膠州污水?dāng)?shù)字孿生綜合管控平臺(tái)

楊建華   姜  帥   劉曉瑩

膠州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 

青島海納云數(shù)字科技有限公司

1. 項(xiàng)目背景

水務(wù)管理是城市管理的重要組成部分。近年來，國家陸續(xù)出臺(tái)《十四五期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》《2022年推進(jìn)智慧水利建設(shè)水資源管理工作要點(diǎn)》等一系列政策，推動(dòng)智慧水務(wù)的建設(shè)，規(guī)定環(huán)保裝備設(shè)計(jì)制造、污染治理和環(huán)境監(jiān)測(cè)等要推動(dòng)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型，要整治提升農(nóng)村人居環(huán)境、梯次推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理，基本消除較大面積的農(nóng)村黑臭水體。同時(shí)，我國水務(wù)行業(yè)保持高速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2026年，我國規(guī)模以上水務(wù)企業(yè)銷售收入有望達(dá)5625億元，未來發(fā)展前景廣闊。

隨著國家對(duì)農(nóng)村生活污水治理要求的不斷提高，全國各地對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的建設(shè)力度也不斷加大。然而，隨著農(nóng)村生活污水處理設(shè)施數(shù)量的激增，加之其本身點(diǎn)位分散、規(guī)模較小，使得農(nóng)村污水處理出水達(dá)標(biāo)率低、運(yùn)營管理難度大、運(yùn)營成本高，傳統(tǒng)的運(yùn)營監(jiān)管方式已經(jīng)不能滿足高效率低成本的運(yùn)營要求，亟須構(gòu)建集綜合監(jiān)控、站點(diǎn)管理、智慧調(diào)度、運(yùn)營管理、設(shè)備管理、統(tǒng)計(jì)分析等多功能于一體的農(nóng)村生活污水智慧運(yùn)營管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各污水處理站關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取、站點(diǎn)的集中管理、異常信息的智慧告警和統(tǒng)計(jì)分析、巡檢維修任務(wù)的智慧調(diào)度等，加強(qiáng)提高運(yùn)營單位的運(yùn)營管理能力，降低運(yùn)營成本。

膠州市深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，以打造 “秀水鄉(xiāng)村”為目標(biāo)，通過大力實(shí)施全域治水，加大農(nóng)村污水處理設(shè)施投入，切實(shí)改善城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活水環(huán)境，切實(shí)將生態(tài)惠民、生態(tài)利民、生態(tài)為民落到實(shí)處。自2021年開始，計(jì)劃投資24億元，利用3年時(shí)間，采用國內(nèi)最先進(jìn)的農(nóng)村污水處理技術(shù)，將全市734個(gè)村莊的廁所污水、廚房用水、洗漱用水等農(nóng)村生活污水一并進(jìn)行治理。針對(duì)村莊點(diǎn)多分散，污水泵車抽運(yùn)等運(yùn)行管理難點(diǎn)，搭建膠州市農(nóng)村生活污水智慧管控平臺(tái)。

2. 項(xiàng)目目標(biāo)

膠州污水?dāng)?shù)字孿生綜合管控平臺(tái)利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，對(duì)膠州市全市范圍內(nèi)集水池、污水管網(wǎng)、污水泵站、污水廠等數(shù)據(jù)全收集，實(shí)現(xiàn)從污水排放、收集到輸送和處置等相關(guān)環(huán)節(jié)的全流程管控；將污水廠、站、網(wǎng)的各類勘察設(shè)計(jì)資料、施工信息、竣工資料、智能感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成至BIM模型，形成可視化、構(gòu)件級(jí)的數(shù)字資產(chǎn)運(yùn)營管理機(jī)制，為膠州市污水工程領(lǐng)域的規(guī)、建、管一體化提供數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)污水收集治理過程可視化、在線化，提高污水收集治理系統(tǒng)的管理效率，實(shí)現(xiàn)“膠州模式”的長效久治。

膠州污水?dāng)?shù)字孿生綜合管控平臺(tái)運(yùn)用了“CIM+GIS”的底座，融合BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，集計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、無線通信、技術(shù)于一體，提供農(nóng)村生活污水收集智能化模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠州市項(xiàng)目范圍區(qū)域監(jiān)測(cè)、全過程控制、全方位管理。整個(gè)平臺(tái)由“綜合概覽、指揮調(diào)度、安防態(tài)勢(shì)”三大模塊組成。

（1）綜合概覽

融合BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，展示膠州市全域污水治理“一張圖”，實(shí)現(xiàn)宏觀布局、細(xì)節(jié)管控。

