6、智能化、智慧化賦能水基礎設施提升傳統價值.pdf

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1、智能化、智慧化賦能水基礎設施，提升傳統價值邱順添、王旭、王明娜天津大學2023年11月22日第六屆城市智慧管網發展論壇目錄/CONTENTS水系統的惡化及新挑戰供水系統智能化、智慧化智慧水務系統CONTENTS2價值提升4總結1.2 水系統的惡化水系統的惡化4第六屆 城市智慧管網發展論壇 隨著我國及世界城市化進程的快速發展，深刻影響著自然生態系統和經濟社會系統，產生了內澇、黑臭水體、熱島雨島、季節性缺水等一系列水問題。1.2 水系統的惡化水系統的惡化5第六屆 城市智慧管網發展論壇 各類水問題不管其表現形式如何，最終都可以歸結為水循環系統演變與調控的失衡問題。洪澇事件：氣候變化下的自然水循環演變

2、過程失衡缺水問題：自然水循環-社會水循環演變失衡黑臭水體：與水循環伴生的水化學過程演變失衡生態退化：與水循環伴生的生態過程演變失衡利用信息技術提升水系統數據采集與分析能力，進而提升系統運行效率與效益1.2 城鎮生活供水系統面臨量、質雙重挑戰城鎮生活供水系統面臨量、質雙重挑戰 隨著城鎮化建設的加快，集中用水需求不斷增加，城鎮居民對高品質水的需求愈發凸顯，但技術手段有限，城鎮生活供水逐漸面臨著水量不足和水質惡化的雙重困境?，F狀供水系統受資源、能源、經濟等的多重制約，韌性不足，難以應對未來的多樣化風險。（數據來源：國家統計局）6第六屆 城市智慧管網發展論壇1.2 城鎮生活供水系統面臨量、質雙重挑城鎮

3、生活供水系統面臨量、質雙重挑戰戰沿水而居、人力搬運水廠凈化、廣泛入戶取水難衛生差消防弱不規范不公平不安全集中取水、管道輸送多風險多事件多浪費早期：生存需求近代：生產生活需求現代：高品質健康生活需求生活用水：供人生存的飲水和服務日?；顒拥挠盟钣盟汗┤松娴娘嬎头杖粘；顒拥挠盟?第六屆 城市智慧管網發展論壇1.3 分裂的供水階段分裂的供水階段8第六屆 城市智慧管網發展論壇2.1 供水系統的智能化智慧化供水系統的智能化智慧化？10第六屆 城市智慧管網發展論壇2.1 供水系統的智能化智慧化供水系統的智能化智慧化？11第六屆 城市智慧管網發展論壇2.2 涉水基礎設施涉水基礎設施12第六屆 城市

4、智慧管網發展論壇水源調度、調蓄供水管網水質、水量保障二次供水過程優化 供水管網是城市的“水動脈”，是保障居民用水安全的重要基礎設施。許多供水管網深埋地下，建設年代久遠，設施老化嚴重，極易造成管網運行能耗高、漏損嚴重、爆管頻發等問題，威脅“水量安全”。供水管網結構龐大、體系復雜，達標的出廠水流經數十公里到達用戶，其間發生復雜的物理、化學和生物反應，威脅“水質安全”。避免或控制大量抽水產生的的負壓，保證流量穩定；水箱液位要受控，保持水體常新，水齡受控，水質穩定；泵房運行的可視化、多座泵房運行時的聯動控制；尋找節約能耗的二次供水方式；用戶端流量需求的預測、監測和預警。我國水資源時空分布不均，洪澇和干

5、旱等極端天氣頻繁出現；不同規模的調水工程相繼建設，形成了多源供水的局面，對各類蓄水工程及河湖水體聯合調度，以實現各類水源高效利用。再生水等非常規水源的加入，形成了更為復雜的供水格局；解析不同水源組合供水的潛力和影響，提升城市供水能力。智能化、智慧化的業務需求2.2 涉水基礎設施涉水基礎設施13給排水系統智能化基本架構及要素：監測網點部署-通過布設智能監測設備，完成管網重要節點的動態監測數據采集；設施感知系統-全方位感知設施運行狀況，通過“一張圖”大數據可視化管理模式；Io oT感知中臺-匯聚基礎、實時監測和運行維護數據，建設覆蓋“源-網-站-廠”一體化的感知中臺，全方位感知運行狀況，支持多云部

