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探讨智慧水务视角下水务数字化转型的挑战与实践
更新时间:2021-06-23 来源:给水排水 作者:张金松等

  根据国家对水务行业“十四五”期间“安全、便民、高效、绿色、经济、智慧”的发展要求,各水务企业以智慧水务建设为抓手,积极探索与推进水务数字化转型工作。立足于国家政策、行业发展现状,分析了水务数字化转型的机遇与挑战,结合国内外水务企业数字化经典实践,探讨智慧水务2.0发展趋势,思考未来“标准体系+数字资产+使能技术”数字水务的发展态势,为我国水务企业制定和实施有效的数字化转型战略提供参考和借鉴。

  0 引 言

  党的十九大报告明确提出“全面建成社会主义现代化强国”的宏伟目标。水务行业作为支撑社会经济和城镇化健康有序发展的重要行业,对标新时代新要求,全面进入从“粗放式发展”到“高质量发展”,从“传统模式驱动”到“创新模式驱动”的变革期。根据《城镇水务2035年行业发展规划纲要》发展目标,“到2035年,基本建成安全、便民、高效、绿色、经济、智慧的现代化城镇水务体系”。从人民群众对美好生活的向往出发,立足韧性城市保障需求和水务业务管理能力,水务行业未来将在饮用水安全保障、“厂网河湖”水环境治理、城镇排水防涝、资源节约绿色循环、水务产业数字化五大业务领域集中发力。而其中新型信息技术赋能下的水务数字化转型是支撑传统水务行业突破短板、高质量发展的必然路径与核心要务。

  “数字中国”建设是大势所趋,国家“十四五”规划对数字化和水务行业新发展提出了明确要求,水务数字化转型势在必行。一方面,数字水务是数字经济的重要组成,是提升公共服务、社会治理等数字化、智能化水平的基础板块。在“生态文明”新发展理念、“碳中和”远景目标的指导下,城镇供水、排水、水环境等涉水事务的建设、运营与服务综合能力亟待提升。另一方面,水务产业化发展仍处于初级阶段,与燃气、电力等其他公用事业行业相比,运用“互联网+”的能力比较薄弱。需要加快构建水务数字化产业链,打通“水安全、水资源、水生态、水景观、水环境、水管理、水经济”经济社会循环,助力水务行业运营、管理、服务模式的数字化升级与创新。

  在此大背景下,准确剖析智慧水务发展中水务数字化转型的机遇与挑战,正确运用数字技术,使之与水务企业基础设施、生产运营和经营模式相融合,及时总结智慧水务建设路径与实践经验,是未来打造水务行业新格局下数字水务体系的重要基础和必要条件。

  01 水务数字化转型的机遇与挑战

  “十四五”产业结构、数字政策、数字经济和数字技术改革与创新下的水务数字化转型机遇与挑战并存。

  1.1 水务数字化转型的机遇

  (1)产业引领,新型水务产业格局拓展水务发展增值空间。“十四五”期间,水务产业聚焦生态文明建设及环境治理,由“高能耗”和“粗放式”向“低碳”、“绿色”和“可持续”方向转变。水务业务范畴也逐步向上游“节约水资源”和下游“环境污染治理”延伸,形成城市水务治理的一盘棋。大中型水务企业纷纷提升产业集中度和专业度,加快涉水事业一体化和水环境治理一体化发展布局。部分小微企业则注重深耕水务细分领域,谋求局部的优势领先。市场化改革趋势下,产业链上下游的智慧水务建设开发商也开始发挥集聚效应,通过并购融资等方式,汇聚产业链中优势资源,加快水务行业软硬件平台、设备制造、解决方案的研发与推广。智慧水务作为水务行业热点领域,吸引了各行各业具有技术优势的外部企业进入水务行业,带来了理念、技术、资金和人才优势,也推动了水务产业的升级。整个水务行业呈现一片欣欣向荣发展之势,水务企业由过去的碎片式、粗放式、封闭式发展逐渐转向规模化、精细化、生态化发展。数字水务助推水务企业在规划建设、运营管理、技术研发等多个环节带来创新突破,在发展中掌控制高点和主动权。

