水行业的数字化未来

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水行业的 数字化未来 Version 2.0 01 剑维软件水行业白皮书 序言 随着新一轮科技与产业革命的兴起，全球正加速迈进信息化、数字化以及智能化的新时 代。与此同时，物联网、GIS、5G通讯、大数据、云计算以及人工智能等新一代IT技术的落 地应用，也为各行业迅猛发展注入了源源不断的强劲动能。 在这样的时代背景下，水资源的合理利用与保护⸺这一与社会可持续发展紧密相连的 议题，成为了众人共同瞩目的焦点。城市化进程稳步前行、水环境治理不断深化，为水行 业带来了前所未有的发展机遇，政府对水资源的保护与利用给予了极高的重视，出台了一 连串政策以推动水行业的可持续发展。 尽管如此，除了必须直面气候变化和用水效率的双重挑战，水行业依然存在水资源过度开 发、污染，供水排水系统老化等历史遗留问题。同时，公众对环境质量提出了更高的要求， 水行业企业的运营和管理正面临着更为严格的标准和更高的准入门槛。 近些年来，数字化转型为水行业带来的变化和效益有目共睹⸺不但提高了管理效率、降 低了运营成本，而且在提升水质安全、优化资源配置和增强系统韧性等方面发挥着巨大的 影响力。在新政策、新技术，以及企业发展和效益等多重因素的驱动之下，数字化转型毫 无疑问已成为水行业实现高质量发展的“必选题”。 要从传统的水务工程升级到现代化的水务管理，实现从粗放型资源管理到精细化运营的战 略性跃迁，企业不仅要解决“数据孤岛”的难题，构建数据集成与共享能力，还需要提升水 务设施的智能化水平，强化精准监控和高效管理，并加强网络安全防护，保障基础设施关 键信息的安全。 作为全球领先的工业软件解决方案提供商，AVEVA剑维软件能够为水行业提供从工程设 计与建造到生产运营优化，再到资产管理的一整套端到端的全生命周期数字化转型解决方 案，为行业客户的精准决策、提高运营交付效率和可持续发展保驾护航。 为了与行业用户和合作伙伴共同探讨当前水利和水设施的设计、建造、移交、运维的数智 化，剑维软件的资深专家团队倾力撰写全新的《水行业的数字化未来》白皮书，期望能为 水行业相关企业打造创新应用的“泉眼”， 期望广大读者可以从这本白皮书中收获参考与 启发。 本白皮书将以中国水行业政策环境为背景，详尽展示剑维软件及合作伙伴的数字化技术在 水行业智能化管理中的应用和成功实践案例，支持水行业客户更加从容地应对挑战、满足 合规要求、提升盈利能力和可持续的市场竞争力。 夯实数字化底座，赋水以“智”。如今，剑维软件凭借成熟的技术平台、丰富的行业技术积 累、强大的生态合作伙伴网络，以及对客户需求的深刻理解，已经成为水行业企业寻求软 件技术支持的可靠伙伴。剑维软件愿与各位一起携手共进，共同描绘绿色可持续的“未来 水世界”。 AVEVA剑维软件 02 剑维软件水行业白皮书 a ① 联合国可持续发展目标6–清洁饮水和卫生设施，https://www.un.org/ sustainabledevelopment/zh/water-and-sanitation/ ② CDP, Water Analysis Report 2020, https://www.cdp.net/en/research/global- reports/global-water-report-2020 ③ World Bank, Water Overview, https://www.worldbank.org/en/topic/water/ overview ④中华人民共和国水利部，2023《中国水资源公报》，https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202406/content_6957291.htm ⑤“十四五”节水型社会建设规划https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-11/09/5649875/files/146d1a6fcb7c42f3a4aad9dca6104719.pdf ⑥千际投行，水务行业发展报告，2021，https://huanbao.bjx.com.cn/ news/20210322/1143266.shtml 水行业概览 促进水资源可持续发展是全球共同的使命 水是生命之源 ! 