6、署，平臺API或智能終端底層協議接入能力；移動應用平臺-通過數據交互和共享，實現事件管理、信息查詢、報警提醒、位置信息、任務管理、系統管理、二次開發、部署應用等功能；第六屆 城市智慧管網發展論壇3.1 智慧管網發展智慧管網發展15第六屆 城市智慧管網發展論壇 智慧供水系統是一個綜合的供水信息化管理平臺，將供水系統中的取水泵站、水源井、自來水廠、供水管網、加壓泵站、消防栓、二次供水等重要供用水單元納入全方位的監控和管理。3.2 智慧水務的特征智慧水務的特征16第六屆 城市智慧管網發展論壇(1)更全面的感知3.2 智慧水務的特征智慧水務的特征 17第六屆 城市智慧管網發展論壇企業企業辦事人員辦事人

7、員紙質紙質資料資料電子電子資料資料網上填報網上填報辦事人員辦事人員水務部門水務部門結果結果受理審批決定告知提交辦結(2)更主動的服務3.2 智慧水務的特征智慧水務的特征18第六屆 城市智慧管網發展論壇智能感知智能仿真智能診斷智能預警智能調度智能處置智能控制水文模型統計分析模型河網水動力模型管網水動力模型水質模擬模型水量調度模型多目標優化技術大數據分析技術深度學習技術等等（3）更科學的決策3.2 智慧水務的特征智慧水務的特征19第六屆 城市智慧管網發展論壇閘門泵站水電站 流量過程 水質過程預報 水量 水位 水質調度 閘門開度 水輪機、泵站轉速/轉角控制調度邊界控制目標控制指令水庫引調水工程蓄滯洪

8、區水文站水庫引調水工程蓄滯洪區閘門泵站水電站(4)更自動的控制3.2 智慧水務的特征智慧水務的特征20第六屆 城市智慧管網發展論壇（5）更及時的應對4.1 水資源價值水資源價值-“降質降質-分質分質-提質提質”用戶對生活飲用水的需求在水質、水量上存在差異（城市居民生活用水量標準GB/T 50331-2002）(田文凱,2018）22第六屆 城市智慧管網發展論壇4.1 水資源價值水資源價值-“降質降質-分質分質-提質提質”用水過程模型23第六屆 城市智慧管網發展論壇4.1 水資源價值水資源價值-“降質降質-分質分質-提質提質”24第六屆 城市智慧管網發展論壇供水模式比傳統模式減少新鮮水取用比例單

9、位供水能耗（kWh/m）傳統供水模式0%約2.22建筑雨水/灰水收集利用模式20%35%2.012.23再生水利用模式33%45%2.032.78“降質-提質-分質”模式（含再生水）3%25%2.523.08“降質-提質-分質”模式（無非常規水）-30%-20%3.023.39 全城全提質模式-70%-60%5.896.36按照不同生活用水活動對水質要求差異及我國非常規水的平均生產水平和耗能，按照不同生活用水活動對水質要求差異及我國非常規水的平均生產水平和耗能，核算出可替代新鮮水的水量和單位供水能耗，以下是核算出可替代新鮮水的水量和單位供水能耗，以下是部分現狀和新分質供水模式的初步估算結果部分

10、現狀和新分質供水模式的初步估算結果：l 非常規水的利用對于減少常規新鮮水的取用量有明顯效果非常規水的利用對于減少常規新鮮水的取用量有明顯效果；l 以提高水質為目標的供水模式，和將再生水補充生活用水的模式，耗能均高于傳統供水模式；以提高水質為目標的供水模式，和將再生水補充生活用水的模式，耗能均高于傳統供水模式；l“降質降質-提質提質-分質分質”的新供水模式可平衡全城提質的能耗和新鮮水消耗，與非常規水供水聯用或可實現節水的新供水模式可平衡全城提質的能耗和新鮮水消耗，與非常規水供水聯用或可實現節水節能的多目標。節能的多目標。4.2 水數據的價值水數據的價值-25第六屆 城市智慧管網發展論壇供水管網精

11、細化模擬 供水管網模擬是智慧供水系統的核心部分，其精細化程度影響智慧供水的水平。建立高質量、應用范圍廣的精細化管網模型是我國城市供水行業今后科技創新發展的方向。利用傳感器進行壓力、流量監測，進行管網水力模擬，識別和預測管網漏損和突發爆管事件。(Vrachimis,S.G.,Timotheou,S.,Eliades,D.G et al.,2021.Leakage detection and localization in water distribution systems:A model invalidation approach.Control Engineering Practice,11