  (2)政策激励,数字水务迎来良好的外部发展环境。近年来,国家、地方、行业各个层面出台系列政策,为水务数字化转型提供强有力支撑,营造了良好的发展空间。一是国家政策为水务数字化转型在顶层愿景、目标和发展战略指引方向。党的十九大明确要加快推进信息化,建设“数字中国”、“智慧社会”。国务院国资委办公厅在《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》中要求“推动新一代信息技术与制造业深度融合,打造数字经济新优势,促进国有企业数字化、网络化、智能化发展”。国家“十四五”规划提出“加快数字化发展,建设数字中国”。二是地方政策有力支持水务数字化转型路径与实践。各地政府相继出台“数字政府”“智慧城市”“智慧国企”“智慧水务”等具体措施,加快产业数字化。三是水务行业专项政策加快提升企业数字化能力。2021年中国水协发布《城镇水务2035年行业发展规划纲要》,提出智慧水务发展目标和任务、实施路径与方法。

  (3)市场驱动,数字经济为水务数字化转型注入长效动力。数字经济已经成为全球范围内产业转型升级的关键驱动力,数字经济时代已经到来。据中国信通院发布的《中国数字经济发展白皮书》显示:中国数字经济规模已由2005年的2.6万亿元,扩张到2020年的39.2万亿元(见表1),数字经济占GDP比重已提升到38.6%。国家《十四五规划》在“十四五时期经济社会发展主要指标”中提出:预期“数字经济核心产业增加值占GDP比重由2020年的7.8%增长至2025年的10%”,智慧水务市场规模预计将从2014年65.6亿元人民币上升至2023年251亿元人民币,其中蕴藏着巨大的数字化红利。

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  (4)技术赋能,新型数字技术助力传统水务行业升级。智慧水务借助云计算、大数据、人工智能和5G为代表的新一代ICT技术,不断构建水务数字化运营场景,改变传统人工为主运营模式。一是实时感知,将各处的传感器和智能设备连接,实时监测水文、水质等信息。二是全面整合,实现各异构系统完全链接与融合,利用云计算进行大量信息的分析和保存,实现信息共享。三是智慧应用,充分利用物联网、云计算、数据仓库、智能决策支持等先进技术,支撑洪涝预警、科学调度、客户服务等各类业务应用,使设施、流程以及运行管理更智能化。四是协同运作,通过统一的水务综合信息管理平台,实现区域供排水系统统一调度、协同运作,实现资源优化配置、系统高效运行。由此,跨越式提高水务管理、产品和服务质量,全面实现服务品质、供水保障、水体治理、城市防涝、低碳发展、降本增效等水务业务数字化运营成效。

  1.2 传统水务面临的问题与数字化转型的挑战

  抓住机遇的前提是直面问题与挑战。一方面,2019年新冠疫情爆发更加凸显了传统水务行业内部信息化基础薄弱、运营管理粗放、劳动密集、资源利用率偏低、预防性保障能力不足等问题;另一方面,厂站无人/少人值守、全业务线上服务、优质饮用水保障、城市内涝防治、污水零直排和“厂网河湖”一体化管控等管理升级,也加速推动水务企业迎接水务数字化转型的挑战。

  (1)直击问题,立足水务短板,推进数字水务建设。城市水务系统复杂、流程长、环节多,实现行业整体数字化和各环节数字化具有一定难度,特别是以下问题也一定程度制约水务数字化进程:

  一是部分水务企业缺乏顶层规划,发展方向和路径不明,导致系统建设偏离企业发展战略目标,造成应用系统相对分散,各自为政,制约企业数字化转型效率。

  二是传统水务运营环节和操作流程管理仍显粗放,数字化应用能力不足。水务领域工业自动化基础普遍薄弱,厂站网生产效能偏低;供排水管理标准化、精细化程度不足,公共保障能力、运营成本和节能降耗水平偏低;水务企业人、财、物、事管理系统有待优化,管理效率偏低。

