在 # 中，上海市供水调度监测中心副主任/国家城市供水水质监测网上海监测站站长张立尖，基于《智慧化供水厂建设工程技术标准》《智慧水厂评价标准》，总结分析了上海临港水厂和南市水厂在智慧供水厂建设和运行方面的工作经验，探究了智慧供水厂实现数字化管理、智能化运行和智慧化决策的目标与路径。
张立尖
本文根据嘉宾发言内容整理。已经由专家本人审阅。
前言：现状与客观需求
城市数字化转型
2020年底，上海发布了《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》。回顾这份文件，若置于五年前的背景下来审视，其中两句话无疑会引起公众的广泛共鸣。首先，数字化正以不可逆转的趋势改变着人类社会，这表明数字化正以其不可抗拒的力量改变我们的生活方式。其次，数字化越来越成为推动经济社会发展的核心驱动力。对于那些涉足股市的投资者而言，可以观察到涉及数字化和人工智能领域的股票在过去几年中经历了显著的增长。
2021年，上海发布了《上海市全面推进城市数字化转型“十四五”规划》（沪府办发〔2021〕29号），明确提出了两大目标：至2025年，上海全面推进城市数字化转型取得显著成效；2035年，全面建成具有全球影响力的国际数字之都。同时，规划提出率先建立健全适应数字时代需求的城市公共事业体系，打造泛在赋能、智能协同、开放共享的城市数字底座，实现基础设施国际一流、数据潜能全面激活、共性平台能级提升的目标，这是我们当前面临的发展形势。
智慧水务
2023年，中国水协发布了《城镇智慧水务技术指南》，其中对智慧水务发展过程中面临的问题进行了详尽的总结。尽管该指南已发布两年，但回顾其所指出的五个问题，我确信各位可能深有同感。例如，智慧水务在顶层设计方面存在缺失，标准体系尚不完善。经过两年的发展，我们是否已经完善了标准体系？其次，数据质量普遍不高。第三点，我认为尤其值得深思，即市场上展示的产品众多，而实际应用场景却相对较少。我曾参观过多家水厂，并听取了很多关于智慧化运营的介绍，尤其是在领导视察和调研时，我们所展示的内容确实较为丰富。第四个问题是智慧水务泛化、平台建设缺乏系统性。同时，该指南还提出了五个方面的发展目标，如图所示。
《城镇智慧水务技术指南》介绍
智慧水厂发展的客观需求
对于供水厂而言，自其最早出现在英国以来，至今已逾一百多年。在这期间，供水厂经历了从手工操作、人工控制为主逐步向自动化、数字化乃至智慧化转型的发展历程。
供水厂发展历程
在智慧水厂的发展过程中，其客观需求首先体现在确保水质安全上。当前，许多水厂面临的主要问题之一是水质波动，其次是能耗较高，以及运行效率相对较低。因此，智慧水厂的客观需求主要在于解决以下三个问题：首先，确保水质安全；其次，推动节能降耗，实现绿色低碳运行；最后，提升水厂生产运行的精细化管理水平。
智慧水厂相关标准
前面提到的《城镇智慧水务技术指南》中指出，现行的标准体系尚不健全，对此，我进行了相应的资料搜集。关于智慧水厂的技术标准，中国水协发布了两项标准。其一为2024年11月26日发布的《智慧水厂评价标准》，该标准由中国市政中南设计研究总院牵头编制，并于2025年2月1日起实施。紧接着，中国水协官网于11月27日发布了《智慧供水厂建设工程技术标准》的征求意见稿，该标准由天津水务集团牵头编制。在准备PPT的过程中，我特意与天津水务集团进行了电话沟通，以了解该工程技术标准的起草过程以及目前意见征集的状况。
关于智慧水厂的定义，两项标准均作出了明确阐释。《智慧供水厂建设工程技术标准》征求意见稿中的术语主要借鉴了《智慧水厂评价标准》，该准则对智慧供水厂的定义为：利用信息技术实现生产运营的数字化管理、智能化控制和智慧化决策，安全高效运行的供水厂。此外，标准对数字化管理、智能化控制以及智慧化决策也进行了明确的定义。
智慧水厂相关定义