自然水资源的需求在全球人口增长和经济 发展的背景下日 益增加。自然水资源的供应侧由于人为 污染、地下水过度开 采以及气候变化等诸多因素，可利用 的自然水资源量日渐萎 缩。全球水资源总量约为13.86亿 立方千米，其中咸水占比 为97.47%，淡水占比为2.53%。 地下水资源及咸水的大规 模开发利用在目前的技术条件 下尚未完全成熟，而容易获 取的淡水仅占淡水总量的 1% 左右，约占全球水资源总量的 0.026%左右。 据统计全球十分之三的人口无法获得安全管理的饮用水。 超过17亿人所生活的河流流域用水量超过回补量，而人类 活 动产生的废水超80%未经处理就排放到河流或海洋。 预计 到 2030 年，全球淡水资源将减少40％，同时世界人 口迅速增 长，爆发全球水资源危机的可能性极大 ①。 全球环保非营利机构CDP的调查研究显示水资源匮乏、水 质恶化、供水压力以及极端气候天气情况都成为商业运营 中 的重要的风险评估要素，而对于这些风险的置之不理可 能带 来5倍于积极应对所需要的财务成本 ②。 面对日益严峻的挑战，联合国将清洁饮水和卫生设施列为 《2030 可持续发展议程》列举的 17 个可持续发展目标之 一， 并于 2018 年 3 月 22 日启动了“水资源促进可持续发 展”国际 行动十年，号召采取转变水管理方式的行动，促进 公平可持 续的水资源管理、利用、节约和保护，推动经济的 转型。世界 银行也指出在当前新冠疫情在全球蔓延的形 势下，提升供水 系统的韧性，完善水基础设施，健全消毒和 卫生设施，对保 护人类健康和促进经济恢复有着不可替代 作用 ③。 提升水资源利用效率是中国十四五期间重要目标 据国家水利部最新公布的2023年《中国水资源公报》数据 显示，全国水资源总量为25782.5亿m 3，比多年平均值偏 少 6.6%。其中，地表水资源量为 24633.5 亿 m 3，地下水 资源量为 7807.1 亿 m 3，地下水与地表水资源不重复量为 1149.0亿m 3④。据有关统计，我国的淡水资源总量占全球 水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼 西亚，居世界第六位，但人均只有 2200 立方米，仅为世界 平均水平的 1/4、美国的 1/5，是全球人均水资源贫乏的国 家之一，属于缺水严重的国家。水资源短缺且分布不均，用 水方式粗放低效对国家生态文明建设和高质量可持续发展 形成了瓶颈。因此“十四五”规划中要求到 2025 年，要水 资源利用效率和效益大幅提高，节水型社会建设取得显著 成效。到2035 年，人水关系和谐，节水意识深入人心，节 水成为全 社会自觉行动 ⑤。 为了建设更美好的社会，实现人民幸福生活目标，促进水 资源的可持续安全保障利用，国家先后出台了《“十四五” 水安全保障规划》、 《“十四五”重点流域水环境综合治理规 划》、 《“十四五”节水型社会建设规划》等一系列指导性文 件。从这些纲领性文件中可以看出，进入新发展阶段更加 关注与水环境的保护、更加注重“人水和谐”。 在 2020 年国家主席习近平在第七十五届联合国大会一 般性 辩论上做出“2030碳达峰，2060碳中和”的承诺后， 改善 生态环境，加快绿色转型，实现高质量可持续发展成 为了十 四五期间的重要工作。