  三是大部分水务企业仍处于信息化初级阶段,数字技术赋能业务的水平偏低。水务行业在新一代ICT技术运用、数字资源挖掘、智慧化管理等方面任重而道远。

  四是水务行业全产业链和新消费链尚未打通,水务数字化价值变现速度与产业布局拓展缓慢。特别是在构建设计规划、建设运营、服务咨询、涉水产品生产销售等水务产业生态,以及水务新服务等领域仍在起步阶段。

  (2)直面挑战,立足智慧水务建设难点,有效保障水务数字化转型。水务企业在智慧水务发展方面尽管取得了长足的进步,如生产更加精益、管理愈发高效、服务趋向便捷、决策逐渐智能,但在水务的数字化转型路上还面临行业创新发展、转型方向、业务与信息融合、长效发展保障等诸多挑战。

  一是水务行业创新发展的挑战。智慧水务带来了水务行业的变革,但在运营模式创新、认知创新、技术创新等方面也带来了挑战。传统供排水运营模式重构难度较大,业务与数字化流程尚未形成合力,数字化转型倒逼业务架构重构,运营模式创新提升任重道远;数字化转型将破除业务壁垒、机构壁垒,带来全流程、全链条和全业态的水务数字化发展统一认知挑战;先进管理理念、给排水工艺技术与新一代信息化技术的融合度不足,未形成多源化、多维度技术支撑体系,技术创新已迫在眉睫。

  二是水务数字化转型方向的挑战。水务数字化逐步朝着全面感知、智能控制、数据驱动和智慧决策的方向发展。全面感知需要行业内不断扩大厂站、管网动态感知范围,提升供排水全流程和水环境监管智能感知能力。智能控制发展离不开厂站设备和工艺自动化水平的提升。数据驱动的实现则需要行业不断加大数据收集、管理、应用的投入和力度,逐步形成用数据分析、用数据诊断、用数据决策的数据生态。智慧决策是水务数字化发展的高级阶段,需不断探索数据、模型以及AI算法等在运行调度、节能降耗、应急处置等方面的深度应用。

  三是水务业务与信息技术融合的挑战。信息技术应用尚不深入、业务与信息管理模式不够成熟、复合型人才的缺乏都会阻碍业务与信息技术的深度融合。

  四是水务数字化转型长效发展保障的挑战。水务数字化转型不可能一蹴而就,在转型过程中,会面临人才、资金、机制、组织、生态链等各方面的挑战。人才与资金的匮乏,数字化转型工作难以为继;没有合理的机制保证,转型工作的有效推进会受到阻碍;组织保障更是资源协调与配合能否达到最优解的核心;生态链的发展则是企业内部资源与外部资源打通链接,产业链上下游协同,水务行业可持续健康发展的重要保障。

  02 水务企业数字化转型实践

  水务企业普遍开启数字水务变革之旅。2019年,国际水协会(International Water Association,IWA)发布了数字水务白皮书报告《Digital Water: Industry leaders t the transformation journey》,报告指出,许多受访公司已开始数字水务变革,早期发展的水务公司重点在于部署软件平台、新型传感器与智能水表,数字化程度高的公司逐步应用VR、大数据、人工智能技术,制定智能化方案,而如葡萄牙AGSWater等先进公司则已开始对外部水务企业提供服务和支持。中国在过去的二十多年以来在水务领域发展迅速,成绩显著,2020年7月2日,Global Water Intelligence (GWI) 国际水务智库根据十项维度进行综合分析,从全球角度纵观水务领域,给出了一份全球水务行业竞争力排名,中国名列第13名,在过去十年中,行业绩效提高程度处于领先地位,被评价为十年的飞速转型。