在《智慧化供水厂建设工程技术标准》的征求意见稿中，我仔细审视了其六个主要方面。该标准规定智慧供水厂的建设应在自动化的基础上利用信息技术，逐步实现供水厂的数字化管理、智能化控制和智慧化决策。智慧供水厂的建设应统筹兼顾水厂智慧化和自动化的需求，二者之间互为支撑、深度融合。供水厂智慧化建设过程着重在对水厂管理方式的智慧化构建，从而使水厂管理具有运用知识和经验来做出判断和决策的能力。智慧供水厂应利用物联网、人工智能等新一代信息技术，紧密结合供水厂的水力和水质模型，以实现作业流程标准化、生产管理信息化、工艺操作智能化、运营信息可视化和决策过程智慧化作为主要工作目标。该标准强调供水厂建设应遵循整体规划、分步实施的原则。此外，安全方面亦受到高度重视，要求安全体系及安全系统实现“三同步”，即同步规划、同步建设、同步运行。鉴于水厂即便智能化运行亦无法完全避免意外情况的发生，标准中保留了人工干预机制。我认为这一规定极为重要和关键，因为在众多智慧水厂建设项目中，人们往往忽略了这一点，即在智慧系统出现故障时，是否设有明确的人工干预机制。
《智慧化供水厂建设工程技术标准》征求意见稿
《智慧化供水厂建设工程技术标准》征求意见稿涵盖了七个方面内容，包括智慧供水厂架构、在线监测与控制、数据、智慧管理、基础设施、实施与验收、运行与维护管理。核心架构为“四层三体系”，四层架构依次为感知层、设施层、数据层和应用层，三大体系包括标准体系、安全保障体系和统一运维体系。
《智慧化供水厂建设工程技术标准》征求意见稿主要内容
“四层三体系”核心架构
接下来，介绍一下《智慧水厂评价标准》。该标准旨在对智慧水厂的运行状况进行评价。评价的前提条件是水厂的智慧化建设或改造竣工验收满2年，且处于正常、稳定、自动运行状态，评价的有效期为5年。因此，水厂的评价并非基于部分建设或者改造内容，而是建立在一定的前提条件之上。整个评价标准共分为7章，评价体系涵盖4个主要部分：基础设施、智慧运营、综合成效以及创新与特色。其中，基础设施、智慧运营设控制项和评分项；综合成效、创新与特色只设评分项。
《智慧水厂评价标准》主要内容
在《智慧水厂评价标准》的评价体系中，基础设施所占权重为30%，智慧运营为40%，综合成效为25%，创新与特色为5%。此外，智慧水厂的评价等级共分为五个等级，类似于酒店的星级评定。一星级的评分区间为60至70分，依此类推，五星级的评分则需达到95分以上，这意味着，若水厂被评为五星级，则其水厂制水全过程已基本实现全链条的智慧化，处于国际领先水平。其中，基础设施涵盖物联设备、信息基础设施、信息安全、应用支撑及服务；智慧运营包含智能化控制、数字化管理、智慧化决策；综合成效部分着重于保障安全、高效运营、监管监督；创新与特色部分则主要强调新技术的应用，以及智慧水厂体系是否与城市信息管理系统（CIM平台）实现了对接。
《智慧水厂评价标准》评价体系与等级划分
智慧水厂案例分享
临港水厂
临港水厂是上海全新建设、全新规划的“安全优质、创新智慧、高效节能、绿色生态”水厂。该水厂的原水源自青草沙水源地，采用的是常规处理+臭氧生物活性炭深度处理工艺。一期工程的产能为每日20万吨，2022年底投入运营，规划供水能力为每日40万吨。水厂目前在线监测仪表总数为84台，其中涉及水线的监测仪表有67台，泥线相关的监测仪表有17台。该水厂保留了超滤膜生产工艺用地，一期工程中未实施，预计二期工程将同步引入超滤膜处理工艺。
临港水厂对三类数据进行实时监测，包括静态数据、动态数据以及业务数据。数据收集完成后，通过机理模型和数理模型这两大类模型的综合应用，最终构建出一个具备数字孪生特性的智能体。该智能体不仅能够自我学习、进行精准预测，还能够自主执行任务，并且集成了智能加矾、智能滤池和智能泵组系统。智能滤池系统旨在实现弹性维护和按需冲洗，而智能泵组则通过优化泵组配置，确保泵组高效运行，进而实现节能目标。此外，临港水厂在设备维护和智能故障诊断方面也进行了若干探索，通过在泵房安装传感器，赋予了其智能报警功能。