在 2021 年 3 月发布的《中 华人民共和 国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目 标纲要》表明一方面将继续实施国家节水 行动，建立水资源 刚性约束制度，强化农业节水增效、工 业节水减排和城镇节 水降损，鼓励再生水利用，目标单位 GDP用水量下降16%左 右；另一方面加大投入环境基础 设施，目标新增和改造污水 收集管网 8 万公里，新增污水 处理能力2000万立方米/日，地 级及以上缺水城市污水资 源化利用率超过25%。 水行业承担着水资源可持续发展的重任 水行业是指由原水、供水、排水、污水处理以及水资源回收 利 用以及服务于水的各类配套设施等构成的产业链如下 图所示 ⑥， 而以上各个环节的水行业设施的生命周期可分 为基础设计，工程设计，采购，建设，移交，运维等环节。水 行业的业务可覆 盖传统的收集、生产、储运、销售等板块，也可拓展至环保 行 业水源监测与管理，水务设备制造、水处理化学品制造、 市政 供热，工程建设等方面。特许经营是水行业的主要服 务模式之 一，水务企业通过BOT（建设-运营-移交），TOT （移交-运营- 移交），ROT（改建-运营-移交）或DBOT（设 计-建设-运营-移 交）等模式参与水项目。 03 剑维软件水行业白皮书 a ⑦ IDRICA ⑧ World Economic Forum ⑨ Mueller Water Products, Inc. ⑩ Mueller Water Products, Inc WINT 水行业价值链示意图 ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 04 剑维软件水行业白皮书 随着国家逐步落实“绿水青山也是金山银山”的环境治理理 念 和全面节水行动的推广和深入，越来越多的流域治理项 目整体 打包单体水厂、河道治理、固废处理、管网建设等业 务。诸多行 业的头部企业，地方水企，外资水企开始逐步 向农村市场和产 业链其他环节例如综合环境服务方向延 伸。同时，由于积累的 水行业经验和技术能力，水企经营 模式也逐渐向EPC（设计-采 购-建设），EPC-O（设计-采 购-建设-运维），DBO（设计-建造- 运营）以及O&M（委托 运营）等轻资产模式转变和拓展8。 十四五期间，水行业相关企业承担着水资源可持续发展的 重任。“工欲善其事，必先利其器。”随着云计算、大数据、 物联网 等数字化工具和工业软件的成熟和普及，水企也面 临着挑战： 如何高效地设计和建造水利和水行业设施满足不同的环 保场 景和用水需求，提升项目执行和交付的效率，改善 投资回报 如何改造基础设施，补充和整合基础数据，有效地监测和 运营分布式和大型水利、水务以及其他环保设施，满足一 体化管理日趋多元化综合业务的需求 如何降低能耗、漏损和成本，赋能员工提升运维效率，达 到节水增效、减废止损的目标 如何保障用水安全，提高设施可靠性和可用性，提升供应 链韧性，从容应对突发状况和极端天气导致的水源缺乏、 水质恶化紧急情况 本白皮书将就水行业中水利和水务设施的设计、建造、移 交、 运维等环节进一步讨论水行业的痛点以及如何利用数 字化的 技术帮助水行业相关企业完成时代赋予的挑战，提 升盈利能 力和市场竞争力。 05 剑维软件水行业白皮书 从水行业产业链，大致可以分为原水，制水，和污水三大领 域，而落到实体中，则包含各种水厂，诸如海水淡化厂，自 来水 厂，和污水处理厂等，以及服务于水的各类配套设施 包括给排 水泵站，水利水电设施，水网管理等等。在这些 环节中，资产 信息管理，运营监视与控制，资产预测性分析 的应用需求普遍 存在，比如各类水厂及水电站，对于数字 孪生，智慧运营等数 字化升级建设热火朝天；而在海水淡 化厂，自来水及污水处理 厂等厂区以及水利水电工程建设 初期的数字化设计，可以为智慧水长远的发展，打造坚实的 基础；而在污水处理厂，对于 先进过程控制的需求也逐渐 涌现，通过此，以帮助水处理厂 提高运营效率，减少化学品 消耗，降低功耗及资产的损耗。 