  2.1 国外典型数字水务案例

  在国外,特别是发达国家,尤其重视水务数字化转型,力求结合数字优化技术、水务业务系统建设,实现水务精细化管理。

  苏伊士集团通过与OPTIMATICSTM公司合作,引进整合OPTIMIZERTM数字技术,扩展其数字化解决方案,为用户提供贯穿于管网设计到运营全生命周期的水务基础设施优化服务,抢占水务创新数字解决方案制高点。借助OPTIMIZERTM解决方案,水务项目的基础设施投资得到大幅节约,客户需求被进一步满足。

  日本东京都自来水践行“确保供水稳定”“提升地震发生时的应对措施”以及“可生饮和口感好的自来水”三大供水指导思想,在东京供水长期战略构想(2020年)中,计划建设涵盖供水监控、能源优化、应急供水、水质管理等关键业务的水务数字化系统,确保东京都自来水制订的18项具体任务和15个考核指标能得到有效落实。

  新加坡在《数字水务——新加坡经验分享》一书中介绍了对未来水管理数字化的愿景,分享了其转型之路。新加坡数字化转型最终目标是创建一个单一的高效水系统,在该系统中,用水监测、污废水收集和处理、饮用水生产及输配的所有过程都能在系统级别上得到优化,而不是“各走各路”。

  2.2 国内水务数字化案例

  2.2.1 北控水务“全业务一体化”云平台

  北控水务是目前中国规模最大的水务公司,通过建立“全业务一体化”的BECloud智慧云平台(见图1),实现北控各个项目运营管理的“云化”部署和推广,有效加强了北控水务对各个项目的统一管控和标准化管理,提升运营能力,同时也让智慧水务云平台成为对外推广北控运营模式的有力工具。

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  2.2.2 重庆水务集团大数据探索

  重庆水务集团是一家具有完整产业链国有控股的专业水务上市公司。近年来,重庆水务集团重视智慧水务建设和数字化转型,2019年投入3 800多万与阿里巴巴集团合作,共同打造智慧水务大数据中心,并计划在智能客服、智能调度、决策辅助和故障诊断等场景中投入应用。

  2.2.3 福州水务“1·3·6·8”数字水务战略

  作为全国首批启动数字水务总体规划的水务企业,福州水务的数字水务建设围绕“1·3·6·8”战略,“画”好3年(2019—2021)的数字水务建设蓝图(见图2)。福州水务的数字水务建设聚焦高质量发展的目标,重点建设项目包括大数据中心、综合调度、水力模型、“互联网+”客服等,以提高生产管理水平,提升客户服务品质。

  2.2.4 深圳水务集团数字化转型实践

  深水集团以“建设最受信赖的环境水务综合服务商”为目标,打造深水品牌的水务数字化体系,致力成为国内水务数字化领跑者。近几年围绕集团发展战略,聚焦水安全运行、水质量提升和水环境改善,构建集团化数字运营管理基础,融合智能核心技术,驱动业务流程、运营模式创新,赋能环境水务产业升级,构建智慧化水务生态,实现集团高质量发展。

  (1)自来水直饮供水全流程数字化管控。2018年底,深圳市盐田直饮水示范工程建成,盐田区率先成为中国首个实现自来水直饮的行政区域,开创了自来水直饮的先河。在盐田直饮示范工程上,深水集团通过智慧化手段,构建了盐田直饮数字化管控系统,实现了从“源头到龙头”水质安全监管一张图管理,实现了自来水直饮全流程数字化管控(见图3)。

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  得益于盐田直饮数字化管控系统的支撑,盐田区第三方客户满意度调查中供水水质、供水信息和供水服务三项满意率显著提升(92.4%),排名全市第一。

  (2)数字化工厂。针对传统厂站自动控制精度不高、生产管理落后等问题,深水集团通过对光明水厂和洪湖水质净化厂进行数字化改造,让水厂的运行变得更加安全、高效、优质、节约。

  水厂传统碱铝投加控制影响因素多、滞后性明显,在光明水厂,采用神经元网络算法建立数学模型,精准控制碱铝投加量(见图4)。通过在水厂引入工艺智能算法实现了生产精细化控制,使之初步具备自学习能力,水处理单元适应性变得更强,使生产更加安全可靠,并显著降低水厂生产药耗。