临港水厂采用“数字孪生”技术构建了新一代三维数字水厂，实现了全面要素的可视化运行监管。该水厂纳入运行监管的设备总数高达1163台，多个系统能够实现协同联动。由于水厂为新建项目，因此构建了多个数字化应用场景。水厂员工数量较少，大约仅有20余人，实现了高效运行的目标。
临港水厂节能降碳
（1）回用水
临港厂对砂滤池、碳滤池的反冲洗水、臭氧系统外循环冷却水等进行了有效回收利用。此外，还通过收集屋顶雨水用于绿化灌溉和道路清洗。
（2）一般工业固废资源化利用
污泥也得到了百分之百的资源化利用，2024年利用水厂污泥制备了约500万块砖。
（3）能源利用系统优化
临港水厂配备了光伏及储能设施，主要利用水厂建筑物的屋顶建设光伏设施。一期与二期的总装机容量约为两兆瓦，年发电量预计可达250万千瓦时。同时，实施了一个储能项目，该项目的年放电量大约为14万度。该储能项目通过在电价较低时储存能量，并在电价较高时释放储存的能量，以实现节能减排的目标。
经过上述节能降碳措施，临港水厂在节能降碳方面取得了显著成效，主要体现在五个方面：一是生产过程的智慧化，主要体现在矾耗用量的降低以及反冲洗电耗的减少；二是固废的资源化利用；三是水厂用水节约化；四是能源消耗的低碳化；五是建筑设计绿色化，临港水厂基于全新规划和设计，采用了全重力水力流程和叠合集约化布置，从而实现了生产用地的有效节约。
临港水厂对碳排放进行了核算，核算结果显示每生产一吨水的碳排放量约为0.1千克。通过查阅相关资料，碳排放水平处于较低水平。
南市水厂
南市水厂具有较为悠久的历史，始建于1902年，2009年进行了重建，供水规模70万立方米/日。南市水厂智慧化改造工程自2019年启动，至2024年完成。南市水厂建设了一个管控平台、两个智慧大脑和一个数字底座。
一个管控平台包括MES系统，即生产执行管理系统，通过MES管控平台，可以实现作业计划、运行监视、质量控制、设备管理、资源协同、安环管控、员工绩效、平台互联、分析评价、系统维护等功能。
两个智慧大脑包括水平衡系统（水量模型）和水质模型，水平衡系统（水量模型）能够实现自动接受压力指令、感知供水流量需求、实时评估产能负荷、动态调整生产分配、按需调度进厂原水、自动控制制供平衡等功能；水质模型中的药剂投加以神经网络算法为核心算法，能实时感知工艺条件变化，具有对高密度澄清、臭氧活性炭、消毒等工艺所需投加药剂自主调节、精细控制的能力。
南市水厂在打造数字孪生与仿真平台这一数字底座时做到在形态上要逼真，功能上要能用、管用和好用，业务融合主要围绕提质降本增效保安全展开。南市水厂配备了智能巡检机器人、机器辅助等自动化设备，用于PAM车间、砂滤池、加氨间、配电间以及机泵健康诊断。南市水厂建设了自动化实验室，可以实现进厂原水18项和出厂水18项水质指标的全自动检测。
智慧水厂未来展望
总体上，我国智慧水厂建设尚处于起步和探索阶段，各地水厂的规模、水质、工艺及运行管控水平等方面存在差别，问题与需求不尽相同，既要采用统一的评价指标加以规范和引导，也要结合水厂实际进行建设和评价，要以能够解决现实问题和取得切实成效为出发点，要避免盲目建设。
智慧水厂的未来发展，将以全面数字化和智能化为主导，通过多项先进技术包括但不限于GIS、SCADA、BIM、数字孪生、VR/AR、大数据、云计算、物联网、 移动互联、人工智能、智能机器人、数学模型、大数据分析模型等的融合应用， 解决传统水厂管理效率低、能耗高、水质不稳定的问题，实现水厂安全高效、绿色低碳运行。具体而言包括全面数字化转型、智能化升级、节能降耗与绿色运行以及行业协同与标准化建设等四个方面。
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编辑整理：《净 水技术》编辑 杨洁
排版：《净水技术》编辑 李滨妤
审核：《净水技术》社长/执行主编 阮辰旼
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