依托于剑维软件广泛而专业的产品线组合，结合水行业特 性及 我们的认知，接下来，我们将建立我们的整体创新解 决方案， 逐一详细说明流程和方法，使我们能够为您提供 所需的数据， 并提供信息，支持您应用需求，以实现水行业 全方位的效率。 水行业解决方案 06 剑维软件水行业白皮书 集中监控平台的核心需求包括监控和控制生产过程、采集 生产数据、报警功能、历史数据存储、远程访问、以及对业 务系统提供接口。 这些需求旨在提高生产效率、降低成本 以及确保生产安全。 1. 监控 和控制生产过程 通过中控室操作员客户端实时监测和控制设备的运行状 态，如设备的运行等。 2. 采集生产数据 实时采集生产设备的实时数据，如压力、温度、流量等。 3.报警功能 根据设定的阈值将异常数据发出报警，提醒和通知操作人 员，避免生产异常和事故发生。 4.历史数据存储 对重要的数据进行历史数据归档，方便事件追溯和事后 分析。 5. 远程访问 随着现代技术的发展，运营人员需要实时了解生产运行状 况，以提高效率并减少人为错误。 6. 对业务系统提供接口 平台需要能够与其他业务系统进行集成，实现数据互通和 信息交换。 业务挑战 1.实时数据采集与分析 实时监控数据的采集、存储与分析是确保系统稳定运行的 关键。然而，由于水务基础设施老化，接口多、涉及通信协 议多，如何有效采集和分析这些数据以进行预警和优化，是 一大挑战。 2.系统稳定性与信息安全 系统在运行过程中不仅要连续稳定运行，还需要满足信息 时代安全要求，这给系统设计和运营带来巨大压力。 3.易用性与可维护性 系统应具备友好的用户界面，方便操作和维护，同时提供必 要的技术支持和售后服务，这对确保系统长期稳定运行至 关重要。 解决方案 通过构建集中监控平台，用户可以站在企业运营的角度，制 定统一的标准，降低后期维护和跨部门协助复杂度，减小信 息孤岛，方便在系统之上扩展更多的高级应用。对于集中 监控平台来说，我们推荐采用AVEVA™ System Platform 来构建，AVEVA System Platform 是一个先进、开放和 可实时扩展的平台，平台中包含数据采集、处理、存储、分 析以及界面可视化等标准组件，平台组件之间通信支持 TLS1.2数据证书加密方式，通过平台广泛的连接性和兼容 性，可以连接和整合更多的设备和系统，通过统一的界面， 实现可视化，同时在平台应用的基础上，用户增加更多的高 级软件应用。 1.广泛的数据采集能力： AVEVA™ Communication Drivers驱动程序提供了与多种 硬件控制器厂家的数据采集能力，包括施耐德电气、AB、西 门子、欧姆龙、三菱等品牌，同时提供了开放的标准协议的 支持，包括OPC-UA、MQTT、DNP3、Modbus、IEC60870 等协议。 对于非标准通讯协议，剑维软件也提供通讯驱动开发SDK， 支持定制化协议的开发。 从2017版本开始，通信驱动程序由原来的DAServer升级 为OI Server，新的OI Server其中一个重要特性是支持多 实例的使用，每个实例就是一个独立的驱动进程，通过使用 多实例，可以提高每台机器数据采集的吞吐量，提高采集的 可靠性、可用性，减少许可证和硬件开销，更有效的利用计 算机资源。 2.支持三层冗余架构 系统平台支持从数据采集、数据处理、以及到数据存储的冗 余，整个配置过程也非常简单，无需任何代码即可配置实 现，同时当应用对象服务器和历史数据服务器连接出现问 题时，历史数据、历史报警和事件信息会缓存在本地应用对 象服务器磁盘上，当连接恢复以后，缓存的数据会重新发送 到历史数据库进行归档，从而保证历史数据的完整性。 集中监控平台 07 剑维软件水行业白皮书 3.易于开发和维护 系统平台提供了面向对象的模板标准和技术，整个开发过 程可以通过配置化完成，无需工程师具备很强的代码开发 能力。 