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  在洪湖水质净化厂,立足于传统的自动化控制及监控体系,运用多种人工智能算法进行数据分析,建立涵盖有机负荷降解、生物脱氮等环节的完整污水处理智能工艺大脑,从而实现了高可靠、高稳定、高精度的工艺优化调控,在保障出厂水质实时达标的同时节能降耗10%以上(见图5)。

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  (3)深圳河流域厂网河全要素数字化治河模式。深圳河在过去由于接纳了大量的生活、生产污废水,河流污染严重,水体黑臭,存在着流域治理时空跨越大、涉水设施管控要素多、联合调控逻辑关系复杂等治理难点。针对上述问题,深水集团创新提出厂网河一体化全要素治河模式,通过源头管控、过程监控、结果可控的方式来治理深圳河,建设深圳河流域“厂网河”全要素一体化管控系统,辅助实现河口断面的稳定达标。

  厂网河全要素治理模式通过四个“一”实现了“厂网河”全要素一体化管控,即:一张网构建流域治理要素逻辑,一张图监管涉水全要素数据信息,一中枢诊断排水系统关键问题,一闭环调度指挥异常事件。

  深圳河流域“厂网河”全要素一体化管控系统有效识别出排水系统的关键问题,提供了智慧调度的决策支持,有力保障了河道治理工作的顺利实施,目前深圳河水质已经达到了地表水V类标准。

  03 水务数字化转型的未来发展趋势

  未来水务行业应顺时代发展,科学应变、迎接挑战,把握机遇,推动数字水务发展。数字水务发展重点在以下方面发力:

  一是推动水务领域的产业数字化和数字化产业发展,形成完整的数字水务价值链、生态链。水务行业在加快数字化转型步伐的同时,数字化产业也将蓬勃发展,形成互相促进、多方协同,共同推进水务产业的升级发展。

  二是加快大数据、人工智能、数字孪生等技术在水务行业的融合发展,培育水务行业发展新动能。数据作为数字水务发展中的重要生产要素,可以创新水务的运营管理,为城市水务集约建设、协同管理、资源共享和联合应急提供新思路和新途径。人工智能作为推动水务行业发展和变革的核心驱动力量,一是可以赋能水务基础服务设施共性通用的AI能力,为数字化转型打下智慧基础,二是通过模型、智能算法的融合应用,推动业务流程优化与模式创新,不断催生水务行业新模式、新场景,实现智能生产、精细运营、精准服务、智慧管理。

  3.1 “互联网+水务”——智慧水务2.0推动水务行业产业结构变革

  推动互联网、大数据、人工智能等在水务领域的深度融合,打造“工业互联网”、“产业互联网”和“消费互联网”三网融合的数字水务空间,培育新技术、新业态、新模式,将会是智慧水务2.0的主要特征。依托“工业互联网”“产业互联网”和“消费互联网”,加快数字水务运营管理能力、业务拓展能力、商业模式创新能力的价值赋能。

  一是以工业+互联网为核心,构建节能增效型水务运营管理数字化体系,打造以云化部署为核心的运营管控平台,健全全域智能感知体系,强化多维数据共享与应用,构建节能高效智慧水务应用场景,打造城市供排水数字孪生系统,实现全业态平台化管理以及智慧生产、运营、服务与决策。

  二是以水务产业+互联网为核心,构建全链条水务产业生态圈,整合外部资源,构建智慧水务产业联盟;释放企业内部优势,构建水务品牌输出模式,实现水务全产业链在多个领域的深度合作,推动产业链健康、绿色、可持续发展。

  三是以水务消费+互联网为核心,构建创新型水务商业经营模式,依托线上服务平台,为用户提供精准服务,形成高粘性水务专属私域流量,并据此打造网上商城,提供多种个性化服务。

