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深隧智慧管控平台:污水“驶”入地下“快车道”

2022-07-14 08:58来源:给水排水作者:曾磊 周毅等关键词:污水深隧系统慧管控平台物联网技术收藏点赞

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利用物联网、大数据等技术搭建了大东湖深隧智慧管控平台,对预处理站、竖井及深隧进行实时监测及运行管控,实现项目生产工艺控制、设备维护管理、运行风险预警、应急辅助决策的科学、高效、自动化管理。平台建成投用后的近半年时间里,项目运行管理效率不断提升,社会、经济效益显著。对大东湖深隧智慧管控平台的建设背景、系统设计、建设内容、建成后平台功能及应用效果进行介绍。

1 工程概况

本工程远期服务范围达200余km²,建设内容包括:

(1)污水深隧系统:一条长17.5km主隧(直径D3 000~3 400)和一条长1.7km支隧(直径2~D1 500)。

(2)地表完善系统:沙湖提升泵站(1m³/s)、二郎庙预处理站(9.8m³/s)、落步嘴预处理站(5.7m³/s)、武东预处理站(2.4m³/s)及配套管网。

2 智慧管控平台的设计

2.1 设计目标

根据深隧系统、地表完善系统的运行调度与管理维护的需求,以输水调度、远程多站点协同管理为目标,通过构建深隧淤积预测模型、流速预测模型,建成集生产工艺控制、运行维护管理、运行风险预判、智能辅助决策等多种功能于一身的定制化智慧管控平台。

2.2 架构设计

平台架构按数据采集层、数据及服务支撑层、深隧防淤积、应用平台层、展示层5个层次的总体要求进行部署设计,系统架构如图1所示。

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(1)数据采集层以物联网技术为核心,构建布局合理、全域覆盖、结构完备、功能齐全、高度共享的物联感知网络,通过各类传感、检测、视频监控等设备,获取稳定、可靠的深隧运行基础数据,为深隧日常运维管理、风险预警、辅助决策等提供基础数据支持。

(2)数据及服务支撑层主要将数据采集层获取的数据和各专业业务系统的异构数据进行融合、集成、清洗、转化、加载,建立统一的数据中心,为数据挖掘和分析提供基础保证。

(3)深隧防淤积主要通过已构建的水利学模型、淤积模型等,对采集数据进行水量调度方案效果模拟,深隧管道淤积预测,为运营人员的水量调度、淤积预防提供辅助决策支持。

(4)平台应用层在数据采集层、数据和服务支撑层的基础上建立的各类专业业务应用系统,具备为企业内部用户、上下游水务部门等提供整体的信息化应用和服务功能。

(5)展示层主要在企业大屏端、服务器端、移动终端,对系统工艺,能设备运行状态、能耗电耗、水质指标、人员巡检、实时视频等多维度信息进行多角度集中展示。

2.3 安全设计

平台安全设计主要通过访问控制、身份认证等技术,确保平台具有较高的信息保密性、可控性、真实性、完整性。系统安全设计的主要内容包括数据安全设计和网络安全设计。

(1)数据安全设计。数据安全是整个平台系统安全的核心和重点,包括数据访问安全、数据传输安全、数据存储安全。平台数据访问安全主要通过建立全局统一身份认证中心,根据数据类型设置不同访问权限来确保数据访问安全;数据传输安全主要通过加密传输、入侵监测、安全漏洞扫描、安装防毒杀毒软件、安装防火墙等途径保障数据传输安全;数据存储安全则通过采用数据本地备份、设置专业存储设备、建立数据恢复机制等措施,防止数据遭到意外或恶意破坏。

(2)网络安全设计。平台网络安全设计内容主要包括访问安全和应用安全:平台的访问安全除依靠主机系统自身的用户名及口令来防范外,还配置了防火墙,加密访问控制,设置IP黑白名单防止假冒的非法访问,安装入侵检测系统、网络安全扫描系统和防病毒软件等方法来确保系统访问安全;平台的应用安全则是重点关注Web应用中“跨站点脚本攻击”和“注入缺陷”两大安全隐患,并进行必要的安全规则配置及网络规划,结合硬件级防火墙、入侵检测、行为分析管理、网关访问控制、运维审计等一系列安全软硬件措施,确保系统的应用安全。