宏觀布局：綜合概覽模塊展示膠州市全市維度、鎮(zhèn)/街道維度、村維度、污水廠的污水收集、處理的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)（見圖1），同時(shí)在BIM模型中可直觀地看到膠州市污水廠分布。

細(xì)節(jié)管控：平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)了1:1還原膠州市污水廠污水處理工藝，可以精確查看從原污水流入到尾水排放的工作全流程（見圖2）。

（2）指揮調(diào)度

指揮調(diào)度模塊結(jié)合GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對(duì)污水運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行全面跟蹤與調(diào)度（見圖3）。

該模塊可查看污水運(yùn)輸車輛的狀態(tài)、實(shí)時(shí)位置及工作規(guī)劃路線，不同狀態(tài)的車輛用不同顏色區(qū)分，一目了然，并且對(duì)有運(yùn)輸需求的村莊、集水池進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，跟蹤運(yùn)輸需求的完成狀態(tài)，全面掌握污水運(yùn)輸；并且形成污水運(yùn)輸車輛的全生命周期跟蹤，包括車輛狀態(tài)、養(yǎng)護(hù)記錄、維修記錄、運(yùn)行軌跡等。同時(shí)，該模塊中也能看到集水池的位置、當(dāng)前液位及狀態(tài)，達(dá)到液位閾值后，集水池會(huì)產(chǎn)生運(yùn)輸需求的告警，系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)度。

（3）安防態(tài)勢(shì)

安防態(tài)勢(shì)模塊主要從重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)控、異常告警、巡檢事件三個(gè)維度展示膠州市污水處理模塊的安防情況（見圖4）。

安防態(tài)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，查看監(jiān)控視頻輪播，實(shí)時(shí)掌握重點(diǎn)區(qū)域的安防態(tài)勢(shì)；可實(shí)現(xiàn)異常告警，對(duì)抓拍入侵、溢流識(shí)別、井蓋告警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；可配置巡檢事件，展示巡檢計(jì)劃完成情況，并在BIM模型中展示巡檢軌跡，查看巡檢結(jié)果；可在三維模型中展示井蓋、攝像頭等設(shè)備的位置信息，并能查看具體設(shè)備的詳細(xì)信息及攝像頭的實(shí)時(shí)畫面信息。

圖 4 安防態(tài)勢(shì)

平臺(tái)通過構(gòu)建物聯(lián)管控模塊，完成物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的接入，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)集中化、運(yùn)行態(tài)勢(shì)可視化、指揮調(diào)度一體化、業(yè)務(wù)協(xié)作高效化。

（1）業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)集中化

通過實(shí)時(shí)采集各收集池液位與流量、攝像頭、污水處理廠進(jìn)出水流量、水質(zhì)等，統(tǒng)一匯聚前端感知數(shù)據(jù)，對(duì)管網(wǎng)日常運(yùn)行、污水處理過程、監(jiān)測(cè)告警數(shù)據(jù)進(jìn)行集中上屏監(jiān)控。

（2）運(yùn)行態(tài)勢(shì)可視化

基于CIM+GIS的底座，對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行了1:1還原，將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)、管件、材質(zhì)、位置等與模型相結(jié)合，可以形象直觀地看到每個(gè)管段管井位置、污水流向、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況可以迅速定位進(jìn)行問題確認(rèn)，便于后期的運(yùn)維。

（3）指揮調(diào)度一體化

通過人工智能算法結(jié)合污水運(yùn)輸車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡、污水運(yùn)輸車輛實(shí)時(shí)載重量、收集池液位實(shí)時(shí)值、污水處理站實(shí)時(shí)處理量等指標(biāo)，對(duì)污水收集車進(jìn)行路線規(guī)劃和智能調(diào)度。

（4）業(yè)務(wù)協(xié)作高效化

平臺(tái)將實(shí)時(shí)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)、管件、材質(zhì)、位置及污水廠、站、網(wǎng)的各類勘察設(shè)計(jì)資料、施工信息、竣工資料、智能感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成至BIM模型，形成了數(shù)字資產(chǎn)，在保障后期運(yùn)維的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源優(yōu)化配置，信息互聯(lián)互通，處理按需協(xié)同，促進(jìn)信息基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)效能最大化，提升部門間數(shù)據(jù)共享能力，為跨部門業(yè)務(wù)協(xié)作提供高效支撐。

