面向给排水科学与工程、水务工程、市政工程、环境工程、污水处理、水利等专业和行业,提供工程解决方案,达到降低能耗与物耗的目的,为相关专业师生及相关行业企业提供产学研相结合的综合性解决方案,达到提升相关专业和行业科研人才培育能力与社会影响力的目的。

      针对已建或新建自来水厂工程,采用系统水力学水环境创新核心技术研究成果,研发自来水厂运行调度的“智慧大脑”,并与当前SCADA综合监控系统无缝融合,实现水厂供水水量、水压、水质等目标保障下的科学调控、经济运行、安全运行、自动化运行,同步实现设备实时性能监测、在线虚拟巡检等。

市政水厂数字孪生系统
一、系统介绍
二、适用对象

·取送一体化供水工程

·单个供水水厂、泵站

·水司调度中心:多厂站

·城乡一体化供水


四、亮点与特色

全三维数字化场景,实现沉浸式业务管理

      基于水厂实际场景与图纸,进行水厂完整工艺单元与场景的全三维BIM建模,实现沉浸式系统监控操作、三维情景化虚实联动巡检等业务管理。


       系统面向水厂水量调度、水质加药、水力安全、设备运维等核心业务管理,应用自主创新的数据预测、水力仿真、水质仿真、Al优化算法等技术研究成果,实现水厂智慧化业务应用的核心底层决策模型支撑。


内置“智慧大脑”,实现取送水全局优化运行

       系统基于接入的水厂监测数据,经智慧大脑分析得到最优运行方式操控结果后,支持两种操控模式:(1)作为方案供操作人员参考,并自主下发SCADA指令;(2)联动SCADA系统直接下发,实现系统闭环控制。


支持辅助决策和闭环控制(SCADA融合)双模式

       系统可根据水厂对取水泵站、供水管网压力的差异化控制权限,水厂供水、排水回流、反冲洗的差异化运行方式,以及水司对水厂的差异化供水目标管理,进行个性化设定和适用性配置。


兼顾水厂个性化特点和运营需求,适用性强

      传统的水厂加药控制方式及加药量,通常基于人工经验以及水质监测参数的简单逻辑反馈进行控制。由于缺乏科学、有效的量化模型,为保证出水水质监测指标,多采用过量投加方式进行药剂量的控制,导致药物的不必要浪费,增加了水厂运行能耗;严重时可能造成水体污染。


加药多依赖人工经验及简单规则,运行药耗高

      水厂水量调度的实质是保障管网供水目标(如水量、水压)下,结合自身工程布置,对取水-送水-加压泵站群(多泵站、多泵组、定变速)、阀门群、清水池调蓄、分子水系统的时空联合优化调度,具有供水条件多变、运行工况复杂、科学调控技术难度大等问题;部分工程存在设计不合理、供水扩容改变运行条件等;未充分考虑运行调控科学性将造成水厂运行电费较高。


复杂工况、多变供水条件导致运行调度不够科学,运行电耗高

       随着服役时间的增加,水厂设备(如泵组)、管线、设施等在运行过程中,由于故障破坏、疲劳破坏、老化等原因,其性能会发生渐变性、突变性下降。对于该类性能改变,如未有效捕捉监测并实现状态运维检修,可导致输水能力降低、运行成本升高等,严重时影响工程安全运行。


设备-管线-设施实时性能难以有效监测,状态检修难以实现

       传感器是生产系统的“眼耳鼻”,是数字孪生和智慧化运行建设的基础,是运行操作决策的重要依据。生产运行中,系统中布设的传感器由于工作环境、制造质量等因素,往往发生通讯错乱、损坏破坏、电信号偏移等问题,导致监测数据失真问题,可能影响运行操作人员的不合理操作乃至误判。


传感器故障难以及时、有效识别,造成不合理操作

五、解决痛点问题

      送水泵组运行方式、送水压力与管网供水量、节点压力为显性耦合变化关系,尤其对多水源、多水厂联合供水,在满足供水水量要求下,管网各控制节点的运行压力(及对应不同泵阀运行方式)控制可能存在(部分节点)过低、过高等不合理情况,造成供水投诉率升高或能耗浪费。


管网节点压力的调控不合理,导致投诉或能耗浪费

      在供水系统运行工况切换、泵组异常事故失电、管线滞气运行等情况下,泵阀状态发生的变化将导致系统水锤的发生。当系统出现水锤压力过大、负压过大、管线设备结构出现薄弱点、承压能力下降等情况,将导致水力系统破坏,造成工程安全事故风险。


不合理运行操作或异常失电产生水锤,影响水力系统安全

      系统基于水动力学能量守恒方程,融合水力反演计算方法,综合设计数据、历史数据、实时监测数据,针对泵站中水泵、构筑物、管线及阀门等设备设施的水力静态、动态特性,建立系统设施设备水力性能实时反演分析模型,实现对监测数据的有效清洗、设备设施性能实时监测分析与预报预警。


数据清洗与性态参数反演分析技术

六、核心技术

       结合工程布置和设备实际情况,建立“水力系统全机理仿真分析模型+人工智能优化分析数理模型+监测数据反馈分析评价模型"的融合模型,针对不同供水水量与压力目标要求,进行泵站群、泵组群、阀门群的快速、精准、优化调控计算分析,支撑形成有效调节调控的技术措施方案。


基于“机理-数理-监测”融合模型的水量快速精准调控技术

      以取-送水泵站全系统运行经济性为目标,采用机理模型与数理模型相结合方式,考虑场景约束(分时电价、清水池调蓄能力、恒压/恒流供水方式、泵组运行限制、反冲洗、排水回流),建立短-中-长期系统水量时空分布调度的多目标联合优化计算分析模型,并实现快速高效计算。


