突发状况或故障情况下的持续运转能力，减少人工介入频次，并建立安全退出机制。通过设备硬件的可靠性提升和冗余配置、控制逻辑的冗余升级，从而实现水厂生产全流程自动化。

（2）建立全厂数字安防联动

传统水厂通常配备的视频监控等安防系统经常会出现监控覆盖不全存在盲区、设备老化模糊不清、设备功能单一、管控手段有限、各子系统分散孤立等缺点。光明水务公司智慧水厂在设计阶段系统性统筹考虑，建立了一体化的数字安防管理系统，包括高清全覆盖并具有多种智能应用的视频监控系统，融合人脸识别、指纹识别、车牌识别等技术的智能门禁系统，具有无线定位和人员轨迹功能的厂区WiFi覆盖系统。而且要求实现视频、门禁、电子围栏、设备、人员等各子系统之间的联动，并集中在智慧水厂运营管控平台中一体化管控，使水厂安防管理集约化、智能化，为水厂运行提供全方位安全保障。

（3）建设数字化运营管控平台

光明水务公司智慧水厂建设项目在甲子塘水厂、光明水厂建立的数字化运营管控平台，改变以往水厂内各信息化系统相对独立割裂的缺陷，将水厂业务集中在一个平台智慧管控，集成了水厂自控、安防、资产管理、算法模型等多种应用，实现信息的全面融合，让水厂全数字化在线运行，为水厂运营的高效精细化管理提供全面支持。

（4）资产设备系统优化整合

设备资产的可靠性是水厂稳定运行的基础，甲子塘水厂、光明水厂将已有的SAMEX设备资产管理系统优化整合，融入智慧水厂运营管控平台。实现了以设备台账为基础、以工单为主线的设备管理应用，涵盖设备的采购、仓库、台账、巡检、保养、维修等全生命周期管理。使水厂设备资产数据数字化在线，可实时掌握设备健康情况，有助于准确评估设备状况，支持设备合理维护和改造，并且可降低设备故障率，设备管理模式由“应急抢修”向“预防性维护”转变，大幅提升设备管理水平，提高水厂运行的稳定性和安全性。

（5）工艺智能算法

光明水务公司智慧水厂建设项目对碱铝智能投加、送水泵自动搭配、精确排泥控制等多种水厂工艺智能算法应用进行了相关探索研究，工艺智能算法使用数学模型、人工智能、机器视觉等技术，具备与自控系统的数据通讯和下控接口，解决水厂生产中常规自动化无法完成的复杂工艺控制问题，提供更精准、更高品质、更低能耗的智能控制，真正实现水厂全流程自动化。

2.智慧水厂应用架构

智慧水厂应用架构自下而上分为感知层、控制层、平台层：

（1）感知层

感知层是提供各种信息数据来源的主要入口，数据感知包含水厂内各种在线仪表、设备、传感器、摄像头、RFID、设备二维码标牌等数据。

（2）控制层

控制层是通过PLC硬件和工控软件进行设备的集中控制，主要分为两个部分组成：一是建设自动化控制系统软硬件实现控制可靠性；二是在自动化控制系统基础上部署高级控制平台实现全厂工艺智能化运行等。

（3）平台层

平台层基于移动+互联+云计算技术架构设计思路，利用智能通讯网关将厂站内设备数据、生产运行数据按照工业物联网接入标准进行接入，并且允许其他第三方数据按需入网。采集后数据统一存放在数据中心，通过数据中心可以对外提供各种数据应用及服务支持。

（4）应用层

应用层根据不同角色用户群体按不同场景划分提供多种应用及服务，提供个性化首页、数据采集与存储、生产运营管理、设备台账管理、巡检、维修养护、移动APP应用等提升企业运营管理能力。在生产运行、业务数据的大量累积基数上，深入挖掘各类数据间的关系，合理利用数据，发掘数据潜在的价值。决策支持层将为管理层运营提供科学的辅助决策支持。为各级管理者提供丰富的KPI统计分析手段及提供科学化的运行决策支持，针对生产运行过程中各种潜在风险提供完备的应急响应预案。

