数字水务及其在污水处理厂中的应用探索

摘要：面对基础设施老化且资金不足、公共政策不能与时俱进和气候变化等因素加剧水资源短缺、水质问题以及水安全等新风险，数字水务显示出多重价值。因此，加快水务行业的数字化进程显得尤为紧迫。污水处理厂的建设是解决水环境污染问题的基本举措，着重介绍以5G 技术为基础，探索其与数字技术在污水处理厂中的结合与应用。

       基础设施和服务压力，以及创新意愿使得城市成为应用智慧技术的最佳场所。智慧城市将整合物质系统、数字系统和人类系统，为市民创造可持续、繁荣、包容的发展成果[1]。水资源作为城市重要的资源之一，与市民的生活休戚相关。水务行业将直接影响GB/T 33356—2016《新型智慧城市评价标准框架》所述的城市服务、城市管理、公共安全和生态宜居等客观指标，对市民体验也具有很大影响，因此数字化、智能化是建设新型智慧城市的重要组成部分。与此同时，基础设施老化、极端天气的持续增多、城市人口的过度集中，加速水资源短缺，并引发一系列水质及水安全问题。面对这些压力，发展数字水务将有助于促进城市水务管理的转型，并为行业及消费者带来全新变革。

       1 不同业务领域的数字化发展

       智慧水务包括水务信息采集、传输、存储、处理和服务，可提升水务管理的效率和效能，实现更全面的感知、更主动的服务、更整合的资源、更科学的决策、更自动的控制和更及时的应对。水务业务可以划分为基础业务、条块业务以及支撑业务。田雨等人[2] 认为四大条块业务即防汛业务、水资源管理业务、水生态管理业务和水环境管理业务是数字水务建设中最为重要和最为迫切的建设领域。四大条块业务的数字化都是建立在信息感知更全面的基础之上，各自发展侧重点不尽相同。其中，防汛业务体现在应急预警方面，水资源管理业务体现在资源整合、主动服务等方面，而水生态管理和水环境管理业务体现在科学决策、智能控制等方面。

       2 数字水务的价值潜力

       数字技术将帮助水务行业自身创造出多种价值，如：降低运营成本、优化现有资产、提高员工参与度与生产效率等。除此之外，数字水务的应用还将对用户及环境带来深远影响，如水务公司运营和财务方面的数字化方案都将有助于提高用户体验（可参照电子账单推送、线上缴费、网络报修等服务），污水收集系统的实施数据传输、流域传感器网络的建立则将减少污染，以最大的力度保护环境。

       3 数字水务在污水处理厂中的应用探索

       3.1 国内、外污水厂数字化现状

       欧美国家的污水处理事业相对完善，并结合通信、自动化、计算机等领域的科研成果，逐步迈向数字化。以美国芝加哥STICKNEY 厂为例，其监控系统高度自动化，控制系统通过计算对设备及工艺进行优化，形成自动采集、自动判断、自动调整和自动控制四位一体的运行模式。德国不来梅OPPOLZER 的污水厂高度智能化，整个厂区只有几个运行人员负责厂区日常记录，其他管理都由数据中心的电脑进行控制。亚洲地区日本污水处理监控技术较为突出，其数字系统的特点为监控系统小型化结合多传感器融合技术[5]。

        3.2 污水厂基于5G 技术的数字化应用探索

        5G 技术可实现业务数据本地化处理和接入到移动云平台，通过边缘计算为污水厂提供服务：为污水厂提供全生命周期管理；为大量多样化异构数据提供优化，提高污水厂计量、控制、执行、应用的实时性；为污水厂远程控制、设备维修提供依据。

       1）GIS+BIM 技术应用。通过5G+GIS 技术污水处理厂可实现对基础数据资源的数字化、可视化管理，将地图元素和地下空间信息融入到管理系统之中，采用3D 模拟技术对地下管线进行详实的展示，切实解决污水处理流程管理中设备和管道隐蔽性强、重叠交叉的问题，充分体现出辅助决策的科学性和先进性（见图1）。通过此联合技术的应用，将工程阶段产生的数字化信息贯穿于整个建设管理中，可解决大量信息的沟通、协调问题，为设计、施工以及运营单位在内的各参建主体提供协同的工作基础，构建基于5G+GIS+BIM 技术的工程建设全生命周期管理将是污水厂未来数字化发展的主要趋势之一。

      3）虚拟现实与增强现实技术应用。虚拟现实技术（AR）和增强现实技术（VR）技术在污水处理厂数字化应用中具有广阔的发展空间，可通过提供建构筑物、设备、管道、线缆等设备的全息图像，为员工开展浸入式场景培训。此外，还可以让员工在没有预先大量储存相关知识的情况下，通过可视化指导对设备运行状态进行问题识别甚至是检修（见图2）。同时，结合数据分析，实现预防性的设备维护。再结合GIS、传感器、数字孪生技术，可以更进一步地生成物理系统的运行副本，对污水厂的功能进行模拟，并进行直观监控，提高污水厂预测性维护及事故预防能力。

       4 结语

       近年来智慧水务进入新一轮的高速发展期。5G 技术的突破无疑为数字技术的使用提供更为广阔的发展空间。在污水处理厂中，5G 技术通过与GIS 系统、传感器系统、AR/VR 系统的结合，增强智能化手段的应用广度和深度，不仅使运行单位及行业管理部门实时、全面感知污水运行系统中方方面面的信息，而且可运用云平台搭载大数据分析训练引擎，从而有效提升水务决策能力及效率，为运行单位提供更为灵活有效的决策管控方案。

编辑：徐冰冰