1. 市場(chǎng)前景

我國年污水排放量隨居民生活用水耗用量增加呈同步增長態(tài)勢(shì)，截至2022年底，農(nóng)村生活污水治理率在31%左右，較2020年治理率25.5%，提升約 5.5 個(gè)百分點(diǎn)，但仍有大量農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理排出。根據(jù)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)方案（2021—2025年）》提出的“十四五”時(shí)期目標(biāo)任務(wù)，到2025年，全國農(nóng)村生活污水治理率要達(dá)到40%。前瞻預(yù)計(jì)我國農(nóng)村污水處理建設(shè)將會(huì)進(jìn)一步提速，市場(chǎng)發(fā)展空間巨大，到“十四五”末，農(nóng)村生活污水處理市場(chǎng)新增處理量942.9萬噸/天，新增市場(chǎng)空間為 323.3 億元，設(shè)施提標(biāo)改造市場(chǎng)空間約7.03億～194億元，運(yùn)維資金將達(dá)2244.9萬元/天。

2. 可復(fù)制及應(yīng)用推廣

平臺(tái)設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)明，降低各功能模塊耦合度，并充分考慮兼容性。在設(shè)計(jì)過程中，選擇成熟的產(chǎn)品和規(guī)范，如.Net、Java、ODBC、JDBC之類已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的、被大量實(shí)踐所采用的技術(shù)；選用具有成熟性、可持續(xù)發(fā)展性的開發(fā)工具；選用行業(yè)內(nèi)成熟、SOA架構(gòu)的統(tǒng)一集成網(wǎng)絡(luò)和綜合信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的應(yīng)用、統(tǒng)一集成、強(qiáng)擴(kuò)展性，以保證系統(tǒng)具有長久的生命力和擴(kuò)展能力。通過建立農(nóng)村污水治理標(biāo)準(zhǔn)化體系，膠州污水?dāng)?shù)字孿生綜合管控平臺(tái)支持應(yīng)用于大部分的農(nóng)村生活污水治理場(chǎng)景。

3. 可持續(xù)發(fā)展能力

平臺(tái)通過全面監(jiān)控、快速定位、及時(shí)處置為農(nóng)村生活污水治理系統(tǒng)運(yùn)維進(jìn)行賦能，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，為膠州市污水工程領(lǐng)域的規(guī)、建、管一體化提供了數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)，讓污水治理有了“數(shù)字大腦”，使管理智慧又高效。

4. 解決行業(yè)痛點(diǎn)

目前我國農(nóng)村污水處理站眾多，分布式處理站因其建設(shè)周期短、建設(shè)方式靈活等優(yōu)勢(shì)，容易滿足村鎮(zhèn)對(duì)污水處理的要求，但存在站點(diǎn)分布廣、運(yùn)維難度大，難以集中監(jiān)控，數(shù)據(jù)匯總難度大，設(shè)備異常難以察覺等問題。針對(duì)難點(diǎn)，膠州市農(nóng)村生活污水智慧管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了污水收集治理過程可視化、在線化，著力解決智慧水務(wù)發(fā)展、推廣在技術(shù)層面存在的全面感知能力、數(shù)據(jù)資源共享能力、智慧型應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)維服務(wù)水平等短板問題，節(jié)約設(shè)備運(yùn)行能耗，降低人力經(jīng)營成本，有效提高污水收集治理系統(tǒng)的管理效率和污水處理站運(yùn)營管理水平。

5. 經(jīng)濟(jì)效益

平臺(tái)將污水廠、站、網(wǎng)的各類勘察設(shè)計(jì)資料、施工信息、竣工資料、智能感知監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成至BIM模型，并對(duì)污水治理進(jìn)行全流程管控，解決了污水治理過程中的點(diǎn)多分散、污水泵車運(yùn)營等難點(diǎn)，預(yù)計(jì)提升污水轉(zhuǎn)運(yùn)效率20%，降低人工成本15%。

6. 社會(huì)效益

膠州污水?dāng)?shù)字孿生綜合管控平臺(tái)采用數(shù)字孿生、CIM、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)污設(shè)施運(yùn)行、水質(zhì)及流量情況，為農(nóng)村生活污水處理收集、處理設(shè)施管理提供信息化支撐，為管理或運(yùn)行單位提供統(tǒng)一的綜合監(jiān)管平臺(tái)，提高協(xié)同工作效率、管理效率，提升農(nóng)村污水處理綜合監(jiān)管效能，為膠州市污水工程領(lǐng)域的規(guī)、建、管一體化提供了數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)，也為北方農(nóng)村污水治理提供了新思路。