3 智慧管控平台的建设

平台建设内容主要包括:一套基础设施、一个数据中心、防淤积模型、一套应用平台。

一套基础设施包含覆盖大东湖深隧工程所涉及的物联感知、监测、传输网络及平台基础软硬件设施(包括:超声波流量计、RTU及配套设备、应用服务器、工作站、企业级下一代防火墙含路由、VPN、数据采集及配套设备、企业级交换机、服务器机柜、UPS、16口KVM、配线架、PDU插座、机房实施与调试、SS在线监测仪),用以全面、实时、准确掌握相关设施、设备的监测数据和运行状态。各预处理站配置独立于自控系统的数据采集模块,实现现场生产、视频数据的实时上传。系统预留标准化交互式通讯接口,对接深隧健康监测系统,下游北湖污水处理厂智慧系统,上游泵站调度系统数据进行集成。

一个数据中心主要融合集成大东湖项目范围内的物联网监测数据、空间基础数据、业务数据、主体数据,统一规范和标准,对多源、多格式、多类型的数据进行统一的存储和管理,实现平台各子系统间数据的统一管理、挖掘分析、共享交换、集成调用等功能。

防淤积模型主要在现有工程应用的水利模型上搭建(如表1所示),通过前期收集的深隧建筑信息(几何属性、材料属性),边界条件(深隧流体边界、竖井流体边界),工艺设备工况参数、运行情况,进隧流量、水位、入流SS等参数数据进行模拟计算,预测深隧运行工况及淤积分布情况,并结合预埋的特定点位流量计的实际测量值进行预测模型校验,形成自学习闭环,不断提高模型预测精度,指导深隧生产运行。

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一套应用平台采用分布式服务架构,通过制订统一的应用系统接口规范,使得不同的系统都按照一定的标准规范实现数据集成与业务融合,建立“规范、安全、开放”的智慧运营应用平台。Web前端采用现在主流的开发框架,保证前端视觉和交互的一致性,提升用户体验。后端采用高扩展、高安全、高性能、高可靠微服务架构。移动端应用扩展性强,可根据业务不同,将移动端应用进行模块解耦,提高可复用度的同时,极大降低变更的复杂性,同时为快速集成做好准备。

4 智慧管控平台的应用

4.1 平台功能

大东湖深隧智慧管控平台集合全维信息、绩效管理、资产管理、生产管理、应急管理、数据管理、人员管理与系统管理八大功能模块来解决深隧运维难题,强化区域运营调度,提高运营管理效率,保障深隧运行安全。

(1)全维信息模块作为系统门户页面,对项目生产运行关键数据(输送水量、设备工况、深隧流速、管道监控、水耗电耗、调度计划、预警信息等)进行全局三维展示,并将各生产单位的地理位置融入GIS地图界面,形成统一的监控及调度入口(见图2)。此外,系统还能通过仿真模型,对各预处理站的工艺流程、运行参数、预警信息等进行实时查看,直观掌控项目生产现状(见图3)。

(2)绩效管理模块能对深隧工程绩效指标进行统一管理与维护,通过输入项目所有绩效考核指标信息,形成深隧绩效指标库。以自然年为单位,围绕绩效指标实际情况,结合项目考核对象(泵站、处理站、深隧工程),系统自动形成一套标准的打分方式,供用户进行考核自评价、问题上传和模拟评分。系统还能根据用户留在数据库内的考评痕迹,对自评跟政府评进行归纳对比,偏差分析,找出指标偏差明显项,并给到相应的指标改进建议。

(3)资产管理模块能对资产的台帐信息、设备参数、设备备件信息、和设备相关的供应商信息、相关资料、设备图文等进行统一管理(见图4)。在设备现场可利用移动端应用通过扫描设备二维码获取设备的基本属性。在Web端可以根据预处理站、功能分区、启用日期筛选,或根据设备编码/名称直接搜索筛选;对设备相关文档(说明书、故障报告等)进行科学、有序的管理,为设备后续的维护管理可以提供强有力的支撑。