（5）展示层

提供水厂全面信息的三维可视化展示和可定制的智慧生产运营管理门户，并支持大屏高清显示。

3.具体应用场景和应用模式

（1）可评估的自动化 

对于传统水厂自控系统的自动化程度、性能、可靠性等状态，往往只能通过人的经验和感性判断，在水厂运行、维保策略制定上缺乏数据支撑。甲子塘水厂、光明水厂经过智慧水厂建设，针对自控系统的可靠性和安全性建立了一套可量化的评价体系，确定了系统程控率、冗余率、闭环连续运转率、控制品质达标率等指标及算法，系统实时分析各控制单元的控制过程数据，自动量化评估全厂自动化水平，使水厂管理人员能够有效掌握水厂自控系统的健康状态和控制水平，为水厂的全流程自动化运行提供数据支持。

（2）智慧巡检 

光明水务公司智慧水厂通过增加现场感知监测点和高清视频监控设备进行智能巡检，系统自动对设备进行轮询，采用现场设备细节图像与测点数据相结合的方式，准确的判断运行情况，代替原有的定期人工现场巡检，不仅提升了人员效率，而且巡检数据也更加精确，设备故障能够得到有效预防。智慧水厂智能巡检功能投入使用以来，水厂人工现场巡检次数减少一半以上同时，设备故障次数统计下降了32%。

（3）无线定位

光明水务公司智慧水厂建设的无线WIFI系统，通过在生产区室内、室外有规划的安装无线AP设备，实现厂区内无线网络的全面覆盖，不仅可为员工在厂区内巡检、维保等工作提供稳定的网络接入服务，同时无线WIFI系统还具有定位功能，通过管控平台的移动端应用或定位标签卡，实时掌握人员在厂区内的实时位置，并结合视频监控系统和门禁系统生成人员活动轨迹。无线人员定位一方面可为水厂员工的工作提供多种基于位置信息的应用，另外也可对进入厂区内的外委施工人员进行限定施工区域、活动轨迹记录等辅助监管，丰富了智慧水厂平台应用内容和安全管理手段。

（4）水厂三维展示

光明水务公司智慧水厂运营管控平台通过建模实现三维与实际地形、工艺设施、单体设备、地下管线、实时数据、生产总览、数据分析、报警事件等叠加展示应用，并具有灵活的图层选择项，可使用拖移、缩放、点击等多种操作方式，将全厂运行情况从水厂整体总览到各生产工艺车间内部、直至各单体设备逐级展现，使智慧水厂运管平台各业务层面的使用者从宏观到细节，多维度实时对水厂运行情况进行管控。

（5）碱铝智能投加控制

水厂传统碱铝投加控制因其影响因素多、滞后性强等特点，主要根据原水流量进行比例控制，同时需依靠人工对原水浊度、沉后水浊度、和反应池矾花等经验判断，为实现智慧水厂全流程自动化和安全运行，需要引入智能算法解决这类复杂工艺控制问题。光明水务公司建设在光明水厂采用神经元网络算法建立数学模型，精准控制碱铝投加量；在甲子塘水厂采用AI图像识别技术检测反应池水下矾花，预测混凝沉淀效果，提前反馈沉后水浊度，实现碱铝智能投加。智慧水厂引入工艺智能算法实现了生产的精细化控制，减少人为因素的影响，控制适应性更强，使生产更加安全可靠，并显著降低水厂生产药耗成本。

4.安全及可靠性

智慧水厂的网络结构和应用模式针对行业特殊性和可能存在的安全漏洞和安全需求，在不同层次上提出安全级别要求，并提出相应的解决方案，制定相应的安全策略、编制安全规划，采用合理、先进的技术实施安全工程，加强安全管理，确保智慧水厂各系统的应用安全，建立了包括系统数据安全、网关防病毒、边界访问控制、网络安全检测和安全审计等安全机制。

另外智慧水厂在构建高可靠、冗余的水厂自控系统及设备仪表系统基础上，能够依靠先进的技术对水厂运行进行全面监测，对水厂运行过程中出现的故障、告警、突发事件等进行智能诊断，快速发现问题原因，提供合理的解决方案或建议，使应对处理更加及时有效，保障水厂运行的可靠、稳定。此外智慧水厂的综合智能安防管理系统也可为水厂安全运行提供支持帮助。