12、0(June 2020),104755.)一種智能化的供水管網漏損檢測流程4.2 水數據的價值水數據的價值26第六屆 城市智慧管網發展論壇提升數據獲取能力提升數據獲取能力局限于傳統水務業務，目前數據獲取手段仍以傳統傳感器為主?？梢蕴峁捉鼘崟r的網絡數據（水質、流量、水壓、水位等），為優化水系統日常運營，也能給排水管道爆裂、水體變色、下水道坍塌或堵塞等事故的檢測、診斷和主動預防提供支持。但是單一的數據源難以全面的覆蓋問題的各個角度，無法避免解決方案的片面性可能帶來的更大的風險，開展多元多源數據結合及耦合。提升數據處理與分析能力提升數據處理與分析能力當把水務數據從傳統數據領域拓展到外部數據，我們可

13、以通過天氣、電力、公共監控視頻、無人機巡檢、微信/微博/抖音等多渠道多方式獲取海量數據，大數據的形成是一種科技驅動下的社會化行為，是不可逆的，因此需要更強大的數據處理與分析能力以便充分挖掘數據的“信息價值”。4.2 水數據的價值水數據的價值27第六屆 城市智慧管網發展論壇導航衛星地面CORS網地面物聯網地理信息地表部件地下管線地下空間 空間信息 公共信息人口信息法人信息證照信息地名地址 政務信息政務信息行業信息 社會信息企業信息 公眾信息地面通信網遙感衛星航空遙感無人機遙感地面遙感企業管理民生服務政務管理水務管理政務內網政務外網互聯網通信衛星衛星通信網視頻信息位置信息傳感信息照片信息 動態信息

14、4.3 水服務的價值水服務的價值-28第六屆 城市智慧管網發展論壇p 2019年，IWA的數字水務報告中提出了“數字水務生態圈數字水務生態圈”的概念，在數字化（數字化（2.0）的基礎上將水務系統水務系統的服務范圍的服務范圍進行了外延，而其核心仍然是水系統本身水系統本身。水務機構金融房地產醫院IT學校其它p 在智慧水系統（智慧水系統（5.0）的框架下，將水務大數據與城市大數據進行了有機的融合，形成了面向服務的多核心水務面向服務的多核心水務生態體生態體，它是由面向不同服務需求的不同服務需求的“水務生態圈水務生態圈”疊疊加、聯通而成加、聯通而成，在這里，城市里任何居民、企業、政府機構等主體既可以成為

15、主體既可以成為“生態圈生態圈”的服務核心也可以作的服務核心也可以作為數據或服務的供應者為數據或服務的供應者。水務服務金融房地產醫院個人學校醫療（其它）水服務金融房地產水務機構個人學校個人服務金融房地產醫院水務機構學校4.3 水服務價值水服務價值-29第六屆 城市智慧管網發展論壇服務拓展功能提升大數據信息類型聲、光信號電信號Wifi信號影音信號三大特征采集方式數據眾籌智能監測設備多媒體設備移動應用互聯網4.5 系統韌性與供水過程的要求系統韌性與供水過程的要求30系統韌性：在保證安全和統籌發展過程中，通過主動調整系統要素、優化系統結構、塑造系統環境，使得系統在面對極端風險沖擊情景發生突變的動態過程

16、中，依然具備防御力、恢復力、適應力等韌性能力特征。中國社會科學文摘城市供水系統韌性：城市供水系統韌性：面對自然災害、事故災害、公共衛生事件和社會安全事件時，供水系統快速響應修復，保證整體水量充足、水質安全、水壓穩定的能力。第六屆 城市智慧管網發展論壇5 總結總結321.涉水基礎設施（系統）的智能化、智慧化是個必然的趨勢，咱們現在看到的應該是智慧水務系統的雛形。2.五個方面的“更”能很好的概括智慧水務的特征：更全面的感知、更更全面的感知、更主動的服務、更科學的決策、更自動的控制、更及時的應對主動的服務、更科學的決策、更自動的控制、更及時的應對3.未來可以挖掘的是水資源、水數據、水服務的價值提升。感 謝 傾 聽，請 批 評 指 正郵箱： 微信 :Qiust081233