  3.2 标准先行——数字水务标准体系促进水务资源共享

  在智慧水务建设中,一方面各地区水务行业发展不均衡,认识不统一,智慧水务缺乏统一的建设指导,容易造成智慧水务建设各自为政,建设易偏离既定目标,效果大打折扣;另一方面由于没有统一的规范与标准,智慧水务建设比较混乱,诸如硬件接口、数据类型、通信协议、性能要求等无标准可循,各自企业使用不同的开发建设厂商,系统建成后信息无法互联互通,信息孤岛问题突出。造成以上现象的一个重要原因就是水务标准体系的缺失。目前信息化领域国家标准总数已经超过2000项,但水务数字化的相关标准仍旧欠缺,标准体系亟待建立。为解决智慧水务标准缺失、滞后、交叉重复等问题,未来要系统梳理、全面布局、迭代进化各层级、各板块标准,指导智慧水务合规、有序建设。各地水务管理单位、水务企业、高校以及水务开发建设厂商等相关单位应积极参与到智慧水务标准体系建设中,打造兼具先进性与适用性的数字水务标准体系,引领智慧水务建设全面规范化发展。

  3.3 价值变现——数据质量提升增加水务数字资产价值

  目前,很多水司尚处在建设信息系统的过程中,普遍存在着数据质量不高、数据格式不统一等问题,需要借助数据治理手段加以根治,规范数据共享和使用,提高数据质量,从而充分发挥数据的价值。规范、统一数据的存储、共享和使用,能让涉水数据更一致、更准确,方便数据在各业务系统间流转交互,促使与数据相关的业务流程得到深度再造。此外,通过数据清洗工作,识别并改善数据重复、数据缺失、数据异常等问题,提升数据质量,一方面能让数据更可信,使厂站能耗、产销差等数据分析结果更合理,辅助管理人员作出更经济、合理的决策;另一方面,数据问题往往跟设备故障、运维缺失等问题相关联,借助数据清洗能更及时地发现隐患,助力供排水系统稳定安全高效运行,减少企业经济损失。

  3.4 技术赋能——使能技术研究应用加快数字化水务智慧升级

  水务使能技术把“大数据+物联网+云平台+移动化”以及人工智能、边缘计算等前沿技术与水务应用融合一体,形成新技术+新业务。供排水处理工艺的机理模型、供排水管网水力模型、AI智能优化算法等将广泛应用于水务规划建设、运行调度、防洪排涝、设施运维等业务中,提升决策的科学性、提高管理效率,使供排水系统的运行效能最大化。

  一是智能规划。结合模型预测,对工程地点选择、规模设计、参数优化、运行效果进行模拟评估,指导项目的规划与投资,为区域整体规划建设提供决策依据,为厂站建设、管网建设等的预期效果提供量化手段。

  二是智慧运行。一方面,随着在线监测技术的发展和智能控制技术的成熟,供排水厂站逐渐由机械式、人工式监控向自动化、智慧化调控发展,最终实现厂站少人、无人值守,实现厂站工艺智能、安全、高效、达标运行。另一方面,精度高、实用性强的供排水管网实时在线水力模型作为调度系统的核心模块,结合预测算法、AI分析等,能够实现对管道中各种可能出现的问题进行预判,对管网调度操作进行事前模拟,为区域科学调度提供参考,保证生产顺利开展。

  三是治污排涝。利用排水管网模型、雨量预测等技术,在降雨发生前对排水管网可能的内涝点、污水冒溢点进行模拟评估,并针对高风险点,自动发送预警信息,事前排查管道淤积等问题,执行调度操作降低管网液位,定点配置足够的人员、物资,降低污水冒溢风险,实现水污染智能化管控、防洪排涝智能化管控。

  四是智能运维。借助数字孪生技术、物联网感知设备,构建涵盖供排水业务全链条的数字孪生体,将会是水务基础设施运维管理的新模式。通过水务数字孪生,将水源、水厂、泵站、管网等设施精准地映射在计算机中,再利用数据分析、模型模拟等技术,实现对设施的仿真交互、故障预测等,为基础设施的运维管理、事件处置的评估决策提供强有力的支撑。


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