通过在平台中定义的统一模板进行派生，能够保证画面风 格、操作方式、颜色的一致，同时提高项目开发的效率，缩 短项目开发的时间，对于项目维护来说，只需要维护模板， 这种方式也减少了维护的工作量和复杂度。 对于系统平台来说，系统平台是真正的C/S架构的软件，同 时系统还提供了远程分布式部署和集中管理的优势，即所 有应用程序的开发部署，都是在工程师站上完成的，不需 要现场去完成应用的程序部署和更新。同时系统内开发和 运行时分离的，即修改或增加设备，不会影响已有系统的 运行。 4.报警功能 软件提供了先进的警报管理功能，如基于状态的警报、警报 抑制、警报搁置、警报分组和聚合，以识别和过滤基于严重 程度的滋扰和“不良行为”警报，以保持对最相关的过程信 息的关注，减少操作员的分心。 2023R2版本开始报警支持可选的LATCH状态，它可以让 操作人员在报警消除后再次输入报警原因，方便后续对历 史报警进行统计分析。 5.历史数据管理 软件中包含了一个实时历史数据库软件，与传统的关系数 据库不同，AVEVA™ Historian处理时间序列过程数据，以 及历史警报和事件数据。独特的“块技术”捕获工厂数据的 速度比标准数据库系统快数百倍，并使用传统存储空间的 一小部分。从而满足对于历史数据和报警、事件后续分析 和追溯功能。 AVEVA 历史数据客户端提供了桌面和 Web 两种查看方 式，以满足用户对于历史数据查看的不同需求，强大的趋 势、查询和报告工具，可以在不到一秒钟的时间内处理一年 的历史数据，以方便进行故障排除、识别低效率，并消除耗 时的数据定位活动。桌面版本也提供了 .Net、WPF 控件， 方便把它集成到 AVEVA InTouch 或者 AVEVA OMI 画面 08 剑维软件水行业白皮书 上，操作员在监视客户端上除了能看到过程画面、报警，还 能看到趋势，减少软件直接的相互切换，提高效率。 6.移动访问 随着现代技术的发展，运营人员也需要实时了解现场生产 情况，通过移动网络对现场客户端画面的浏览查看，以及 远程的故障诊断等需求，系统平台提供了AVEVA InTouch Access Anywhere的解决方案，可以很好的满足客户的这 一需求，授权的用户只需要在支持HTML5浏览器上即可安 全的访问，同时客户端上无需进行任何的软件安装。 对外部业务系统的接口 系统平台可以对外提供 OPC UA Server，也可也通过 MQTT 驱动程序里的 Publisher 把数据推送到 MQTT Broker，通过简单的配置，外部系统即可方便的获取系统中 所需的实时数据。 对于历史数据来说，AVEVA Historian 提供了 OLEDB 和 OData/REST接口，通过相关的接口方法，即可获取历史数 据库里的历史数据供外部系统使用。 09 剑维软件水行业白皮书 一体化运营中心 一体化运营中心是剑维软件的企业级可视化解决方案，用 于创建基于系统方法的智能运营中心，该系统方法融合了 运营技术（OT）、信息技术（IT）和工程技术（ET）。它通过单 窗格软件环境提供可用的内容，为工业运营提供可操作的 信息。 通过剑维软件水务一体化运营中心提供的集中视图，水务 和污水处理组织可以提高运营意识，提高危机响应能力。 该解决方案通过使整个企业可见，实现了对全球和区域水 和废水运营的敏捷和响应性管理。它通过将对地理位置分 散的站点的广泛见解与在上下文中深入特定 kpi 并查看实 时操作的能力相结合来创造价值。 剑维软件针对水务的一体化运营中心主要特点： 融合和情境化OT/IT/ET 通过将整个运营中的数据源和数据类型汇集在一起，自定 义360度视图，以识别新的关系并提取新的价值。 管理地理上分散的业务 使用可定制的导航工具按站点向下钻取单个资产，并创建 物理和数字系统的直观层次结构。 提高对操作条件的认识 从被动缓解转向主动评估。通过数