取-送水泵站全系统时空联合优化计算分析技术

       基于出厂流量、压力的长短周期历史监测数据,建立LSTM与统计分析相结合的人工智能预测模型,考虑水厂供水片区不同、周期性用水量变化特征、气温降雨因素影响等,并结合长短周期用水趋势及实时监测数据的动态校正,实现日供水量、水源水位等参数的高精度、自适应滚动预测预报。


多参数Al智能预测预报技术

       针对传感器故障/零点漂移等可能出现的传感器异常故障,利用系统时空运行参数的闭合性和唯一性原理,建立不同类型、不同位置的多层次传感器监测数据反演分析模型与评价模型,实现不同传感器之间的监测参数相互验证、异常判定,达到传感器异常故障识别的目的。


基于数据闭合原理的传感器异常自动识别技术

      数据监控中心以接入系统实时监测数据,进行关联展示为基础功能。同时,数据监控中心模块可根据系统水力学反演分析方法,对增压泵站流场进行重构。在关键点位无传感器情况,生成虚拟传感器,显示水质水力参数的仿真模拟数据。应对传感器故障,或电信号偏移,数据失真情况的情况,采用仿真数据与实时采集同步展示的方式高亮提醒,并进行及时报警处理。


传感器故障监测功能

七、系统功能

       分析模型能够接入实际工程实时监测数据,进行系统和设备性能的实时反演分析,确定实际运行性能状态参数,用于状态检修维护的决策支撑。得到实时运行中水泵的流量扬程、流量效率曲线、管道综合摩阻及调流阀阻力特性曲线等。


设备性能监测与异常报警功能

       系统根据出厂流量、压力长短周期历史数据建立LSTM(长短期记忆递归神经网络)与统计分析有机结合的预测模型,根据水厂供水片区的不同、时间因素引起的周期性用水量变化、温度、降雨的影响,并结合长短周期的早晚用水高峰趋势监测,及当前出厂流量驱动预测数据的实时校正,对一日的供水流量变化进行智能预测。


需水量智能预测功能

       系统根据出厂流量、压力长短周期历史数据建立LSTM(长短期记忆递归神经网络)与统计分析有机结合的预测模型,根据水厂供水片区的不同、时间因素引起的周期性用水量变化、温度、降雨的影响,并结合长短周期的早晚用水高峰趋势监测,及当前出厂流量驱动预测数据的实时校正,对一日的供水流量变化进行智能预测。


智慧调度功能

       建立自来水厂高精度三维仿真数字模型及其周边区域的地理景观数字模型,包括水泵、管道、阀门、明渠、各蓄水构筑物、净水工艺等。漫游场景中可点击设备设施展示属性信息,近景设备挂载实时数据,同时将监控视频与三维模型的关联展示,实现虚实结合的安全巡检。

       支持超级管理员制定巡检计划,安排各值班班组进行巡检、签到,支持后台查询巡检记录。


虚实联动在线巡检

      工作内容包含:三维数字场景搭建、与已有的SCADA系统联调互通、构建智慧大脑”实现闭环控制等。该水厂采用取送水联合调度方式。取水泵组由系统自主调频、切泵,管网最不利点控制压力由系统自主调频控制,送水泵房切泵指令由调度中心下达。取、送水泵组千吨水电耗降低约5%。

江西某20万吨级水厂

八、案例

      基于B/S构架为该水厂开发网页版优化调度系统。该水厂送水机组处于恒压运行模式,压力恒定值由调度中心下达,开泵方式由水厂决定。系统投运后,送水千吨水电耗降低超4%。

广西某20万吨级水厂

      系统独立建设开发,通过OPCUA协议接入SCADA实时监测数据,运算分析完成后给出优化调控方案及相关模拟预测结果。用户根据实际情况,自主设定发布控制指令方式:  (1)直接联通已有SCADA/PLC自控系统进行设备闭环控制;  (2)根据系统优化结果建议,基于SCADA系统进行设备调控操作。


独立“智慧运行调度系统”建设模式

九、系统建设方式

客户端与控制系统交互

      将水厂的"智慧大脑"中涉及的算法,采用跨平台联合编程技术进行独立封装。通过使用程序接口方式进行数据传输,将这些算法嵌入到SCADA系统中,以实现监测和反馈指令的通讯。这样的融合控制方式能够实现不同系统之间的无缝连接和协同工作。采用跨平台联合编程技术对算法进行独立封装,使其具备高度可移植性和兼容性。同时,通过程序接口进行数据传输,保证了数据的可靠性和安全性。将这些功能嵌入到SCADA系统中,能够实现对水厂运行状态的监测和灵活的反馈指令控制。这种专业化的融合控制方式提升了水厂运行管理的智能化和效率。


已有“综合监控系统”嵌入融合方式

      根据平台的统一设计风格,对水厂智慧运行调度系统进行功能性封装,并以Web方式嵌入PO水厂网页版监控系统。系统按照约定协议能够读取和控制设备数据,实现与设备的交互融合。通过这种专业化的集成方法,可以在网页版监控系统中方便地访问和操作水厂智慧运行调度系统的功能,实现对设备的实时监控和远程控制。这种集成方式不仅保持了平台的一致性和统一性,还提供了更高效、便捷的用户体验,使得水厂运行管理更加智能化和可靠性。


Web服务调用融合方式

·实时分析与预警,降低运行操作错误的概率

·时空联合优化调度,节省水厂电费支出5%-20%

·人工智能优化数理模型,避免工况切换水锤事故发生



三、应用效果
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