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(4)生产管理模块能对当月生产运行主要数据(设备养护、巡检、工单完成率、设备完好率等)进行综合统计分析,以了解项目生产运行总体情况(见图5)。模块还能对项目现场运行、报警、巡检、保养、维修、排班等主要管理内容进行集中管控。巡检管理主要包括巡检点管理、巡检步骤管理、巡检计划、巡检路线制定、巡检任务、地图巡检跟踪等;设备保养主要对设备日常保养的计划、标准和工单进行管理;设备维修支持缺陷问题的移动端和Web端申报与维修工单生成,并发送相关维修人员。问题处理完成并经管理人员审核通过后关闭缺陷,实现整个设备缺陷的闭环管理。

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(5)应急管理模块能对深隧内的流速、淤积进行分析预警。依据已构建的防淤积模型进行深隧淤积预测,通过建立规范化应急预案制度对已知风险进行识别、分析、处置、记录,保障系统安全平稳运行。当部分管段出现淤积时,运营人员可根据联合调度方案、调度指令及淤积冲刷方案进行系统的线上调度调整,提高深隧流量计流速,来进行淤积冲刷(见图6)。

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(6)数据管理模块能对获取的各类生产、经济指标数据,进行分类统计分析(见图7),按照周期自动生成各类运营报表,通过对这些指标进行横纵向对比分析,为项目生产运行提供决策依据。

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(7)人员管理模块主要内容包括项目运营人员的培训及绩效管理。培训管理主要根据人员线下培训、新员工入职培训制定培训计划,以培训成果为切入点,结构化管理思路,实现线上、线下双重数据叠加反馈,为后续人员培训成果评分提供数据依据。绩效管理主要通过建设人员绩效考核指标库,设定指标考核占比系数,按档案管理思路对人员培训记录、职业证书、人员工单完成情况、绩效/积分成绩等进行归纳汇总,排名对比,为人员绩效考核、职称能级调整提供数据支撑。

(8)系统管理模块主要通过严格的权限管理功能,采取多种措施防止内部人员对系统软硬件资源、数据的非法利用。系统需提供统一身份认证,便于系统管理,提高口令认证系统的安全性,实现不同应用系统间的口令的统一。用户的各个角色在登录到系统之后,可以按照不同角色的需求和关注项定义,设置个性化定制界面,用户在首页就可以看到其所关注的功能点的最新数据(见图8)。

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4.2 平台应用

(1)保障措施。大东湖深隧智慧运营管控平台作为项目运营期的主要管理工具,承载着项目生产管理、资产管理、绩效考核、应急处置等多种功能。为保障平台功能的真正实现,项目公司制定了《智慧运营平台运行管理办法》,对平台的使用进行制度化的规范,并将平台的使用率等指标同项目公司员工的绩效考核挂钩,通过专项培训、使用考核等多种方式提高运营人员使用技能,避免平台在项目运营期成为“摆设”,建而不用。此外,项目公司计划在智慧运营平台投入使用一年后,会根据平台实际使用情况,对平台进行功能升级改造,以完善系统功,提高平台的友好度及使用率。

(2)效益分析。大东湖深隧智慧管控平台利用先进的信息化技术,对项目生产运行进行智慧管控,通过收集、调度服务区域污水,统一传输送到下游污水厂进行集中处理,解决目前现状污水处理厂处理能力不足、尾水不达标排放的问题,有效保护了城市中心湖泊和港渠水质,有利于水环境水质目标的实现,社会环境效益突出。平台的建成投用实现了整个深隧系统的自动化和智慧化运行维护,降低了项目运行维护成本,提高了运行管理效率,单位水运营成本仅为0.13元/m³,经济效益突出。

作者:曾磊、周毅、王小虎、廉文杰、曾利华、黄凯、刘畅;作者单位:中建三局绿色产业投资有限公司。

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