5.行业推广价值

据统计截止到2019年底，我国城市水厂总数已超过4000座，自来水处理设计规模已超过1.7亿m3/d，但对于自来水处理的智能化运行、智慧化管控、可靠性提升及节能降耗等问题尚未形成成熟的系统性解决方案。而水厂的生产工艺和运营管理存在一定相似性和通用性，通过光明水务公司智慧水厂项目建设及运营实践的经验总结，编制相关的行业标准和规范，形成可复制输出的成果，在水处理行业将有巨大推广应用前景。

6.智慧水厂的运营

智慧水厂建成投入使用对水厂运维人员的能力有着更高的要求，因此必须探索构建一套适应智慧水厂运营需要的管理架构及模式，使运维人员能够在合理的管理模式下高效工作，促进智慧水厂运维管理水平持续提升。光明水厂、甲子塘水厂在智慧水厂建设过程中改变以往独立运行维护的模式，探索集中生产调度，统一设备维保，统一技术支持、少人/无人值守的集约化智慧水厂运营管理模式，通过信息技术手段实现人员和资源的共享，并建立与之相匹配的组织架构，逐步构建并科学完善的智慧水厂运营管理体系。

三、下一步实施计划

1.系统优化和拓展应用

根据智慧水厂运行和使用情况，进一步对系统优化，完善各种功能应用，推动与生产运营的深度结合，提升用户体验。同时继续探寻当前市场上本期项目建设未包括的新技术和实用案例，并考虑引入光明水厂、甲子塘水厂进行应用，不断拓展丰富智慧水厂的功能内涵。

2.完善运营管理模式

通过不同厂站业务交叉培训，加强高素质、高技能运维人才储备，对智慧水厂新的运营架构和管理体系进一步完善，建立与智慧水厂相匹配的成熟运营保障机制，实现无人或少人化的厂站集中运营管理。

3.总结经验、输出成果

作为深圳市首个取得成功的智慧水厂案例，将建设成果在全市水厂进行推广。总结智慧水厂经验，参与编制“智慧水厂建设标准”，引领深圳水务工业数字化转型。

四、项目创新点和实施效果

1.项目先进性及创新点

（1）全数字化水厂运营

采用全三维3D实景仿真技术建立数字孪生水厂，将水厂SCADA、设备资产管理、安防等数据融为一体，实现水厂全数字化在线运营，无论您在哪里工作，均可通过电脑或智能手机管控水厂。

（2）可评估的自动化

根据生产特点，通过增加传感器硬件冗余和编写逻辑冗余控制程序，提高自动化系统可靠性。同时，引入自动化程度评价指标，可实时评估自动化健康情况。

（3）工艺智能算法

采用矾花图像AI识别技术和神经网络算法，优化水厂化学药剂投加。建立泥量数学模型和水泵搭配模型，优化沉淀池精准排泥和送水泵运行。

（4）智能安防

厂区内的智能监控摄像机可连续拍摄并智能识别安全信息，也创新性的用于水厂设备视频巡检。水厂实现WIFI全覆盖，通过WIFI定位技术，可准确定位厂区人员并记录轨迹，提供非法停留和越界等预警信息。

（5）资产全生命周期管理

水厂设备资产全生命周期数据在线管理，设备巡检维修通过AR识别技术与设备关联，可实时掌握设备资产健康情况。

2.实施效果

（1）运行更安全可靠

通过水厂自控系统和设备仪表系统的冗余改造，引入工艺智能算法，资产设备管理系统的完善，建立智能安防管理，使水厂生产控制更平稳，设备运行更可靠，安防管理更高效，全面加强水厂生产安全保障。

（2）生产指标更优质

通过智慧化手段使水厂生产更加稳定，各生产工艺环节控制始终处于最优化的模式，水质优于人工控制或传统自控控制，在生产的各个环节进行关键指标的控制，全面的信息感知和决策支持可及时发现问题及时预警并采取纠偏措施，最终取得更加优质的水质指标。

（3）更高效

智慧化运营模式多通过智慧化手段代替人工运行，提高了生产效率，通过集中少人值守，运营人员减少超过50%以上，大幅提升工作效率。同时在系统运营平台上可以自动生产报表，代替人工录入的工作，无纸化办公也更为高效。

（4）节能降耗

通过智能加药，智能配泵、优化排泥等工艺智能算法控制，化学药剂和能源消耗分别下降超过15%和10%，减少超过30%的废水排放。

（中国水星）